王宏濤，儲滿生，趙 偉，柳政根，唐 玨
( 東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819)
摘要: 在目前及未來長時期內高爐 － 轉爐流程仍是鋼鐵工業生產的主要工藝流程，高爐煉鐵是實現節能減排和可持續發展的關鍵。在目前環保形勢更為嚴峻的條件下，高爐煉鐵面臨巨大挑戰。全球范圍內一些創新煉鐵技術得到實際應用。介紹了國內外高爐煉鐵低碳化和智能化新技術的發展現狀，提出了我國高爐煉鐵節能減排的方向，以期促進我國高爐煉鐵技術的進步。
關鍵詞: 高爐; 煉鐵; 低碳化技術; 智能化技術; 發展現狀
0 引言
近年來，全球環境問題日趨嚴重，其中 CO2 減排已成為熱點問題。鋼鐵工業作為國民經濟支柱產業之一，其 CO2 排放占全球總排放量的 5% ～ 7%，占全球工業總排放量的 15% 左右［1,2］。因此，鋼鐵工業面臨著巨大的減排壓力。目前及未來相當長一段時期內，鋼鐵制造流程以高爐 － 轉爐流程為主。高爐生鐵產量占全球總產量的 94%［3］，其能耗和CO2 排放達到整個流程的 80% 以上［4］。因此，高爐煉鐵是鋼鐵工業節能減排和可持續發展的關鍵。
為積極應對日趨嚴峻的環保形勢，全球各國共同努力，采取相應措施，積極研發相關技術，開發或應用了一些高爐煉鐵節能減排創新項目和技術，如ULCOS 項目、COURSE50 項目、超級燒結技術( Su-per － Sintering) 、燃料噴涂技術( Lime Coating Coke，LCC) 、煙氣循環技術、鐵焦技術、含碳球團技術( Reactive Coke Agglomerate) 、高爐混合噴吹技術和高爐智能化技術等。本文介紹歐盟、北美、日本和中國等主要產鋼國和地區高爐煉鐵現狀，總結這些國家或地區高爐煉鐵低碳化和智能化新技術，并對未來低碳高爐煉鐵的發展方向進行展望，以期為煉鐵研究人員提供參考，促進我國高爐煉鐵技術進步和鋼鐵工業可持續發展。
1 燒結環保技術
1． 1 燒結煙氣治理技術
燒結煙氣溫度偏低、氣量大、污染物含量高且成分復雜，是鋼鐵行業煙氣治理的難點和重點。近年來，在環保壓力不斷加大、環保要求不斷升級、環保形勢異常嚴峻的背景下，鋼鐵工業燒結煙氣治理與減排壓力與日俱增。歐洲幾乎所有的燒結廠必須嚴格控制粉塵、SO2 、NOx、SO3 、CO、氟化物、氯化物和二英等的排放，幾乎所有燒結廠均采用先進技術用于治理燒結煙氣。移動電極電除塵技術( MEEP)和干法除塵技術用于凈化燒結煙氣［5,6］。經處理，煙氣中二英含量由1．9 ng /m3 降到低于0．4 ng /m3 。為減少污染物產生，煙氣循環燒結技術也被廣泛應用［7］，如 LEEP 和 EPOSINT。采用LEEP 煙氣循環技術后，廢氣排放量減少 45%，燃料消耗量減少 5 kg /t［8］。
煙氣循環燒結技術可減少煙氣生成量和固體燃料消耗。部分煙氣循環后，料層上部和下部溫差減小，有利于改善燒結礦質量和降低能耗。國內第一條煙氣循環燒結工藝中試線在寶鋼不銹2#燒結機應用，設計煙氣循環量比例 35%［9,10］。2013 年，第一條生產線在寶鋼寧鋼成功投產。生產實踐表明，煙氣量減少33．33%，焦炭消耗量減少2．56 kg /t，產生經濟效益 869 萬元。另外，沙鋼在 2013 ～2015 年對 3#、4#和 5#燒結機升級改造中也成功應用煙氣循環燒結技術［11,12］。生產實踐表明，燒結機正常生產時間增加，產量提高 10% ～ 20%，單位生產成本明顯降低，煙氣量減少 19．5%。
1． 2 超級燒結技術
超級燒結技術是由日本 JFE 鋼鐵公司開發的從燒結機上部向燒結料面噴吹天然氣，從而降低燃料消耗，同時提高燒結礦質量［13］。燒結點火后，向燒結料面噴吹天然氣可將燒結溫度提高到 1 200 ～1 400 ℃，由于天然氣和焦粉燃點不同，燒結最高溫度不會過高，從而促進鐵礦石和石灰的同化反應，液相比增大，加速 1 ～ 5 mm 氣孔的融合，從而有利于改善燒結礦強度［14］; 孔徑大于 5 mm 的氣孔數量迅速增多，使燒結料層的透氣性得到改善; 未熔料中殘留有大量孔徑小于 1μm 的微孔，使燒結礦的還原性得到改善［15］。超級燒結技術于 2009 年在 JFE 鋼鐵公司京濱廠 1#燒結機得到首次應用。據統計，CO2 每年減排6萬t。近年來，天然氣和氧氣同時噴吹技術( Super － Sinteroxy) 在千葉廠 4#燒結機成功應用。混合噴吹中，氧氣濃度由 21% 提高到 27%，天然氣濃度為 0．4%。試驗結果表明，燒結礦轉鼓強度提高 1．2%，氧化鈣添加量減少 2 kg /t，用于高爐可降低還原劑比 3 kg /tHM。
燒結料面噴吹焦爐煤氣可以減少固體燃料消耗，同時可以提高燒結礦質量。2013 年寶鋼梅鋼在3#燒結機上成功應用燒結噴吹焦爐煤氣技術［16］。生產實踐表明，燒結礦轉鼓強度、粒度和還原性都得到改善，固體燃料消耗和 CO2 排放均減少。
為改善燒結環境，寶鋼股份近年來與中冶長天合作對燒結區域進行了大規模環保改造，應用了一些先進的燒結環保技術［17］。主要包括:
( 1) 活性炭煙氣凈化技術。該技術的應用實現了多污染物綜合凈化處理，大大降低燒結外排煙氣中的污染物濃度。其中，脫硫率 98% 以上，脫硝率80%以上，脫二 英 80% 以上，與主機同步率幾乎達到 100%。
( 2) 液密封環冷機技術。該技術使用后漏風率由 35%降低至 5%以下，基本消除粉塵外逸，從而改善了現場環境。
( 3) 節能環保燒結機技術。該技術的使用實現了料層厚度由 600 mm 提高到 900 mm，固體燃料減少 3 kg 標煤，漏風率由 35% 降低到 20% 以下，燒結礦成品率提高 2%。
( 4) 環冷廢氣綜合治理技術。采用梯級循環利用余熱資源，減少了粉塵的無組織排放。
( 5) 直聯爐罩式余熱利用技術。同時利用高溫燒結礦的輻射熱和零溫降的對流熱進行發電，發電量提高約 12．9%。
( 6) 其他技術。如大功率風機變頻運行技術、粉塵氣力輸運技術、高度集中式燃料破碎篩分工藝、燒結生產集中控制、粉塵制粒高效利用技術等。
環保技術應用近一年來，設備穩定運行，粉塵污染基本根除，主要廢氣排放指標均遠低于國家標準，環保指標達到國際領先水平。環保技術投產前后燒結廠區對比如圖 1 所示。
1． 3 燃料噴涂技術
NOx 主要來源于燒結工序，為減少燒結過程NOx 排放，新日鐵住金開發了燃料噴涂技術。該技術是在燒結過程中，先用生石灰包裹焦粉，然后與其他燒結料經制粒后進行燒結。制粒時間不能過長以防止鐵礦層和 CaO 層脫落。燒結過程中，鐵礦層和CaO 層在焦炭表面反應生成 CaO － Fe2O3 熔體層，提高了燃燒溫度，并抑制 NOx 的生成。該技術于2013 年在大分廠成功應用，生產實踐表明，NOx 生成量減少了47 m3 /h，煙氣中 NOx 濃度降低 28ppm，同時燒結產量增加 0．6 t/( d·m2 ) ，成品率提高 1．1%。
2 原料造塊新技術
2． 1 含鐵廢料冷壓塊
北美地區一些高爐使用以瓦斯灰、瓦斯泥、軋鋼皮與焦粉為原料生產的冷固結壓塊，如U．S．Steel公司 Edgar Thomson廠的1#和3#高爐，2014 年冷壓塊使用量達到34 kg /t HM ［18］。另外，俄羅斯KosayaGera 公司采用水泥為黏結劑，將含鐵含碳廢料壓制成塊供高爐使用。含鐵壓塊利用高爐爐料的回收成分，從而實現二次資源高效利用［19］。俄羅斯大量生產一種獨有的硬瀝青礦產，該物料含有 60% SiO 2和 30%碳，加入高爐可以替代焦炭: 當高爐生產鑄造生鐵時，硬瀝青對焦炭的置換比為 0．7 ～ 1．2kg /kg; 當生產煉鋼生鐵( Si = 0．7%) 時，置換比為0．53 kg /kg。長期使用會在爐缸側壁生成碳化硅殼，起到保護爐缸的作用。
2． 2 鐵焦技術
鐵焦是將鐵礦粉添加到適宜的煤中，利用傳統室式焦爐工藝或非焦爐工藝生產的一種碳鐵復合爐料［20］。與焦炭相比，鐵焦具有高反應性，高爐使用鐵焦后可降低熱空區溫度、提高冶煉效率、降低焦比，從而實現 CO2 減排。JFE 鋼鐵公司［21,22］將弱黏結性煤和鐵礦粉先混合，然后將混合物加熱，再通過對輥壓力機將混合物壓制成型，最后將成型物在豎爐中炭化得到鐵焦［23］。炭化過程還原出的金屬鐵彌散分布于基質中，還原率達 70% 以上。鐵焦抗壓強度大于 2 000 N，反應性達53%。JFE 鋼鐵公司在東日本京濱地區建設了產量為30 t/d 的鐵焦生產中試廠，2011 ～2012 年共生產 2 000 t 鐵焦，并在千葉廠 6#高爐( 5 153 m3 ) 進行工業化試驗。試驗期間鐵焦使用量為 43 kg /tHM，燃料比降低 13 ～ 15kg /tHM，高爐操作穩定［24,25］。從 2016 年開始鐵焦項目將正式進入實證研究階段，JFE 鋼鐵公司、新日鐵住金和神戶制鋼等在福山地區建設 1 座產能為300 t/d的實證設備，預計從 2018 年開始生產，計劃到2030 年將鐵焦制造能力擴大到1 500 t/d，并投入實際應用［26］。
新日鐵住金鋼鐵公司利用傳統焦爐工藝進行鐵焦生產試驗［27,28］。試驗中，鐵礦粉添加比例為6．5%，鐵礦粉和煤粉從不同料槽中布到皮帶上，同時采用 8 條皮帶進行鐵礦粉和煤粉的混合。為避免焦爐爐墻受到破壞，爐墻溫度控制在 1 100 ℃以下，炭化時間為 24 h，炭化結束后采用濕法熄焦。鐵焦轉鼓強度 DI 15015 為 80．9%，反應性達 48．8%，反應后強度為 16．3%，鐵焦還原率在 70% 左右，焦爐爐墻沒有受到影響。此外，BIS 爐試驗表明含有30%礦粉的鐵焦［28］，其冷態強度可以滿足高爐生產對焦丁的要求; 隨著全鐵含量的增加，鐵焦氣化反應開始溫度降低。與常規焦炭相比，全鐵含量43%的鐵焦氣化反應開始溫度降低了 150 ℃，熱儲備區溫度降低了 186℃，爐身工作效率提高了6．8%，碳消耗量減少。
2． 3 含碳球團技術
含碳球團( Reactive Coke Agglomerate，RCA) 技術是由新日鐵住金鋼鐵公司開發的一項新型爐料技術。將含碳物料和含鐵物料混合，在造球機上制粒，經養護后制得冷固結含碳球團［30］。RCA 使用水泥將碳和鐵氧化物固結，由于碳和氧化物緊密接觸，鐵氧化物可以快速還原，且在較低溫度下即可發生碳的氣化溶損反應，從而降低高爐熱儲備區的溫度，提高冶煉效率。為驗證 RCA 的優勢，在大分廠生產了2．1 萬t含 20% 碳的 RCA，并應用于 2#高爐( 5 775m3 ) ，共進行試驗 80 天。結果表明，高爐煤氣利用率得到改善，熱儲備區溫度降低了 83 ℃，從 RCA 中每加 1 kgC /tHM，高爐碳耗減少 0．36 kg /tHM。
3 低碳高爐煉鐵新技術
3． 1 天然氣和煤粉混合噴吹技術
從 20 世紀 60 年代開始，北美高爐開始噴吹天然氣。從 1976 年到 1985 年，天然氣噴吹量緩慢增加。而 1985 年以后，由于頁巖氣技術的迅速發展，天然氣價格降低，高爐天然氣噴吹量大幅度增加。2011 年以后，平均噴吹量維持在 60 kg /tHM，如表 1所示［31］ 。多座高爐生產實踐證實，高爐混合噴吹天然氣和煤粉能夠改善爐內反應動力學條件，降低爐缸熱波動，提高穩定性和能量利用效率。目前，北美高爐混合噴吹煤和天然氣技術已成為發展趨勢。2014 年，天然氣平均噴吹量達到59 kg /tHM，煤比為58 kg /tHM。
3． 2 超低 CO 2 排放煉鋼技術
ULCOS( Ultra － Low Carbon Dioxide Steelmak-ing，超低 CO2 煉鋼技術) 項目由安賽樂米塔爾公司牽頭，囊括了西歐主要的鋼鐵聯合企業、鋼鐵供應鏈行業以及高校和科研院所。ULCOS 項目旨在開發突破性的煉鋼工藝，最終實現噸鋼 CO2 減排50% ［8］。ULCOS 項目研究包括基礎工藝評估、可行性研究以及商業化運作。ULCOS 項目在調查了超過 80 種鋼鐵工藝，經過多輪選擇，最終確定將高爐爐頂煤氣循環技術( ULCOS － BF) 、熔融還原技術( HISARNA) 、新型氣基直接還原技術( ULCORED)和熔融氧化鐵電解( ULCOWIN) 技術作為具有發展前景的突破性技術。
基于氧氣高爐的 ULCOS － BF 工藝是 ULCOS項目研發的重點，其工藝流程如圖 2 所示。高爐爐頂煤氣被分成 CO2 富集煤氣和 CO 富集煤氣，CO富集煤氣返回到高爐作還原劑使用，CO2 富集煤氣經過一次和二次除塵凈化和壓縮后，輸送到 CO2管網或 CO2 存儲器。目前，ULCOS－BF 工藝已開展多次試驗，取得了焦比 200 kg /tHM、煤比 175 kg /tHM，燃料比降低 24% 的良好效果［8］ 。在此基礎上，制定了50萬t/a 的工業試驗計劃，但因經濟原因目前項目處于停止狀態，可能還需要5 ～15 年的時間進行工業化試驗。
3． 3 創新的煉鐵工藝技術
2008 年 7 月，日本新能源產業技術綜合開發機構( NEDO) 委托日本神戶制鋼、JFE、原新日鐵、原新日鐵工程公司、原住友金屬以及日新制鋼 6 家公司共同合作研發創新的煉鐵工藝技術( COURSE50 項目) 。COURSE50 是日本圍繞高爐 CO2 減排所開展的一項綜合科研項目，研發技術主要包括氫還原鐵礦石技術、焦爐煤氣提高氫含量技術、CO2分離和回收技術以及顯熱回收技術等，其目標是到 2050 年日本鋼鐵工序噸鋼 CO2 減排 30%。
COURSE50 項目研發主要分為 3 個階段［32,33］。
( 1) 第一階段( 2008 ～2017 年) 分兩步進行。第一步( 2008 ～2012 年) 主要進行技術探索和優選，確定氫還原工藝對 CO2 減排效果的影響，探索研究高反應性高強度焦炭的制造方法，評估系統能耗等。第二步( 2013～2017 年) 主要進行以小型試驗高爐為主體的“氫還原和分離回收 CO2 的綜合技術開發”。為確立將氫還原效果最大化的送風技術，必須進行CO 2分離試驗設備和試驗高爐的聯動試驗，獲得工業化應用基礎數據。
( 2) 第二階段( 2018 ～2030 年) 主要進行大型工業化試驗，最終確定項目技術。
( 3) 最后階段是在 2050 年左右實現技術的推廣應用。
目前，COURSE50 項目研究處于第一階段的第二步。第一階段的研究成果以及第二步研究計劃如表 2 所示［34］。2014 年 9 月，在君津廠開工建設 10m3 試驗高爐( 產量35 t/d) ，進行工業試驗及研究。2015 年 10 月，該試驗高爐進行熱試運轉。2016 年開始進行 2 年的操作試驗，研究向高爐噴吹還原氣體方法的最佳化和適合氫還原的原燃料條件等，并與CO2分離回收試驗設備( CAT1、CAT30) 進行同步試驗，在 2017 年確立 CO2 減排 30%的目標技術。
3． 4 我國高爐噴吹焦爐煤氣技術
焦爐煤氣在我國被認為是最有潛力的高爐噴吹燃料之一。早在 20 世紀 70 年代，本鋼、徐鋼和鞍鋼等進行過高爐噴吹焦爐煤氣試驗和生產，但均未取得良好效果。2013 年5月9日，中冶東方控股有限公司一項獲得國家自主知識產權保護的專利技術“高爐噴吹焦爐煤氣系統”在遼寧省后英集團海城鋼鐵有限公司 2 座 580 m3 高爐得以應用并穩定運行。焦爐煤氣噴吹量維持在 50 m3 /tHM 左右，置換比為 0．45 ～0．50，焦爐煤氣加壓系統設備運行狀態良好，高爐主要技術參數正常，呈現順行狀態，噴吹焦爐煤氣效果逐步顯現，工業化試驗獲得成功。目前，梅鋼與東北大學正合作開展高爐噴吹焦爐煤氣應用研究。研究結果表明，高爐噴吹焦爐煤氣后，高爐上部溫度水平降低，軟熔帶收窄且位置下移，H2還原 FeO 反應速度加快，間接還原加強，富氫還原率提高。當噴吹 50 m3 /tHM 焦爐煤氣時，生鐵產量提高 30．12%，焦比和固體還原劑消耗量分別降低12．44%和9．18%，高爐碳素凈排放減少8．61%，能量利用效率提高，噸鐵生產成本降低。
4 高爐煉鐵智能化和可視化技術
4． 1 高爐模擬和可視化控制技術
目前，高爐數學模擬主要基于計算流體力學( CFD) 和離散元方法( DEM) 。前者主要用于描述連續相行為，而后者主要評價非連續相行為。鑒于離散元方法更合理地描述非連續相行為，再加上近年來計算能力的提升和建模方法的進步，高爐數學模型的最新研究成果大多趨向于兩種建模方法有機融合而形成的 CFD － DEM 數學模型。在 CFD －DEM 方法中，采用 CFD 方法對流體部分進行預測，采用 DEM 方法對顆粒部分進行求解，將兩者耦合即可解決流 － 固兩相流動的數值仿真。
了解高爐內部現象對實現高爐穩定順行具有重要意義。為實現高爐操作可視化，新日鐵住金鋼鐵公司利用高爐的 500 個冷卻壁熱電偶和 20 個爐身壓力傳感器的數據開發了 1 套可視化評價和數值分析系統 VENUS［34］。2004 年二維 VENUS 被開發出來用于收集數據信息，2007 年三維 VENUS 成功名古屋廠應用，后來在其他廠推廣。三維 VENUS 系統能夠對高爐爐身壓力波動和料層結構的變化給出空間上和時間上明確而清晰的顯示，有助于指導高爐操作，實現穩定運行和降低燃料比。
4． 2 高爐專家系統
為實現高爐自動化生產，奧鋼聯工程技術公司( VAI) 和奧鋼聯鋼鐵公司林茨廠( VASL) 共同開發了 VAiron 高爐專家系統。VAiron 是先進的工藝模型、人工智能、閉環專家系統和增強的軟件應用功能的有機組合，允許操作人員能“觀測到”高爐內部的現象和工藝過程［35］。基于模型的專家系統 VAiron由許多模型有機結合組成［36］。1998 年，第一套VAiron 系統在林茨廠 A#高爐( 2 454 m3 ) 成功應用。基于 A #高爐成功經驗，5#和 6#高爐分別于2000 年和 2001 年應用 VAiron 系統［37］。2013 ～2014 年，A#高爐燃料比低于 455 kg /tHM，鐵水硅含量波動小于 0．12%，利用系數高于 2．8 t/( m3·d) ，堿負荷在 4．0 ～4．5 kg /tHM，高爐操作穩定。目前，全球共有 40 座高爐應用 VAiron 系統，并取得良好的應用效果［36］。
4． 3 我國高爐智能化和自動化技術開始應用
高爐是一個逆流密閉反應器，爐內下降爐料和上升煤氣之間進行著復雜的傳熱、傳質、動量傳輸以及還原反應、碳素溶損反應等，這決定著高爐的生產與順行。高爐操作者可通過爐內溫度、壓力、流量和煤氣成分等波動情況來判斷爐況。為了準確把握和分析爐內信息，高爐可視化控制技術被認為是監測爐內現象的有效手段。北京科技大學與北京神網公司合作開發了多項高爐可視化和仿真技術，用于監測高爐布料和冶煉狀況，指導高爐操作，取得良好效果，并已在國內外推廣應用［38］。該技術主要包括爐頂攝像技術、激光在線料面形狀探測技術、高爐風口紅外攝像和圖像處理技術、熱流強度監測技術。如沙鋼 5 800 m3 高爐爐頂攝像圖像，清晰顯示了料面溫度和爐內氣流分布狀況。激光在線料面形狀探測技術可監測高爐料面，其特點是用激光對料面進行掃描，計算機采集處理后得到料面形狀的直觀圖像以及料面形狀的實時數據和布料曲線。高爐風口紅外攝像和圖像信息處理技術可同時監測各個風口的工作狀況，及時發現異常爐況，有效指導高爐操作。利用三維熱流強度監測模型( 如首鋼京唐 1#高爐5 500 m3 ) 可實時監測爐缸以上部位的熱流強度，判斷實時高爐操作爐型的優劣，確定相應的高爐冷卻制度。另外，軟熔帶形狀和位置對高爐生產具有重要影響，了解和研究高爐軟熔帶對實際生產具有重要意義，如攀鋼 3#高爐軟熔帶數學模型，研究了軟熔帶的形狀、位置以及軟熔帶厚度等與高爐操作之間的關系，有效地指導高爐生產。
5 展望
隨著環保壓力的不斷加大，高爐煉鐵節能減排逐漸成為全球熱點問題，各個國家積極研發和應用新技術，以實現高爐煉鐵的低碳化和綠色化。在歐洲和北美，多項環保節能燒結技術應用到實際生產。同時，天然氣和煤粉混合噴吹技術在北美廣泛應用，且效果良好。歐洲的氧氣高爐取得進展，但需要更多的資金和時間實現工業化。日本鋼鐵工業開發和應用最先進的技術實現煉鐵的節能減排，如超級燒結技術、燃料噴涂技術、鐵焦和含碳球團技術以及高爐噴吹焦爐煤氣技術。此外，高爐可視化和模擬技術也得到廣泛應用。
中國生產了全世界 60% 的生鐵。在嚴格的環保要求面前，高爐煉鐵也應用了一些節能減排新技術，如厚料層燒結、煙氣循環燒結、燒結噴吹焦爐煤氣、高爐噴吹焦爐煤氣以及高爐可視化控制技術。但我國高爐煉鐵污染物排放和能耗仍然較高，與世界先進水平還存在差距，因此，在原燃料條件不斷惡化的情況下，我國高爐煉鐵面臨著巨大挑戰。為進一步實現高爐煉鐵的綠色化，應該從以下方面努力:
( 1) 原燃料生產方面，利用先進技術大幅度減少 SO2 、NOx、CO2 和二英等的排放，實現生產過程的清潔化，尤其是燒結和焦化。另外，熱風爐和球團生產過程 NOx 排放也需引起重視。
( 2) 積極研發噴吹焦爐煤氣、鐵焦、爐頂煤氣循環和氧氣高爐等低碳煉鐵新技術，并盡快投入應用。
( 3) 為實現高爐穩定順行，廣泛應用高爐模擬和可視化控制技術。
( 4) 積極加強二次資源的綜合利用，如燒結粉塵、高爐灰、含鋅粉塵、不銹鋼粉塵、轉爐渣、軋鋼皮等，實現煉鐵生產的低能耗、低排放、環境優化和轉型升級。