高炉煤气循环耦合富氢对中国炼铁低碳发展的意义-江苏省钢铁行业协会

高炉煤气循环耦合富氢对中国炼铁低碳发展的意义

王广，王静松，左海滨，薛庆国

(北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083)

摘要： 中国钢铁工业规模巨大，主要由高炉-转炉长流程生产，其能源结构中90%为煤炭，是国家兑现2030年降低碳排放强度承诺的主战场之一。基于当前低碳炼铁技术的研发进展、中国面临的碳减排任务、中国钢铁工业的生产模式、中国钢铁工业碳排放现状等基本事实，提出了以高炉为主体、以炉顶煤气循环耦合富氢还原为技术特征的钢铁工业低碳发展的可行路径，分析了该工艺研发所面临的关键问题，以期引起钢铁行业的重视，为中国钢铁工业进一步深度降低碳排放提供参考。

关键词：钢铁工业；低碳发展；高炉炼铁；炉顶煤气循环；富氢还原

人类活动，特别是以化石能源大规模利用为主的能源活动，造成大气中CO₂温室气体浓度快速上升，是导致气候变暖的主要原因。根据2014年的公开数据，世界CO₂排放量为324亿t，其中中国CO₂排放量占28.2%，居世界第一位。作为高碳排放强度的钢铁行业(约占全球碳排放的5%~6%)积极应对上述挑战，欧盟于2004年启动了Ultra-Low CO₂ Steelmaking(ULCOS)计划，目标是实现CO₂减排50%；日本于2008年启动了CO₂ Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50(COURSE50)计划，目标是实现CO₂减排30%。钢铁工业是支撑中国国民经济建设的基础原材料产业之一，2018年中国粗钢产量约为全球的51.8%，达到9.28亿t，其中约90%由高炉-转炉流程生产。以煤炭(占比超过90%)为主的能源结构，使其成为碳消耗和污染物排放大户，因此，钢铁行业成为中国兑现降低碳排放强度承诺的主战场之一。2018年启动的全国碳排放交易体系将覆盖钢铁行业，此外部分地区为强化CO₂排放控制，从源头入手，开始缩减钢铁企业用煤量的配额(如长三角地区)。煤炭用量及CO₂排放限制将成为钢铁企业生存和发展所面临的严峻挑战。因此，无论是对国家CO₂减排战略的支撑，还是企业可持续发展的自身需求，低碳化势必成为中国钢铁工业发展的必由之路。本文立足中国钢铁工业的实际，提出了适合中国国情的低碳炼铁技术路线，并进行相关探讨，为中国钢铁工业的可持续发展提供参考。

中国钢铁工业碳排放分析

目前，中国粗钢约90%由高炉-转炉流程生产。尽管随着废钢回收量的增加(预计2020年达2.0亿t/a),电炉钢的比例会逐渐提高，但考虑到中国现有的钢铁生产规模、经济竞争性以及废钢供应量等多种综合因素，在未来相当长一段时间内，高炉炼铁产量虽会下降，但仍将保持其巨大的生产规模，因此，高炉-转炉流程仍将占据主流。近年来,中国钢铁行业高度重视节能减排，开发并推广应用了如干熄焦、烧结余热回收、高炉炉顶煤气余压发电、转炉煤气干法除尘、转炉低压饱和蒸汽发电等节能减排技术，有些已达到国际先进水平，吨钢综合能耗从2005年的760降低至2017年的567 kg，降低了25.4%，成绩显著。但是，中国钢铁产量巨大，2015年钢铁行业CO₂排放量为17.05亿t，占全国CO₂排放总量的15.4%，远高于国际平均水平，仍是中国碳减排的重点行业之一。

中国钢铁工业CO₂排放高的主要原因是中国以高炉-转炉流程为主的钢铁生产模式，且炼铁工序能源消耗大，同时，中国的能源结构以煤为主。铁前工序(包括烧结、球团、焦化、高炉)的能耗占钢铁生产总能耗的90%，其CO₂排放占吨钢总排放的95%。依靠现有技术实现钢铁行业进一步大幅节能降碳的潜力已十分有限，特别是2015年以来中国吨钢综合能耗的年度降低值已很小。对于能耗占比较大的铁前工序，难以进一步降低的原因概述如下。

(1)流程长，必须使用块状的焦炭、烧结矿和球团矿。高炉炼铁流程包括烧结、球团、焦化和高炉冶炼工序，烧结、球团和焦化为原料预处理工序，矿、煤等物料在上述过程中被反复运输、加工、加热和冷却。烧结、球团和焦化的能耗约占吨铁能耗的20%，且在提高原料的理化性能后，这3个工序的耗能未得到充分回收和利用，即使回收，回收效率和回收能源的品质也较低。

(2)低品质煤气化学能耗散。高炉炼铁流程会产生大量的高炉煤气(约为1 800 m³/t HM)，受铁氧化物还原热力学平衡和炉身上部物理热不足的限制，高炉煤气CO利用率一般为50%，煤气中尚有20%左右的CO，其带走的化学能约占吨铁总能耗(实际转化的煤、焦总能量)的35%。虽然高炉煤气可以用作后续工序加热或烧热风炉用的燃料，但这是不得已的选择，是环保、节能和成本的要求，传统高炉炼铁工艺本身是无法避免含CO低质煤气产生的，应该考虑的是如何将这部分CO再次用于炉内还原。高炉主要以焦炭和煤粉为能源，且焦炭用量是煤粉的2倍左右，也就是说高炉煤气中大部分未被利用的CO来自于宝贵的焦炭，这是极不划算的。

(3)铁水渗碳和少量元素还原不可避免。含铁炉料在高炉内自上而下逐渐加热、还原，还原后形成固态海绵铁，遇CO气体可发生析碳反应，碳渗入海绵铁中。海绵铁渗碳后熔点降低，液态铁水与固态焦炭接触时可进一步直达某一温度下的饱和状态，温度越高，渗碳速率越快。由于铁水滴落过程及炉缸内铁水与焦炭间的充分接触，铁水渗碳几乎无法调节，现代高炉条件下高炉铁水的碳质量分数为4.5%～5.4%。此外，成渣后渣中SiO₂、MnO与焦炭或碳饱和铁水接触后会发生还原，最终使得10%左右的SiO₂、50%左右的MnO被还原进入铁水。这部分碳量约占高炉入炉总碳量(焦炭+煤粉)的10%，且消耗的基本是宝贵的焦炭。

高炉低碳化是规模化实现中国钢铁工业低碳的首要路径

理论上低碳技术可分为如下4类：一是节能减排技术，如反应过程强化、余热回收、多行业联产节能等；二是开发和应用可再生能源或无碳能源，如太阳能、风能、地热能、生物质能、核能等；三是CO₂捕集储存技术(CCS)，首先将CO₂从烟气中分离出来，将其进行压缩并存储在地质构造中；四是CO₂捕集利用技术(CCU)，如氯化镁矿化CO₂联产盐酸和碳酸镁、磷石膏矿化CO₂联产硫基复合肥等技术。

从国际钢铁生产实践和技术发展趋势来看，必须开发新的技术以满足钢铁工业低碳化的需求。长流程钢铁生产总能耗的70%在高炉工序，且主要由煤炭提供，因此，低碳化的主要任务在高炉炼铁。但是，现有高炉炼铁技术已经十分成熟，减碳潜力已迫近极限，继续大幅降碳唯有寻求新的技术突破，低碳炼铁创新从技术传承上可分为两种路线。

(1)开发新型反应器。主要有“粉矿、粉煤直接炼铁”、“氢还原炼铁”、“电解炼铁”等。“粉矿、粉煤直接炼铁”相关技术中的Finex技术实现了商业化应用，但是在过程能量利用率和工艺及设备条件等方面付出了额外代价，尤其是在能量利用效率方面很难与高炉竞争，且不具备明显的减碳优势。“氢气竖炉”技术基本成熟，如Energiron/Midrex，但因中国缺少天然气，此工艺发展空间和前景有限。“电解炼铁”技术理论上可以实现吨铁能耗310 kg标煤，但是离实际应用相距甚远。

(2)基于现有高炉反应器。高炉炼铁工艺技术成熟、生产能力大、热效率高(达95%)，未来几十年没有哪个工艺可以替代高炉支撑中国对钢铁材料的庞大需求，高炉仍将是中国钢铁生产过程中炼铁的主流装备，因此，助力实现2030年碳排放强度降低60%的目标也必须基于现有高炉。从高炉炼铁的基本原理出发，基于高炉的低碳炼铁设想主要有“炉顶煤气循环高炉”、“富氢介质喷吹高炉”以及“高反应性/还原性高炉炉料应用”等，目前急需突破关键技术瓶颈以推动高炉低碳化应用。

高炉低碳炼铁关键技术——炉顶煤气循环及富氢

目前传统高炉冶炼燃料比先进指标约为500 kg/t，从高炉冶炼1 t生铁的能量支出来看，炉料还原、渣铁加热、炉顶煤气物理热以及热损失的热消耗约为10 GJ，先进高炉的热效率已达到95%以上。因此，降低热消耗的可能性已很小。国内指标较好的高炉炉身效率可达到95%左右，进一步提高煤气利用率的潜力已很有限，但此时副产煤气仍具有约4.6 GJ的化学能。将该煤气脱除CO₂后返回高炉使用是一种高效利用其化学能的途径，可以作为未来高炉低碳炼铁的重要技术组成单元，实现从源头减碳。脱除的CO₂还可用于地质存储或资源化利用，从而实现较大幅度碳减排。

降低高炉碳耗的另一个技术途径是寻求新的还原剂替代碳的还原作用。氢作为还原剂其还原产物无污染，是碳的理想替代物。焦炉煤气和天然气是现阶段氢的主要来源，随着电解等制氢技术的进步，氢的来源会进一步拓宽。宝武集团与中核集团、清华大学签订了《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，将核能技术与先进制氢工艺耦合进行氢的大规模生产。未来高炉规模化用氢来源的限制将会被逐渐突破，而提高氢碳置换比将成为高炉减碳的技术瓶颈，是需要重点研究的课题。

徐匡迪院士指出“中国钢铁业急需及早制定CO₂减排路线图，并进行相关的低碳炼铁技术研究，在钢铁工业设备达到服役期(2020—2030年)时，首先考虑高炉炉顶煤气循环以及高炉喷吹焦炉煤气，从而降低碳排放”。因此，综合考虑各方因素，笔者认为“炉顶煤气循环”和“富氢”耦合的高炉炼铁技术是最具有可行性且效果明显的低碳炼铁技术路径，急需开展相关基础研究和工业化探索，突破炉顶煤气循环耦合氢气还原的关键技术瓶颈，促进高炉炼铁显著低碳化的进程。

高炉炉顶煤气循环耦合富氢还原炼铁需解决的关键问题

有关高炉炉顶煤气循环耦合富氢还原炼铁的技术，涉及到几个主要问题：碳质还原剂与氢气还原的耦合竞争机制、过程中化学平衡与热平衡的矛盾统一关系、气体利用率与炉顶煤气循环的协调关系、高炉对物料性态变化引起的料柱结构改变的适应问题。从生产角度看，炉顶煤气循环耦合富氢低碳炼铁技术的关键问题是如何在保证煤气一次利用率的前提下提高氢碳置换比。CO与H₂还原不同铁氧化物的难易及热效应不同，因此，需要合理的还原剂组成与温度制度匹配来实现高的氢碳置换比，操作层面上则主要体现在炉缸热质生成调控与循环煤气以及富氢煤气的喷吹制度上。

4.1高炉炉顶煤气循环

1970年德国的Wenzel和Gudenau教授提出了氧气高炉概念，并申请了第一个氧气高炉流程专利。该工艺既能提高生产效率，又能外供高热值煤气，还为CO₂分离捕集进一步实现碳减排提供了可能，但是该工艺并没有实现工业应用。主要原因是，随着富氧率和煤粉喷吹量的增加，鼓风量和鼓风带入的物理热减少，使得炉身炉料加热不足，严重影响矿石的还原进程，使煤焦置换比下降，燃料比大幅升高。为解决上述问题，学者们提出了多种流程设想，理论计算表明：向炉缸和炉身循环喷吹脱除了CO₂并加热后的炉顶煤气可实现燃料比明显降低。2007年ULCOS项目在瑞典LKAB公司的9 m³试验高炉上进行了连续7周的炉缸和炉身喷吹循环煤气的试验研究。试验高炉采用炉缸和炉身下部两排风口，炉缸风口循环煤气量为550 m³/t(1 250 ℃)、炉身下部风口循环煤气量约为550 m³/t(1 000 ℃)条件下，保持喷煤比为170 kg/t不变，焦比由400~405降至260~265 kg/t，碳耗降低24%。

日本COURSE50低碳炼铁技术项目采用了一种完全不同的煤气喷吹及炉顶煤气循环工艺，2015年在新日铁住金公司君津厂建设了一座容积为12 m³的试验高炉，其具有3种类型的风口——炉缸风口、炉身下部风口和炉身上部风口。炉缸风口和炉身下部风口喷入焦炉煤气或经过改质的焦炉煤气，炉身上部风口喷入经过部分自燃升温的炉顶煤气以调控炉料温度，从而调控炉料的还原速率。据称，该工艺试验获得了成功，达到了预期目的，但具体的技术细节未公开发表。

可见，采用煤气(炉顶循环煤气或焦炉煤气)喷吹后，炉内的还原势提高，炉内的还原气组分、热质生成及匹配方式也发生变化，从而矿石的冶炼进程也就不同。矿石还原与供热制度的匹配可有多种工艺模式，想要实现铁矿石的低碳冶炼，关键需要探究最合理的炉内还原气体组成及分布和热量供给之间的匹配模式，以达到气体还原剂的极限利用，从而获得最低碳消耗。

4.2高炉富氢还原

H₂黏度低、密度小、导热性好(导热能力比其他气体强7～10倍)，因此，将其喷吹进高炉内，会使煤气密度和黏度均减小，从而降低压差，并且能加速气体和炉料间的热交换，有利于提高煤气在高炉中的热能利用率。H₂扩散速度是CO的3.74倍，能够更快地通过铁矿石孔隙到达反应界面，因此，H₂/CO体积比越高，还原速度越快。水煤气置换反应的存在也使H₂有促进CO还原的作用。因此，高炉间接还原得到显著发展。此外，热力学上，810 ℃以上H₂的还原能力强于CO。

钢铁联合企业的自产焦炉煤气用于高炉喷吹可能是有效发挥焦炉煤气价值的途径之一，无论其置换的是焦炭还是煤粉。新日铁住金通过在12 m³试验高炉验证COURSE50的氢还原构想，结果表明，碳直接还原度从31%降低至21%，达到了预期目标。20世纪60年代，中国本钢高炉喷吹焦炉煤气试验表明，高炉产量提高了10.8%，焦比降低了3%~10%，炉况顺行，一般焦炉煤气的置换比约为0.5 kg/m³。同期，重钢喷吹天然气试验表明，当喷吹量为96 m³/t时，置换比为1.4 kg/m³，焦比降低了20%，高炉利用系数提高了14.2%。

保持良好的炉缸热状态和维持稳定的风口回旋区条件对高炉的低碳顺行至关重要。富氢还原提高了炉料的预还原度，节约了直接还原耗热，但是喷吹富氢气体时，富氢气体预热后喷入高炉，与传统热风相比，风量减少且温度降低，导致风口热收入减少。与传统高炉相比，炉顶煤气循环耦合富氢高炉的热量供给仍然是风口前碳素燃烧和喷吹气体带入的物理热以及化学反应的热效应。但是，风口前存在H₂、CH₄、CO、煤粉、焦炭等的竞争燃烧问题，如果碳氢气体在风口与氧气混合不好产生大量炭黑，必然影响H₂的利用率和炉况的顺行。因此，必须揭示炉顶煤气循环及富氢喷吹条件下风口回旋区复杂燃烧过程热量的高效生成及传递强化规律，为新工艺的开发提供科学指导。

4.3炉料性状及结构演变

在富氢碳热还原过程中，由于反应条件的改变，导致炉料反应的动力学过程发生重大改变。氢的加入不仅使铁氧化物还原反应平衡和反应极限发生改变，而且由于氢的特性造成的还原剂扩散能力与传统碳热还原过程差别很大，使得还原动力学过程和还原产物形态发生改变，进而影响到含铁炉料在炉内的还原进程、形态变化以及熔化行为；同时，由于氢参与铁氧化物还原的产物H₂O参与碳的熔损反应，使焦炭在炉内的变化过程更加复杂，进而影响高炉内焦炭的微观结构、强度演化以及最终的渗碳、熔损及燃烧过程。研究表明，高还原势气体会促进烧结矿的粉化，必须采用补热以缩短其在粉化温度区间的停留时间。有利的方面是富氢后在促进还原的同时会降低球团矿的膨胀，从而有利于料柱透气性。此外，同等浓度下，水蒸汽比CO₂对焦炭的熔损能力更强，但是主要以均匀的微孔为主，等熔损率下焦炭强度下降不明显。上述研究结果表明，针对新型的炉顶煤气循环及富氢体系，有必要模拟其反应条件，对含铁炉料和焦炭的反应行为和性能演化进行系统研究，为新型高炉炉料结构的选择和低碳冶炼操作的制定提供依据。

4.4工业试验的组织与实施

纵观近十几年来世界低碳炼铁的发展历程，欧盟、日本试验的成功经验对中国很有参考价值。欧盟、日本等发达国家和地区在冶金新技术研发方面完成了从基础研究到万吨级半工业化试验的系列过程，比如在TGR-OBF、HIsarna、COURSE50、ITmk3等工艺的开发过程中均遵循了上述规律，最终目标是实现工业化应用。日本在建设12 m³COURSE50半工业化试验装置前曾借助LKAB的8.9 m³的试验高炉进行了半工业化试验，可见半工业化试验装置对新工艺的开发意义重大。基于半工业化试验的结果，再结合优化验证后的数学模型，可为工业化过程装置放大和工艺参数优化提供直接参考。

为了应对低碳排放挑战，中国钢铁工业必须重视原创低碳炼铁技术的开发和现有先进低碳炼铁技术的工业化示范。在国家相关部门的支持下，中国一些大型企业和研究机构已经行动起来，开展了基础研究、半工业化试验设计以至半工业化试验探索，但由于缺乏充足的资金支持和持续稳定系统的规模化工业试验结果，使得相关低碳技术没有得到完善和推广应用。

欧盟的ULCOS计划得到15个欧盟国家和48家欧盟企业及相关机构的支持，是一项旨在大幅减少钢铁生产过程中CO₂排放的大型合作研发项目。该联盟包括了欧洲的主要钢铁、技术、工程和能源公司、研究院和大学，由安塞洛-米塔尔牵头，欧盟委员会提供部分财务支持。日本的COURSE50计划由日本钢铁联盟发起、由New Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO)资助，新日铁住金、神户制钢、JFE钢铁、日新钢铁和新日铁住金工程公司等合作研究。两个项目共同的组织特点：定位为一个本地区或全国性的科研项目，事关本地区或国家的可持续发展，由本地区或国家最具优势的钢铁企业或钢铁企业联盟牵头，由国家和金融机构提供部分资金支持，本地区或国家大型钢铁企业、优秀的工程技术公司和研究院以及行业知名大学共同参与。

随着中国经济和社会的发展，笔者发现钢铁工业的生铁冶炼不仅仅是一个经济生产活动，更是一个事关国家节能环保大环境的工业过程。该工序产品和技术单一，产品价格透明，在原燃料价格相同的条件下，生产成本相差无几，有可能实现全行业的协同。在新的历史阶段，为开发新一代具有自主知识产权的低碳炼铁技术，中国有必要集中优势科研力量，创建低碳炼铁关键技术创新试验平台，促进技术合作、技术交流、技术转化与知识产权共享，打造钢铁行业低碳炼铁技术工业化应用示范基地，推进新技术的工程化实施和产业化推广应用，提升中国钢铁行业炼铁节能减排整体能力，引领中国乃至世界低碳炼铁技术的创新。

结论

(1)国内和国际发展形势要求中国钢铁工业必须走低碳化发展之路，对于中国以高炉-转炉流程为主的钢铁生产模式，全流程低碳的关键在于铁前工序的节能降碳。高炉炼铁未来仍将是中国钢铁生产过程中炼铁的主流装备，因此要实现中国碳排放强度降低的目标也必须基于现有高炉。而“炉顶煤气循环”和“富氢”耦合的高炉炼铁是最具有可行性且效果明显的低碳炼铁技术。

(2)基于欧盟、日本低碳炼铁技术研发的经验和中国自身炼铁新技术的研发历程，笔者认为应在顶层设计的指引下组建低碳炼铁新技术研发联盟，由中国先进钢铁企业或钢铁企业联盟牵头，配套充足资金，集中优势科研力量，搭建低碳炼铁关键技术创新试验平台基地，研发低碳炼铁新技术，促进技术合作、技术交流、技术转化与知识产权共享，保障中国钢铁工业可持续发展。

参考文献

略。

引用本文

王广，王静松，左海滨，薛庆国. 高炉煤气循环耦合富氢对中国炼铁低碳发展的意义[J]. 中国冶金, 2019, 29(10): 1-6. WANG Guang,WANG Jing-song,ZUO Hai-bin,XUE Qing-guo. Effect of blast furnace gas recycling with hydrogen injection on low carbon development of Chinese ironmaking[J]. China Metallurgy, 2019, 29(10): 1-6.