1 前言
鋼鐵行業(yè)是CO2排放量大的產(chǎn)業(yè)領域之一，煉鋼工藝主要有兩種不同的工藝路線，即高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）路線和電爐（EAF）路線。BF-BOF路線每生產(chǎn)1t粗鋼，排放1.8-2.0t的CO2，大約相當于EAF路線排放CO2的3倍。這是因為EAF路線煉鋼工藝不需要氧化鐵的還原能量，但目前原料廢鋼還不能充分滿足世界鋼鐵需求量。由于難以用含有有害元素的廢鋼生產(chǎn)高級鋼，因此確立高爐工藝中的低碳化技術(shù)是當務之急。
為了開發(fā)高爐工藝中降低CO2排放技術(shù)，到目前為止已經(jīng)進行了很多項目研究。日本從2008年開始開展國家項目“Ultimate Reduction System for Cool Earth 50（COURSE50）”的研究。在COURSE50項目中，以高爐輸入碳減少約10%，與約20%的高爐煤氣（BFG）中的CO2分離回收相結(jié)合，以煉鐵廠的CO2排放量減少30%為目標，使用試驗高爐進行了面向高爐低碳化的實證試驗。
關(guān)于使用試驗高爐的原料評價和工藝評價，到目前為止，U.S. Bureau of Mines、東京大學、NKK、住友金屬和LKAB等進行了很多研究。在歐洲實施的ULCOS項目中，提出了以氧氣高爐為基礎，從爐頂煤氣中回收脫CO2煤氣的工藝（TGRBF），使用LKAB集團的試驗高爐實施了幾次試驗。正如ULCOS項目中提出的那樣，認為循環(huán)利用爐頂煤氣中未反應CO和H2對高爐的低碳化是有效的。然而，循環(huán)利用從爐頂煤氣中脫CO2的氣體對高爐低碳化產(chǎn)生影響的技術(shù)細節(jié)沒有公開，也存在很多不明之處。
高爐工藝中碳的消耗形式可以從熱平衡的角度分為三類反應。即，①在風口回旋區(qū)的碳燃燒；②氧化鐵及其他脈石成分的碳直接還原；③滲碳到鐵水中。在此，①回旋區(qū)中碳的燃燒反應，不僅是向爐內(nèi)供給作為還原氣體的CO氣體，而且還擔負著高爐過程的供熱。另外，在②碳直接還原中，除了熔融還原之外，還包括CO或H2還原氧化鐵生成的CO2或H2O與碳的氣化反應。氧化鐵還原所需的熱量取決于還原反應，即CO還原，氫還原和直接還原的比率。其中，氫還原和直接還原是吸熱反應，特別是直接還原需要大量的熱，但在高爐操作中，根據(jù)這些反應量，調(diào)整風口回旋區(qū)的碳燃燒量。因此，為了減少高爐工藝中還原鐵礦石所需的熱量，使直接還原量減少，認為置換為間接還原（CO還原或氫還原）是有效的。圖1是COURSE50高爐的低碳化概念。在現(xiàn)在的高爐操作中，CO還原、氫還原、直接還原的反應比例分別為約60%、10%和30%，氫還原率為10%左右比較低，因此通過進一步促進氫還原，減少直接還原量，有望降低高爐工藝中的碳單耗。
Watakabe等人報告，在COURSE50項目中，使用LKAB集團的試驗高爐實施了吹入氫系氣體的試驗，通過將設想的焦爐煤氣（COG）和改質(zhì)COG合成的氣體吹入，隨著氫還原率增加，直接還原率減少，碳單耗減少。另外，氫系氣體吹入也提示了CO還原率降低。還指出，從爐身風口吹入改質(zhì)COG與通常從風口吹入COG相比，向徑向的煤氣滲透深度降低，H2氣利用率降低。
據(jù)上述結(jié)果，認為氫系氣體通常從風口吹入比從爐身風口吹入更合適。另外，爐頂煤氣循環(huán)將爐頂煤氣含有的對還原沒有貢獻的CO、H2氣體重新用于還原，因此可以抑制氫氣吹入時CO還原率降低，促進直接還原率的進一步減少。此外，使用高還原性的燒結(jié)礦也能夠抑制氫系氣體吹入時CO還原率的降低，可以促進直接還原率的進一步減少。
因此，在COURSE50項目中，以減少高爐約10%的二氧化碳為目標，通過使用試驗高爐的驗證試驗，定量評價了COG噴吹、爐頂煤氣循環(huán)利用以及使用高還原性燒結(jié)礦的反應控制對碳單耗減少的影響。本文介紹了上述驗證試驗中獲得的定量評估結(jié)果。
2 試驗
2.1 試驗高爐設備概要
在東日本制鐵所君津廠內(nèi)，利用一座爐容積為12m3的試驗高爐，驗證了前述反應控制技術(shù)的碳削減效果。圖2展示了該試驗高爐的示意圖，而表1則列出了主要設備的規(guī)格參數(shù)。該高爐的爐缸直徑為1.2m，從風口至爐料堆放水平的高度為6.5m，配置有1個出鐵口和3個風口，且在距3個風口上方1700mm處設置了3個爐身風口。為取樣爐內(nèi)氣體和爐料，高爐在高度方向上三個水平位置（分別為風口上方2059mm、3902mm和5503mm）配備了水平探頭，這些探頭可在操作過程中進行水平方向的溫度和煤氣組成測量，以及原料采樣。
試驗高爐及其周邊設備的布局如圖3所示。與實際高爐相似，試驗高爐通過熱風爐供應約1000℃的富氧熱風。每個風口均配備煤粉供給罐，并通過定量排出裝置將煤粉從風口吹入。同時，利用鋼鐵廠內(nèi)的實用程序，將COG從風口吹入。此外，在進行爐頂煤氣循環(huán)操作時，將試驗高爐產(chǎn)生的爐頂煤氣送入30t/d規(guī)格的CO2分離設備（CAT30），并使用電加熱器將去除CO2和水分后的氣體（以下簡稱RG）加熱至約800℃，再從爐身風口吹入。
2.2 反應控制的操作
為了評估在試驗高爐中通過COG吹入、爐頂煤氣循環(huán)以及高還原性燒結(jié)礦的使用對反應控制碳單耗的影響，進行不同試驗，如圖4所示?；A操作是作為基準的現(xiàn)有高爐噴吹煤粉操作。操作A涉及從風口吹入COG。操作B和C則是在風口吹入COG的同時，從爐身風口吹入RG。在操作C中，相較于操作B的條件，還額外考慮了使用高還原性（高JIS-RI）燒結(jié)礦。在各操作中，如表2所示，設定了煤粉、COG和RG的吹入量，并調(diào)整焦比以確保鐵水溫度達到1450℃。
通過高爐數(shù)學模型估算碳單耗降低比例。按照操作A、B、C的順序，碳單耗的降低比例依次遞增，其中操作C預計可減少約10%的碳單耗。因此，在試驗高爐操作中，進行了基礎操作及操作A、B、C三個水平的試驗，以驗證各操作條件下的碳單耗效果。
2.3 試驗高爐的操作方法
試驗高爐的操作共實施了4個爐役，每個爐役持續(xù)約30天。在各爐役中，進行了如圖4所示的基礎操作以及三個不同水平的試驗操作，比較了各操作的碳單耗降低比例，并驗證了其再現(xiàn)性。
用于試驗操作的焦炭粒徑為15-25mm，燒結(jié)礦和塊礦的粒徑均為10-25mm。關(guān)于燒結(jié)礦的還原性，基礎操作、操作A和操作B使用的是JIS-RI為64%的燒結(jié)礦，而操作C則使用JIS-RI為72%的燒結(jié)礦。
點火啟動后，包括爐底耐火物溫度在內(nèi)的各項指標基本達到穩(wěn)定狀態(tài)需10天。穩(wěn)定后，繼續(xù)進行約4天的基礎操作，在定量評價物料平衡的同時，利用上述水平探頭測量爐內(nèi)溫度和氣體組成。測量結(jié)束后，將操作切換至下一個計劃，在約2天的過渡期內(nèi)穩(wěn)定鐵水溫度并進行卸載，隨后再次定量評價物質(zhì)平衡，并測量爐內(nèi)溫度和氣體組成。此過程反復進行，直至完成所有試驗的切換。每次出鐵時，均測定鐵水溫度和鐵礦渣成分。
所有試驗結(jié)束后，立即將爐內(nèi)氣體置換為N2進行冷卻。當爐內(nèi)溫度降至100℃以下后，將N2切換為空氣，繼續(xù)冷卻約2周。冷卻完成后，對爐內(nèi)物料進行解體調(diào)查，記錄爐料的層結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并回收爐內(nèi)物料，分析礦石的還原率等數(shù)據(jù)。
3 試驗結(jié)果和討論
為了驗證上述反應控制對降低操作A、B、C碳單耗的影響，共進行了4個爐役的試驗。以第4個爐役試驗為例，在試驗高爐操作過程中，在保持出鐵量和送風量等各項指標恒定的前提下，通過調(diào)整焦比，使鐵水溫度達到1450℃。在此期間，送風量和出鐵量均未出現(xiàn)急劇變化，操作嚴格按照計劃進行，穩(wěn)定性良好。其他3個爐役操作也均采用穩(wěn)定的操作方式，保證其再現(xiàn)性優(yōu)異。
在各水平試驗期間，選取連續(xù)24h作業(yè)中各項指標基本穩(wěn)定的時段，對該時段的各項元素進行平均計算，并開展全面的物質(zhì)平衡和熱平衡分析。表3展示了試驗高爐作業(yè)在各水平下的平均各項數(shù)據(jù)。將實際分析結(jié)果中各水平的CO還原率、氫還原率、直接還原率以及碳單耗等指標與基礎操作進行了對比分析。
實際各項分析與高爐數(shù)學模型分析所得到的各水平CO還原率、氫還原率及直接還原率結(jié)果顯示：與基礎操作相比，噴吹COG的操作A使CO還原率略有降低，但氫還原率增加了約10%，直接還原率減少了約10%。在操作B中，通過爐頂氣體循環(huán)操作，間接還原率（即CO還原率與氫還原率之和）較操作A進一步增加，而直接還原率則有所減少。在操作C中，通過使用高還原性燒結(jié)礦，相較于操作B，CO還原率的提升雖然微小，但氫還原率顯著增加，直接還原率進一步減少。如表3所示，操作C的CO煤氣利用率和H2利用率相比操作B有所提高，這被認為有助于直接還原率從16.5%降至16.0%。上述結(jié)果表明，噴吹COG、爐頂煤氣循環(huán)利用以及使用高還原性燒結(jié)礦作為反應控制手段，有效降低了直接還原率。高爐數(shù)學模型的分析結(jié)果也精確地定量捕捉到了各水平還原形態(tài)的變化。
通過實際各項分析得出了總氫投入量與氫還原率之間的關(guān)系，即線性正比例關(guān)系。在此，總氫投入量不僅包括COG中的氫成分，還涵蓋從風口吹入的PC、COG中的碳氫化合物、鼓風濕分在風口前分解生成的氫，以及從爐身風口吹入的氫的總量。隨著氫投入總量的增加，氫還原率呈現(xiàn)出線性增長趨勢。這表明，在本次試驗范圍內(nèi)，供給高爐的氫氣以近乎相同的效率促進了氫還原。與操作B相比，操作C在相同總氫投入量下的氫還原率更高，這一點從表3所示的H2利用率變化中也可得到驗證，進一步確認了高還原性燒結(jié)礦的使用效果。
基于各水平操作實績分析得出碳單耗明細，相較于基礎操作，按照操作A、B、C的順序逐步遞減，這一趨勢與高爐數(shù)學模型預測的碳單耗減少效果一致。各操作碳單耗的降低，對整體碳單耗的減少起到了顯著作用。碳單耗可通過直接還原率公式進行換算，因此其變化也與各水平操作的直接還原率的變化相吻合。
另外，在操作C中，風口回旋區(qū)的燃燒碳量減少。這是因為使用高還原性燒結(jié)礦，直接還原率減少，還原所需熱量減少，高爐過程整體所需熱量也減少。操作C的碳單耗相對基礎操作減少約10%。比較各水平操作的碳單耗試驗結(jié)果和高爐數(shù)學模型計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于基礎操作，操作A、B、C的碳單耗削減比例分別約為4%、8%和10%。對于該碳單耗降低比例，試驗結(jié)果和高爐數(shù)學模型的計算結(jié)果基本對應，考慮到各操作水平的直接還原率變化的對應狀況，高爐數(shù)學模型在爐內(nèi)總反應量方面基本可以說明試驗結(jié)果。
接下來，考慮各個操作條件下的熱平衡變化。在操作A中，盡管氫還原所需熱量增加，但直接還原所需熱量減少，總體上氧化鐵的總還原所需熱量較基礎操作有所減少。此外，操作B由于直接還原所需熱量進一步降低，氧化鐵的總還原熱量較操作A更低。在操作C中，氫還原所需熱量的增加與直接還原所需熱量的減少基本抵消，因此總所需還原熱量與操作B基本持平。
為評估各操作條件下高爐工藝特性，分析試驗高爐的熱平衡結(jié)果。整個過程的總輸入熱量包括送風顯熱、RG顯熱和風口回旋區(qū)的碳燃燒熱，構(gòu)成了試驗高爐工藝操作中的能量投入量。而總熱消耗量則涵蓋氧化鐵、脈石成分的還原熱、鐵水熔渣顯熱、爐頂煤氣顯熱、PC分解熱、COG的分解熱以及熱損失等，代表了試驗高爐鐵水生成過程中所需的能量消費量。由于氧化鐵的還原總需熱量減少，操作A的總輸入熱量和總熱消耗量較基礎操作有所降低。操作B在從爐身風口吹入RG的過程中，盡管氧化鐵的還原熱量減少，但爐頂煤氣顯熱和熱損失較操作A增加。因此，可以看出，盡管從爐身風口吹入RG的操作有助于減少碳單耗，但不一定有助于降低整個工藝的總輸入熱量。操作C同樣實施從爐身風口吹入RG，總所需還原熱量與操作B大致相同，但由于使用了高還原性燒結(jié)礦，煤氣利用率提高，爐內(nèi)煤氣量減少，爐頂煤氣顯熱和熱損失隨之減少，有助于降低整個工藝的總輸入熱量。
根據(jù)高爐數(shù)學模型計算的各操作條件下風口方位斷面的爐內(nèi)固體溫度分布情況進行分析。首先，分析爐上部的升溫速度差異。在操作A中，爐上部的升溫速度（即溫度梯度）相較于基礎操作顯得偏低。這主要是由于富氧率的提升導致爐內(nèi)煤氣量減少（熱流比增加）所致。在操作B中，爐上部的升溫速度因從爐身風口吹入RG導致爐內(nèi)煤氣量增加（熱流比減少）而得以恢復。然而，在操作A中，爐身風口水平壁附近的溫度升高至約1000℃；而在操作B中，由于從爐身風口吹入的RG溫度為800℃，因此爐身風口上方壁附近的溫度有所降低。在操作C中，與操作B相比，爐上部的升溫速度有所下降，但正如前述，這是通過使用高還原性燒結(jié)礦提高了煤氣利用率，從而減少了爐內(nèi)流通的煤氣量所引起的。
接下來，分析軟熔帶水平的變化情況。操作A中，爐上部的升溫速度相較于基礎操作有所降低，然而軟熔帶水平卻呈現(xiàn)上升趨勢。這一現(xiàn)象源于操作A的間接還原率提升，導致爐下部的還原負荷減輕，進而使得實際爐下部的熱流比下降?；诖?，軟熔帶的厚度也隨之變薄。相比之下，操作B的軟熔帶水平低于操作A。這主要歸因于從爐身風口吹入的RG溫度為800℃，導致爐內(nèi)溫度降低。此外，操作C的軟熔帶水平相較于操作B進一步降低，這是由于爐內(nèi)煤氣量減少，進而引起熱流比增加所致。
高爐數(shù)學模型分析中各操作條件下斷面平均固體溫度與礦石還原率的關(guān)系為：礦石還原率隨固體溫度的升高而增加。操作A的礦石還原率得益于氫還原的作用，在從低溫到高溫的整個溫度范圍內(nèi)，均高于基礎操作的礦石還原率。操作B在高于800℃的高溫區(qū)域，礦石還原率的梯度顯著增大，這被認為是爐身風口吹入RG的效果所致。操作C幾乎在所有溫度范圍內(nèi)，與其他操作相比，礦石還原率最高，這歸因于高還原性燒結(jié)礦作用。
對比操作A徑向H2濃度分布的水平探頭測定結(jié)果與高爐數(shù)學模型的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大部分氫還原發(fā)生在水平探頭的下段至中段水平區(qū)域。高爐數(shù)學模型的徑向H2濃度分布計算結(jié)果與實際測量結(jié)果呈現(xiàn)出良好的對應關(guān)系。
其次，為了評價爐內(nèi)礦石的還原狀態(tài)，在操作中或在停爐后回收爐內(nèi)的爐料，分析比較了礦石還原率。在操作B中，比較高爐數(shù)學模型分析的礦石還原率與通過分析水平探頭采樣的爐料獲得的礦石還原率，確認了兩者比較一致；再比較高爐數(shù)學模型分析的礦石還原率的計算結(jié)果與停爐后回收的爐內(nèi)爐料獲得的礦石還原率，發(fā)現(xiàn)停爐后回收的爐上部爐料的礦石還原率高，在料層頂部約為10%。從停爐前的最后一次裝入到停爐需要幾分鐘，料層頂部的礦石還原率增加到了10%左右。若考慮到這一點，測量結(jié)果和計算結(jié)果非常一致。計算結(jié)果與實測結(jié)果良好吻合，表明高爐數(shù)學模型可以在從風口吹入COG和從爐身風口吹入RG的條件下高精度地預測爐內(nèi)狀態(tài)。
綜上所述，試驗高爐操作證明了通過上述操作的反應控制可以減少高爐的碳排放量，同時通過使用高爐數(shù)學模型分析，結(jié)合實測值從理論上揭示了爐內(nèi)狀態(tài)的變化。
4 結(jié)語
通過從風口吹入COG、從爐身風口進行爐頂煤氣循環(huán)操作以及使用高還原性燒結(jié)礦的措施，有效控制了降低最大吸熱反應的直接還原反應量。通過高爐試驗，驗證了能否降低10%碳單耗的可行性。在從風口吹入COG的過程中，盡管CO還原率略有下降，但氫氣還原率提升了約10%，直接還原率減少了約10%，最終確認碳單耗降低了約4%。此外，通過爐身風口的爐頂煤氣循環(huán)操作，進一步降低了直接還原率，碳單耗降幅達到約8%。在此基礎上，結(jié)合使用高還原性燒結(jié)礦，提升了CO和H2的利用率，減少了風口回旋區(qū)用于供熱的燃燒碳量，成功實現(xiàn)了COURSE50的目標，碳單耗削減約10%。因此，確認從風口吹入COG、從爐身風口進行爐頂煤氣循環(huán)操作以及使用高還原性燒結(jié)礦的組合措施，可作為高爐工藝中降低碳單耗的有效手段。
