晋南钢铁高炉喷吹富氢气体工业化实践

高建军^1,2，朱利¹，克俊超³，霍旭丰³，齐渊洪^1,2

(1. 钢铁研究总院有限公司先进钢铁流程及材料国家重点实验室， 北京 100081；2. 中国钢研科技集团有限公司氢冶金中心， 北京 100081；3. 山西晋南钢铁集团炼铁厂， 山西 临汾 043400)

摘要：钢铁工业是中国制造业中碳排放量最高的行业，碳排放占全国碳排放总量的15%左右。高炉是钢铁工业碳消耗量最大的工序，碳消耗占钢铁流程总碳消耗的70%以上，减少高炉冶炼碳消耗是降低钢铁工业碳排放的最有效措施。高炉喷吹富氢气体不但可以提高冶炼效率，减少污染物排放，而且可以减少焦炭或煤粉消耗，从源头上降低高炉冶炼碳消耗，从而减少碳排放。以山西晋南钢铁两座1 860 m³高炉风口喷吹富氢气体工业化生产数据为例，详细研究了高炉喷吹富氢气体对燃料比、风口理论燃烧温度、炉腹煤气量、H₂利用率以及CO₂排放量的影响。结果表明，喷吹富氢气体可以显著降低高炉固体燃料消耗，在吨铁富氢气体喷吹量为65 m³条件下，富氢气体与固体燃料的置换比为0.49 kg/m³；风口喷吹富氢气体降低了风口理论燃烧温度，吨铁每喷吹1 m³富氢气体，风口理论燃烧温度降低约1.5 ℃，高炉鼓风量和炉腹煤气量都少量降低；喷吹富氢气体以后，炉内H₂的利用率平均为37.3%，CO的利用率约为43.2%；吨铁CO₂排放量可以降低80 kg左右，高炉CO₂排放降低了5.6%，取得了较好的经济、环境和减污降碳效果。

关键词：高炉； 富氢气体； 置换比； H₂利用率； CO₂排放

1 引言

随着中国双碳目标的提出，各行各业都在制定“碳达峰”和“碳中和”实施路线图，双碳目标正在推动中国各行业转型升级和高质量发展。钢铁工业是中国制造业中碳排放量最高的行业，碳排放量占全国碳排放总量的15%左右，降低碳排放是钢铁企业需要共同攻克的技术难题。高炉是钢铁生产碳消耗量最大的工序，高炉碳消耗占钢铁流程碳消耗的70%以上，减少高炉冶炼碳消耗是降低钢铁工业碳排放的最有效措施。高炉喷吹富氢气体不但可以提高冶炼效率，减少污染物排放，而且可以减少焦炭或煤粉消耗，从源头上降低高炉冶炼碳消耗，从而减少碳排放。中国大多数钢铁企业拥有自己的焦化厂，焦炉煤气是钢铁企业最易得的富氢气体，高炉喷吹焦炉煤气是提高冶炼效率和减少CO₂排放的有效措施。针对钢铁企业降低CO₂排放的技术需求，欧盟和日本分别启动了“ULCOS”项目和“COURSE50”项目，都将高炉喷吹富氢气体作为长流程钢铁企业降低碳排放的主要技术手段。2020年德国蒂森克虏伯公司率先开展高炉喷氢试验，最终目标是降低高炉碳排放30%～50%。以氢代替碳是当前低碳发展、能源变革的重要方向，也是钢铁工业绿色化发展的主要出路。

中国在高炉喷吹富氢气体方面开展了大量理论分析和试验研究，取得了一系列研究成果。周亮等通过对高炉内焦炭和焦炉煤气的热平衡分析，推导了焦炉煤气替代焦炭的理论置换比计算公式，并计算出典型焦炉煤气的置换比为0.486 kg/m³。王磊等研究了风口喷吹焦炉煤气在高炉内各个区域的还原行为，并给出了高炉喷吹的焦炉煤气量与减少固定碳使用和最终碳减排量的关系表达式，计算得到焦炉煤气与焦炭的置换比为0.380 2 kg/m³。饶昌润等通过建立高炉物质平衡和热平衡数学模型，计算了高炉喷吹焦炉煤气的降焦效果和极限喷吹量，结果表明冷焦炉煤气的极限喷吹量为505.424 m³/t(铁)，焦炉煤气与焦炭的置换比为0.32 kg/m³。毕传光等开展了梅钢2号高炉喷吹焦炉煤气数值模拟，计算结果表明梅钢2号高炉适宜的焦炉煤气喷吹量宜维持在50 m³/t(铁)左右，可以降低焦炭消耗48.90 kg/t(铁)。由于不同研究人员建立的数学模型假设条件和计算方法不同，所以计算得到的焦炉煤气与焦炭的置换比差别也较大。钢铁研究总院、鞍钢、济钢等单位曾开展过高炉喷吹焦炉煤气试验，积累了大量试验数据，济钢4号高炉喷吹试验结果表明，焦炉煤气喷吹量为62.51 m³/t(铁)时，可以降低燃料比45.91 kg/t(铁)，折算焦炉煤气与燃料的置换比为0.734 kg/m³，取得了很好的喷吹效果。但由于各种原因，中国钢铁企业都没有将焦炉煤气喷吹长期坚持下来。山西晋南钢铁率先在国内建成了钢化联产制备乙二醇项目，乙二醇生产过程中有副产的氢气，为了减少高炉炼铁过程中的碳消耗和碳排放，由中国钢研设计并建成了1 860 m³高炉富氢气体喷吹系统。本文根据晋南钢铁2座1 860 m³高炉大规模喷吹富氢气体试验数据，系统研究了高炉喷吹富氢气体的节能降碳效果，从而为中国长流程钢铁企业推广高炉喷吹富氢气体技术提供支撑。

2 精选图表

3 结论

(1)高炉喷吹富氢气体可以显著降低固体燃料消耗，综合1号高炉和2号高炉的喷吹效果，吨铁焦炉煤气喷吹量为65 m³，高炉平均燃料比降低32 kg/t(铁)，焦炉煤气与固体燃料的平均置换比为0.49 kg/m³，取得了较好的喷吹效果。

(2)生产实践表明，高炉风口喷吹富氢气体后，风口鼓风量被迫降低，这说明富氢气体会影响风口回旋区内压力场，从而影响鼓风量，需要开展风口喷吹富氢气体对高炉回旋区至软熔带区域的影响研究。

(3)高炉风口喷吹富氢气体后，炉内H₂利用率平均为37.3%，CO利用率平均为43.2%，需要进一步研究高炉炉身低温区水煤气反应对H₂利用率的影响。

(4)吨铁焦炉煤气喷吹量为65 m³时，吨铁CO₂排放量可以降低80 kg左右，高炉CO₂排放降低了5.6%，具有明显的CO₂减排效果，但受富氢气体喷吹量的限制，高炉喷吹富氢气体的CO₂减排总量有限。