申报单位：大冶特殊钢有限公司

成果创造人：汪有源、程卫国、高坤、樊莹、王靖宇、樊平江、邓小利、陈义、蓝松军、董清晔、李辉、尹礼忠、吴丽荣、黎仕森、舒神州

公司简介：大冶特殊钢有限公司地处中国矿冶之都湖北省黄石市，隶属世界最大特钢集团——中信泰富特钢集团；始建于1913年，其前身是湖广总督张之洞创办的汉冶萍煤铁厂矿有限公司，素有中国“钢铁摇篮”“特钢长子”之美誉，毛主席曾两次视察冶钢。   

大冶特钢具备年产特殊钢420万吨，材400万吨的生产能力，是目前全国规模最大的“精品特殊钢棒材”“精品特种无缝钢管”“精品特殊钢锻材” 生产基地之一。

一、成果提出的背景  

（一）国家发展的趋势所在

1、30/60 国家战略：第七十五届联合国大会国家主席习近平做出中国在2030年前碳达峰,2060年碳中和的庄严承诺。

2、全面深化改革要求提出“推动能耗双控逐步转向碳排放双控”。

3、国家产业调整导向提出“富氧/全氧燃烧” 技术为钢铁行业鼓励类项目。

4、新燃料应用识别提出，要将氢气作为高端制造业燃料。

（二）行业转型的发展要求

1.钢铁工业总能耗占全国工业总能耗的20%~25%，碳排放占全国碳排放总量的15%，是制造业31个门类中碳排放最大的行业。   

2.国务院制定《2030年前碳达峰行动方案》，明确提出要推动工业领域绿色低碳发展，推动钢铁行业碳达峰，并强调要深化钢铁行业供给侧结构性改革。

3.现有加热炉使用常规化石能源，很难满足节能减排以及高端产品持续开发的要求。“双碳”背景下，开发和应用低碳氢冶金技术已成为钢铁行业发展的共识。

（三）建设绿色特钢集团的战略要求

集团663总战略中“绿色发展规划”总体目标：中信泰富集团努力争取2030年前实现“碳达峰”，确保2060年实现“碳中和”，实现经济增长与能源资源使用高质脱钩发展、低碳经济与发展竞争力达到国际领先水平，成为全球特钢企业集团低碳转型的引领者。

具体目标：

1、碳排放总量在2030年前实现达峰，CO2排放峰值控制在3000万吨以内，争取峰值年碳排放强度降至1.65t CO2/t钢。

2、到2035年，碳排放强度较峰值年下降20%。

3、到碳中和年，碳排放强度较峰值年下降80%。

（四）企业发展的管理要求

大冶特钢2022年发布了绿色低碳行动方案,规划了五大路径和十大工程，即“5+10”行动计划：在“节能与能效提升”、“优化用能及流程结构”、“构建循环经济产业链”、“推动绿色布局”、“突破性技术应用”等五个方面，通过实施“系统能效提升降碳工程”“数字化改造降碳工程”“工艺流程优化降碳工程”“可再生能源利用降碳工程”“循环经济协同降碳工程” “绿色物流升级改造降碳工程”“减污协同降碳工程”“低碳意识及行为”“提升降碳工程氢能利用”“降碳工程低碳冶金示范降碳工程”推进降碳工作落地实施。   

具体目标：到碳达峰年，碳排放总量控制在825万吨以内，碳排放强度1.65tCO2/t以内。

（五）项目难点及实施价值

行业内没有现成的应用案例可借鉴。国内各钢铁企业均在开展氢冶金研究与试验，但目前主流的氢冶金技术路线为高炉富氢冶炼与氢基直接还原竖炉炼铁两种：采用氢气和一氧化碳还原铁矿竖炉工艺和焦炉煤气循环利用工艺。

打造全国首例氢能全氧加热炉应用示范项目。大冶特钢原创性将“低碳氢能全氧燃烧技术”应用于加热炉，赋能全流程钢铁制造深度降碳，以实现钢铁行业碳中和目标。无论从经济效益还是社会效益，氢氧燃烧技术均符合企业自身可持续发展的需要。

二、成果的主要内容  

（一）成果创建的理论依据

1.氢能的优越性①环保减碳：氢燃烧后生成物只有水，不会对环境造成污染；②能量密度非常高：是汽油的 3 倍，酒精的 3.9 倍，焦炭的 4.5 倍；③发热值高：除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的；

2.新型氢能全氧烧嘴

新型氢能全氧烧嘴为无焰燃烧，其辐射能力更强，热量密度更大，传热效率更高。

3.倾角切线旋流燃烧

烧嘴在安装上双侧各2只烧嘴以高温烟气在切向节圆内卷吸着烟气在炉膛内循环,火焰通过氧气高速射流，使火焰长度达到2米以上，在高温情况下，实现无焰燃烧，同时产生卷吸作用，充分调动炉内气氛，燃烧效果更佳是更为理想的燃烧方式。   

4.智能燃烧系统

系统设计时参考国内外燃气、氧气相关标准和先进案例，双套气动切断保证安全无泄漏。启动前自动进行泄露检测，融合了加热炉上常用且久经考验过的控制方式，如双交叉限幅、PID及模糊控制。这种控制方式可有效地提高系统的响应速度3~5倍，使之适应均热炉热负荷周期、快速变化的需要，保证炉温、炉压控制的稳定高效。

5.全氧燃烧技术在加热炉上的专利应用

《一种全氧加热炉组合式燃烧系统》、《一种用于轧钢加热炉的全氧燃烧系统》。

（二）成果创建的指导原则 

（1）安全环保为基础。严格贯彻国家安全、环保方针政策，减少对环境影响及员工危害。

（2）经济节能为导向。节省投资、节约能源、保证工程质量，提高经济效益。

（3）国产转化为支撑。充分发挥国内技术装备优势，将国外技术国产化，实现装备的自主化制造。

（4）先进技术为抓手。通过采用先进技术，实现操作方便、安全可靠的生产控制，确保生产高效、平稳运行。

（5）绿色发展为牵引。以绿色发展理念为引导，采用清洁生产工艺，实现“三废”治理的资源化、减量化、无害化的目的。

（三）成果创建的目标方案

氢能全氧燃烧技术为新型低碳加热技术，全国首例低碳加热炉应用实践，具备较好推广价值，可提升全国钢铁行业的技术水平，促进行业整体节能减排的可持续发展。   

其目标旨在：创新性、经济性、示范性、推广性。

其方案为：系统分析：对目前的现状进行系统诊断，针对痛点“对症下药”；科学规划：组建气体供应商、炉窑设计团队与大冶特钢合作开发的架构，建立团队；硬件改型：针对燃烧介质变化，对烧嘴形式，烧嘴布局，烟道设计等进行全面改型重建，保证设备先进性及可持续性；软件升级：程序设计“推陈出新”，从火焰控制，燃料配比，安全保护等方面进行完善优化，确保操作方便，运行可靠；总结推广：总结经验，形成最佳改善案例，在后续炉子改造上持续优化。

（四）成果的创新点

1.低碳：氢能全氧燃烧燃烧介质由混合煤气改为焦炉煤气，燃料主要成分为H2含量占比60%，烟气成份以H2O为主，最大限度地减排排CO2。

2.节能：氢能全氧燃烧技术促进氢能燃料完全燃烧，提高火焰温度；同时减少燃烧后的排废烟气量，具有优越的节能性。

3.高效：使用REBOX无焰全氧燃烧烧嘴，火焰长度达到2米以上，在高温情况下，实现无焰燃烧，高密度、高强度燃烧，提升加热效率。

4.均匀：创新烧嘴角度布局，炉膛双侧各2只烧嘴，以切线旋流燃烧，高温烟气沿切向节圆在炉膛内循环，充分搅动炉内气氛，提高对流传热效果，炉温更均匀。

5.精准：氧气+氢燃料阀组包括各4个支路控制4个加热区域，阀组包括：过滤装置、减压装置、阻火、安全切断装置、流量计量及控制装置等，安全可靠，功能完善，控制精准。

6.智能：根据不同温度段加热工艺对升温速度需求不同，智能切换烧嘴中心氧及环氧，科学加热。

7.安全：设置智能检漏功能，点火前检测主阀架上快切阀是否泄漏，保证安全可靠。   

三、成果的实施过程

（一）设备现状 系统分析

1.燃料：使用燃料高焦转混合煤气，燃料热值低，且主要成分为CO和N2，燃烧生成CO2和NOx，不利于节能减排。

2.烧嘴布局：烧嘴正对布置，炉膛内燃烧气氛相向对流，设计落后，炉内气氛流动性差，炉温不均匀。

3.烧嘴类型：采用8套亚高速烧嘴，脉冲火焰燃烧，在有限炉膛空间内，8个烧嘴燃烧火焰升温过于浪费，造成了煤气消耗量的大大增加，升温不理想。

4.烟道：烟道采用无缝钢管内衬浇筑料的形式，烟道内耐材易脱落，寿命不长，造成烟气的泄漏等。

5.点火方式：采用时序脉冲式控制方式，烧嘴不断启停，故障率高，不易更换。

6.换热器：烟道温度高，掺冷风机的频繁启动，且由于煤气换热器设计换热面积小，纵使烟气的温度极高，煤气的温度只能预热到150℃左右，造成极热量损失及能源浪费。

7.控制系统：控制系统简单粗放，无法精准控制炉温，造成加热不均匀和煤气消耗量大。

（二）项目实施 科学规划

由世界知名气体供应商技术支撑（全氧燃烧技术、燃烧模拟技术、阀组智能控制），国内一流炉窑公司设计制造（炉窑设计、资源整合、技术转化），世界一流特钢企业工艺实践（施工管理、工艺实践、成果验证）三方聚焦共同攻关。

（三）硬件结构 改型重建   

1.优化烧嘴设计 提高升温速率

设计4个烧嘴布置在炉墙两侧上部位置，双侧各2只烧嘴。斜对角的一对烧嘴为45°布置，以燃烧火焰带动高温烟气在切向节圆内卷吸着烟气在炉膛内循环。

2.优化烟道设计 提高炉温均匀性

采用下排烟方式在两侧中部外排，烟气从上而下贯穿整个炉膛，高效加热且烟气减排明显。物料沿炉墙四周靠墙斜放，确保物料安放的稳固。在保证不影响炉墙强度的情况下在炉墙下部墙内形成汇集烟气火道，集中在侧墙中心外排。

烟道增加抽烟风机，加强烟道抽力，使炉内烟气更好循环。

3.优化阀组设计 控制安全便捷 

每个烧嘴配备流量调节阀，实现火焰精准控制；每个烧嘴配备切断阀，

实现单烧嘴的切断控制；优化管道管径，管路清晰，维护方便。

（四）控制系统 升级完善

1.氧燃比控制

每个烧嘴具备单独的氧燃比控制功能，实现对单个烧嘴的氢氧精准控制。

2.火焰自动切换

低温和超温时四个烧嘴可以自动打开和关闭；保温时可以自动关闭部分烧嘴，节约能源。

3.数据监测

阀门开闭状态、流量、压力、温度的数据统一呈现，快速发现问题根源。

4.智能检漏

智能检漏功能，检测主阀架上快切阀是否泄漏，保证安全可靠。

5.智能投料

通过提前在系统中储存的钢锭加热曲线，实现不同钢锭的一键快速投料。

6.报警快速查询

操作台设声光报警，可以快速查看报警详细信息，快速处理故障。

四、成果取得的效益

（一）推进了生产效益持续提升

1.温度更均匀

炉温均匀性由±40℃提升至±28℃。改常规燃烧为无焰燃烧系统，采用高速卷吸燃烧方式，促进烟气的循环量，减少上下面的温差。同时由于取消了换热器以及蓄热体，炉压更易管控，综合因素促使其炉温均匀性更优。

2.生产效能更高   

生产效能提升20%以上。富氢燃料全氧燃烧后，火焰的形状及成分与常规燃烧不同，辐射能力更强，热量密度更大，传热效率更高。其效能主要从两个方面体现：1.辐射系数增加约20%；2.高温火焰区域增加约30%；3.氧化损失更少。

 降低氧化烧损0.15% 。富氢全氧燃烧，实现氧气和燃气的精确管控，对氧气的流量自动调控，采用精确燃烧控制方法。同时富氢燃烧在全氧气的燃烧工况下，其燃烧速率更快，从而实现炉膛内高效快速燃烧，减少残氧的滞留。

（二）推动了绿色环保的可持续发展

1.更节能

节能率：20%以上。富氢燃料全氧燃烧提高区域辐射系数，烟气带走热量减少，提高加热炉热效率，降低吨钢燃料消耗。

2.更降碳

综合降碳＞80%。

源头降碳，氢基燃料取代碳基燃料。

过程降碳。

末端降碳。

3.更低氮

NOx总量降低＞15%。富氢全氧燃烧技术属于低氮燃烧技术，火焰由明火升级为无焰燃烧，中心火焰减弱，从基础上降低NOx的生成量。

（三）成果实施的效果

1、创新性：采用最先进的氢能燃烧技术，达到四个目标：降碳、节能、提产、环保。

2、经济性：

增产效益：496.8万元。

节能效益：63.36万元。

减碳效益：133.34万元。

合计年创效益：693.5万元。

3、示范性: 实现碳排放降低80%、能耗节能20%、降低氧化烧损0.15%、NOx排放浓度降低15%。   

4、推广性：全国首例低碳加热炉应用实践，具备较好推广价值，可提升全国钢铁行业的技术水平，促进行业整体节能减排的发展。

（四）成果产生的 经济效益

1.年增产效益

13#炉9月26日至10月25日全月产量1332吨，达到月产量由1000吨提升20%（200吨）的立项目标；14#炉9月26日至10月25日全月产量1326.5吨，达到月产量由1000吨提升20%（200吨）的立项目标。以此类推两台炉子可实现年增量7200吨（按月增量600吨算）。

创效：7200吨*690元/吨=496.8万元

按吨钢利润690元/吨测算

2.节能效益

13#炉焦炉煤气单耗96.52m3/t,氧气单耗86.03m3/t，吨钢燃料消耗96.52*0.75+86.03*0.5=115.4元；14#炉焦炉煤气单耗102m3/t,氧气单耗91m3/t，吨钢燃料消耗102*0.75+91*0.5=122元；改造前两炉吨钢燃料消耗450*0.32=144元；改造后两炉吨钢燃料消耗比改造前降低22元以上。

年创效：22元/吨*1.44万吨*2=63.36万元

3. 社会、生态效益——降碳效益

改造前吨钢碳排放450*52.89*0.0625*0.99*44/12/10000*1000=540kg

改造后吨钢碳排102*60/10000*173.54*0.0121*99/100*44/12/60*1000=77kg

吨钢降碳540-77=463kg，效益463/1000*100=46.3元（按照碳税100元/吨碳），

降碳年创效46.3元/吨*1.44万吨*2=133.34万元

4. 合计年创效

496.8+63.36+133.34=693.5万元

（五）成果产生的社会效益

6月25日，中信泰富特钢低碳项目发布暨特钢技术降碳方案研讨会在大冶特钢召开，重点用户对与公司的战略合作充满信心。大冶特钢将坚定不移走好绿色低碳发展道路，始终围绕‘绿色制造 制造绿色’低碳发展纲领，在技术研究的道路上不断探索，在降本降碳工作上持续发力，在绿色精品特钢升级项目上加大投入，以绿色的工艺、绿色的制造，生产出绿色的产品，为用户创造价值。   

（六）荣誉展示

（1）2023年荣获“钢铁绿色发展标杆企业”称号。

（2）2023年荣获“双碳最佳实践能效标杆示范厂培育企业”称号。

（3）2023年获碳信息披露项目（Carbon Disclosure Project，简称CDP）评级B级。

（4）荣获国家节能中心颁发的“中国能效之星四星级企业”称号（特钢行业唯一一家获此殊荣的钢铁企业）。