鋼鐵工業低碳爐料及綠色冶煉技術進展

蔡大為，范曉慧

（1.湖南鋼鐵集團有限公司，湖南 長沙 410004；2.中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083）

鋼鐵工業是國民經濟的基礎產業，同時也是典型的高能耗高污染行業。2022年我國粗鋼產量為10.13億噸，碳排放量超18億噸，占全國碳排放總量的15%以上。近年來，我國鋼鐵工業在綠色低碳方面取得了長足進展，但由于鋼鐵工業產量巨大、能源結構明顯高碳化，這使得鋼鐵行業在減污降碳方面面臨著巨大的挑戰?！蛾P于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》明確提出：鋼鐵工業應“落實鋼鐵行業碳達峰實施方案，統籌推進減污降碳協同治理”。為此，鋼鐵企業圍繞系統能效提升、流程優化創新、冶煉工藝突破等開展了系統的工作。

爐料制備和高爐冶煉是鋼鐵工業碳排放的主要環節，也是減污降碳的重要責任主體。富氧可有效提升燃料燃燒效率，促進燒結、高爐等工序能效提升；富氫燃氣及生物質取代煤基燃料有助于優化能源結構提升，降低工序碳足跡；熔劑性球團及綠色冷壓團等工藝具有工序能耗低、適配性強等特征，這些是當前鋼鐵工業低碳綠色發展的重要途徑。氣基直接還原、熔融還原等非高爐冶煉工藝突破“長流程”限制，大幅提升煉鐵綠色化水平，是鋼鐵工業未來重要發展方向。本文結合國內外鋼鐵生產實踐，重點闡述低碳爐料制備技術和綠色冶煉工藝進展，為鋼鐵工業減污降碳提供理論和技術指導。

1 低碳爐料制備技術

1.1 低碳燒結關鍵技術

我國高爐爐料結構以燒結礦為主，占比約為75%。燒結過程年排放CO2超2億噸，居鋼鐵工業第二位。燒結節能減碳是鋼鐵行業低碳綠色發展的關鍵環節［1－2］。

1.1.1 低碳厚料層燒結技術

近年來，厚料層燒結技術備受關注。燒結料層厚度由750 mm增至950 mm，燒結噸礦能源消耗及CO2排放量分別降低5～10 kg和8%～16%。部分鋼鐵企業已實現1 000 mm超厚料層燒結。新天鋼聯合特鋼［3］圍繞超厚料層進行高效、低耗燒結，提出了“三高一低”和“三同步”理論［4］，這些理論的應用形成了具有自主知識產權的超厚料層燒結技術，實現了高的燒結礦質量和燒結機利用系數，低的工序固體燃料消耗、電能消耗和碳排放等目標。

1.1.2 燒結料面富氫氣體噴吹技術

燒結料面富氫氣體噴吹技術源自日本JFE開發的輔助燃料噴吹技術［5］。通過在燒結料層頂部噴入天然氣，實現低燃料配比、高轉鼓指數和高還原性、較低CO2排放等綜合效果。中天鋼鐵［6］燒結噴吹天然氣最高可降低固體燃料消耗3.77 kg/t，CO2減排量為9.19 kg/t。

近年來，梅鋼、馬鋼應用了燒結料面噴吹焦爐煤氣（COG）技術［7］。梅鋼3號燒結機采用噴吹COG強化燒結后，燒結礦轉鼓指數提高0.31%，固體燃料單耗降低4.68 kg/t，CO2排放量降低約2.4萬噸/年，綜合效益明顯。

除噴吹可燃氣體外，新日鐵、印度BSP、中國沙鋼和首鋼等先后進行了料面噴吹蒸汽的工業試驗［8］。首鋼京唐550 m2燒結機料面噴吹蒸汽可降低固體燃料消耗1.64 kg/t且燒結礦質量有所改善。燒結煙氣中二英和CO體積分數顯著降低，節能減排效果顯著。

1.1.3 選擇性熱風循環技術

熱風循環是將部分燒結載熱氣體返回燒結臺車循環使用的技術（圖1），可實現節能減排的雙重效果。循環煙氣的成分和溫度對燒結礦的產量和質量有顯著影響，通常要求循環煙氣O2體積分數不低于15%、H2O體積分數和SO2質量濃度不高于8%和1 400 mg/Nm3、溫度為150～250℃。首鋼股份煙氣循環改造后，燒結機利用系數提高0.104 t/（m2·h）、工序能耗（折標煤）下降3.16 kg/t、主抽風機煙道含氧量降低0.29%。河鋼邯鋼360 m2燒結機采用煙氣循環后，CO2減排23.3%，生產成本降低7～8元/t［2，8］。

圖1 選擇性煙氣循環燒結工藝示意［8］Fig.1 Selective flue gas circulation sintering process diagram

1.1.4 富氧燒結

富氧燒結是通過提高助燃空氣含氧量，強化燃料燃燒，提升燒結礦質量的技術［9］。近年來，國內眾多鋼企先后采用富氧點火和燒結料層吹氧等技術。中天鋼鐵［10］實施的富氧點火工藝使固體燃料消耗下降1.25 kg/t、表層燒結礦強度提高2.27%，燒結綜合經濟效益降低1.195元/t。主要原因是燒結過程氧化氣氛增強，燃料充分燃燒，燒結過程均勻性提升，燒結礦相結構和燒結礦強度得到改善［8－11］。

1.1.5 多氣體復合介質燒結

中南大學范曉慧團隊［8］通過將多來源的氣體與空氣耦合，形成一種新的載能復合氣體介質，在使其達到料層梯級熱量需求的前提下，同時使得固體燃料顆粒充分燃燒，繼而實現料層熱量分布優化、燃料燃燒改善、污染物排放減少（圖2）。

圖2 復合氣體介質耦合噴吹技術示意［8］Fig.2 Schematic diagram of composite gasmedium coup ling injection technology

太鋼［12］將熱風耦合富氧的多氣體介質燒結技術引入450 m2的燒結生產，利用熱風中的熱能替代部分固態燃料，實現了燒結層上、下的熱量及溫度的均衡分布，可使固體燃料消耗減少1.18 kg/t，電力能源消耗減少2.25 kW·h/t。

1.2 高效低碳球團生產關鍵技術

1.2.1 堿性球團生產關鍵技術

堿性球團是高配比球團冶煉的基礎。國內鋼鐵企業生產堿性球團的主要設備為鏈箅機—回轉窯、帶式焙燒機，主要堿性熔劑為石灰石、消石灰、白云石等［13］。

為解決高硅球團冶煉過程渣量和燃料消耗高的問題，首鋼開發了消石灰生產高鐵低硅堿性球團礦的工藝，生產的球團礦鐵品位達66.00%，最低SiO2質量分數為2.06%，高爐冶煉渣比和燃料消耗分別降低到215 kg/t和480 kg/t以下［14］。

適量添加氧化鎂可大大提高球團的軟熔性能。鞍鋼［15］鎂質球團生產試驗發現，配加3.2%鎂基黏結劑生產的鎂質球團，成品球團礦冶金性能有明顯改善，使用后高爐料層透氣性變好，高爐產量提高了107 t/d，綜合焦比降低4 kg/t，高爐冶煉穩定順行。

1.2.2 大型帶式焙燒機球團生產技術

對比鏈箅機—回轉窯，帶式焙燒機原料適應性強、生產效率高、熱利用率更高，是球團清潔生產的重要方法。近年來，國內帶式焙燒機規模明顯增大。

帶式焙燒工藝具有天然的熱風循環優勢（圖3），整個熱工過程都在密閉環境下完成，可最大限度地循環利用熱能。首鋼京唐在熱風梯級循環利用的基礎上，開發了厚料層焙燒工藝，進一步提高帶式焙燒機能源利用效率［16］。

圖3 帶式焙燒機熱風循環系統工藝流程［17］Fig.3 Process flow of hot air circulation system of belt roastingmachine

為打破國外壟斷，唐鋼成功開發了國內最大的球團帶式焙燒機，實現了大型帶式焙燒機的國產化自主設計。該設備生產的熔劑性球團＞6.30 mm和＞3.15 mm低溫還原粉化率分別為90%和95%以上， ＜0.50 mm 低溫還原粉化率降低至2.8%，球團礦的熔滴性能得以提升［16－17］。

1.3 新型爐料制備技術

1.3.1 鐵焦爐料制備技術

鐵焦是一種新型低碳煉鐵爐料，高爐使用鐵焦可降低熱儲備區溫度、提高冶煉效率、降低焦比、減少CO2排放［18］。新日鐵采用煤粉和鐵礦粉混合的方式制得鐵焦，結果表明，隨著含鐵催化劑添加量的增加，反應性提高。

在國內，鐵焦制備及應用備受關注。武漢科技大學畢學工、北京科技大學張建良等學者［19－21］圍繞鐵焦對高爐透氣性、爐渣生成特性等開展了系統研究。東北大學儲滿生教授團隊［18，22］采用鐵礦、煙煤和無煙煤制備的復合熱壓鐵焦炭化后抗壓強度提高到4 200 N/P以上。

1.3.2 綠色冷壓球團技術

冷壓球團工藝簡單、投資成本低、不需要高溫處理，能夠顯著減少能源消耗和污染，并且可以利用二次含鐵原料和部分冶金固廢，已成為新型爐料制備領域的熱點［23］。淡水河谷通過由鐵礦石和尾礦砂石壓塊制成“綠色壓塊（green briquette）”的新產品，有望減少鋼鐵生產過程10%的溫室氣體排放。

返礦是燒結過程的副產物，返回燒結配料的處理方式會導致燒結礦強度差，增加煉鐵成本等問題。冷壓球團可將返礦高效轉化為高爐爐料，增加高爐產量，降低綜合焦比，升高鐵水溫度和鼓風富氧率。據統計，使用返礦冷壓球團可降低能源消耗70%以上。

2 綠色低碳高爐煉鐵關鍵技術

2.1 高風溫高爐冶煉技術

現代高爐冶煉的基礎熱量源自高溫熱風，鼓風帶入的熱量約占高爐總能量的18%～25%［16］。鼓風溫度每提高100℃，燃料比降低15～20 kg/t，相應的CO2排放量降低3%～5%?，F代高爐鼓風溫度一般為1 200℃，而技術裝備先進的高爐則應力爭達到（1 280±20）℃。

首鋼京唐高爐采用煤氣預熱和助燃空氣高溫預熱組合技術，使得煤氣和助燃空氣溫度分別高達200℃和520～600℃。在燃燒單一高爐煤氣的情況下，熱風爐拱頂溫度可以達到1 420℃，月平均風溫達到1 300℃［24］。該技術不僅能夠將熱風爐煙氣余熱進行回收，降低熱量的損耗，還可改善高熱風爐拱頂溫度。

2.2 高爐富氧技術

富氧鼓風可有效促進高爐噴吹燃料的燃燒，降低燃料比，改善高爐的透氣性能。實踐證明，富氧率每增加1%，燃料比降低0.5%，產量增加4.76%。

興澄特鋼2號高爐［25］的噸鐵成本隨著富氧率的增加呈現先降后升的趨勢。當富氧率約為2.3%時，噸鐵成本最低。陜西龍門鋼鐵［26］將3號和4號高爐的富氧率提高0.85%后，鐵水增產至少670 t/d。

爐頂煤氣循環—氧氣高爐工藝是一種新型無氮氣高爐技術［27］，該工藝采用氧氣鼓風并將高爐爐頂煤氣脫除CO2后返回高爐利用（圖4）。寶鋼新疆八鋼建成了世界上第一個工業化氧氣高爐，在第一階段的鼓風含氧量已達35%，突破了全球傳統高爐的富氧極限。目前氧氣高爐減少的碳排放量超過40%。

2.3 高爐噴吹富氫燃氣技術

高爐噴吹天然氣的主要優勢包括降低燃料比和增加高爐產量。計算表明，高爐噴吹1m3天然氣可以替代125 kg碳素，因此，向高爐噴吹富氫燃氣是長流程鋼鐵廠實行氫冶金的有效途徑之一。

山西晉南鋼鐵［28］研究表明，噴吹富氫氣體可以顯著降低高爐固體燃料消耗，得到較好的經濟、環境和減污降碳效果。2022年昌黎縣興國精密機件有限公司與上海大學合作開發純氫噴吹的高爐富氫冶煉技術，實現了焦比和CO2排放量降低10%以上、鐵產量增加13%以上的效果。

2.4 生物質噴吹技術

生物炭的孔結構發達、燃燒性和反應性強，可替代煤粉進行高爐噴吹。生物質堿金屬質量分數較高，不宜單獨噴吹（常與無煙煤混合噴吹）。生物質混煤噴吹可改善煤粉的燃燒和氣化性能，也可抑制煤粉灰分對冶煉產生的不利影響。盡管生物質的固定碳質量分數較煤粉低，但生物質的揮發分和灰分對煤粉的燃燒有促進作用［29－30］。

生物質成本較高，目前只在少數國家得以實現。巴西利用木炭粉部分替代煤粉進行高爐噴吹，使得高爐煉鐵CO2排放量降低30%以上。歐洲及國內鋼鐵企業也在開發木炭等生物能用于高爐噴吹的工藝，并正在計劃進行生物炭的工業化應用［30］。

3 非高爐煉鐵關鍵技術

3.1 氣基直接還原技術

目前，直接還原工藝可分為氣基和煤基兩種類型［31］。相較于煤基直接還原工藝，氣基直接還原工藝具有產品純凈、節能減排、成本低廉以及流程簡化等優勢［32］。故非高爐低碳煉鐵關鍵技術以氣基直接還原為主，主要工藝有Midrex、HYL-Ⅲ、Energiron ZR等工藝。

Midrex法由還原氣制備和還原豎爐兩部分組成，無需單獨的CO2脫除系統，還原氣為CO等氣體（圖5）。HYL-Ⅲ工藝采用高氫還原氣進行鐵氧化物的還原，控制含碳量為1.5%～3.0%，配置的CO2吸收塔提高了還原氣的利用率。Energiron ZR可以直接使用天然氣、焦爐煤氣、煤制氣、合成氣等作為還原氣，氣體重整和鐵氧化物還原同時進行，能量利用效率高，爐頂煤氣可循環利用。目前，全球共計25座豎爐采用HYL/Energiron法生產直接還原鐵，總產能達2 435萬噸。

圖5 M idrex工藝流程［31］Fig.5 M idrex process flow

3.2 熔融還原技術

熔融還原是直接使用塊礦或礦粉在高溫熔融狀態下進行鐵礦還原和熔煉的技術，所產鐵水與高爐鐵水基本相同，可直接用于轉爐煉鋼。目前，主要的熔融還原工藝有COREX、Hlsmelt等［32］。寶鋼在COREX的基礎上研發了“歐冶爐”工藝，該工藝具備年產120萬噸鐵的能力，平均燃料比為821 kg/t，焦比為140 kg/t，鐵水成本比高爐降低95元/t［31］，經濟技術指標已經處于領先地位。

Hlsmelt是一種直接使用煤粉進行鐵礦粉熔融還原的技術。Hlsmelt的原料適用性強和工序簡單，但碳排放較高。山東墨龍公司將澳大利亞Hlsmelt裝置搬遷至國內，并對爐缸耐材、鐵礦粉預熱、物料噴槍、煤氣利用系統等進行了優化和改進，已可穩定進行赤鐵礦、磁鐵礦、釩鈦磁鐵礦的冶煉。

4 結 語

在“碳達峰、碳中和”的時代背景下，低碳發展將對鋼鐵工業具有深遠影響。高爐爐料及冶煉技術的綠色化是落實碳減排目標的重要環節。通過調整料層高度、熱風高效回用、氫系燃氣耦合噴吹等技術可有效降低燒結工序碳排放。采用大型低耗工藝設備生產堿性球團和生物質球團、開發新型低碳爐料能進一步提升爐料綠色化水平。此外，鋼鐵企業需結合燃料/氣結構特征，有針對性地提升能源利用率。開發氣基直接還原、熔融還原等非高爐冶煉技術對實現煉鐵原料綠色冶煉具有不可替代的作用。因此，我國鋼鐵工業要深入厘清脫碳進展與障礙，充分研究鋼鐵工業“碳達峰、碳中和”的主要實現措施與路徑，提高鋼鐵行業低碳競爭力，加快推進脫碳進程。