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當(dāng)前，鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主題是高效、低碳和綠色，而煉鐵工序是鋼鐵工業(yè)能源消耗和碳排放最多的工序。為有效應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，減少高爐煉鐵過(guò)程的CO₂排放成為人們研究的熱點(diǎn)。

在全球努力減少溫室氣體排放的大背景下，國(guó)內(nèi)外正積極開(kāi)發(fā)減少CO₂排放的技術(shù)，主要集中于研究高爐使用新型爐料、高爐噴吹含氫物質(zhì)和高爐爐頂煤氣的循環(huán)利用等方面。

使用含碳復(fù)合爐料

熱壓含碳球團(tuán)。高爐上部爐料的還原性對(duì)提高爐身效率和促進(jìn)間接還原具有決定性作用，因此高爐應(yīng)盡可能使用高還原性爐料，以降低高爐燃料比和焦比，從而達(dá)到減少CO₂排放的目的，實(shí)現(xiàn)高爐低碳化操作。

較早開(kāi)發(fā)的含碳球團(tuán)是冷固結(jié)含碳球團(tuán)，主要應(yīng)用于直接還原和熔融還原中。冷固結(jié)含碳球團(tuán)較小的高溫強(qiáng)度限制了它在高爐的大量使用。另外，大量黏結(jié)劑的加入會(huì)增加高爐渣量，提高高爐燃料比，而且對(duì)高爐冶煉非常不利。近年來(lái)，在冷固結(jié)含碳球團(tuán)的基礎(chǔ)上，熱壓含碳球團(tuán)被成功開(kāi)發(fā)。熱壓含碳球團(tuán)是利用煤的黏結(jié)性，將煤粉和含鐵粉料黏結(jié)成塊，避免了黏結(jié)劑的使用。利用煤的黏結(jié)性不但改善了含碳球團(tuán)的物理性能，而且使球團(tuán)中煤、礦顆粒接觸更加充分，改善了含碳球團(tuán)的高溫冶金性能。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究，熱壓含碳球團(tuán)具有較高的抗壓強(qiáng)度，明顯優(yōu)于冷固結(jié)球團(tuán)，而且具有良好的還原性、低的還原粉化率、較低的還原膨脹率、優(yōu)良的熔滴性能，配加熱壓含碳球團(tuán)對(duì)高爐綜合爐料的透氣性有一定的改善作用。

多流體高數(shù)數(shù)學(xué)模擬表明，使用熱壓含碳球團(tuán)后，高爐爐身溫度水平明顯下降。與現(xiàn)行常規(guī)操作基數(shù)相比，使用30%熱壓含碳球團(tuán)時(shí)，熱空區(qū)溫度下降約200℃。研究結(jié)果顯示，隨著熱壓含碳球團(tuán)使用量增加，生鐵產(chǎn)量上升而渣量下降，當(dāng)使用30%的熱壓含碳球團(tuán)時(shí)，生鐵產(chǎn)量上升4.9%，渣量下降10.4%。更高的生鐵產(chǎn)量是隨礦焦比增大，更多的含鐵原料可以加入高爐造成的。在使用熱壓含碳球團(tuán)的情況下，中脈石含量較低，而且焦比降低。更少的脈石進(jìn)入爐內(nèi)，從而減少了渣量。隨著熱壓含碳球團(tuán)加入量的增加，熱壓含碳球團(tuán)中帶入的碳成比例地增加。雖然煤粉的噴吹量被保持不變，但隨著生鐵產(chǎn)量的增加，噴煤比有了輕微的降低，高爐焦比明顯地降低，總還原劑比也呈一定的下降趨勢(shì)。

高反應(yīng)性焦炭。高爐鐵氧化物直接還原反應(yīng)的進(jìn)行取決于碳的氣化反應(yīng)，即取決于焦炭的反應(yīng)性。使用高反應(yīng)性的焦炭可使碳?xì)饣磻?yīng)在較低溫度下提前進(jìn)行，進(jìn)而降低熱空區(qū)的溫度水平。為大幅削減高爐生產(chǎn)中的二氧化碳排放量，節(jié)省能源，以及使用劣質(zhì)普通煤和低品位礦石增強(qiáng)應(yīng)對(duì)資源危機(jī)的能力，改善高爐內(nèi)鐵礦石還原反應(yīng)效率，高反應(yīng)性焦炭被認(rèn)為是一種新的高爐原料。相關(guān)研究表明，若使用高強(qiáng)度高反應(yīng)性焦炭可使熱空區(qū)溫度降低約200℃，還原劑比將降低約60kg/t，煉鐵工序CO₂減排超10%。

高反應(yīng)性焦炭是煤和鐵礦石事先粉碎、混合、成型后，用連續(xù)式干餾爐加熱，將其中的鐵礦石還原成金屬鐵、煤結(jié)焦的復(fù)合球塊料，以此大幅提高弱黏結(jié)煤和低品位鐵礦石的使用比例。相比較而言，JFE開(kāi)發(fā)的碳鐵復(fù)合爐料技術(shù)具有較大的優(yōu)越性，可使用低級(jí)煤作原料，使用獨(dú)立的豎爐生產(chǎn)，生產(chǎn)和產(chǎn)量可靈活控制，產(chǎn)品的反應(yīng)性相對(duì)更高，強(qiáng)度比普通焦炭約高一倍，具有較好的應(yīng)用前景。但將碳鐵復(fù)合爐料實(shí)際應(yīng)用于高爐煉鐵生產(chǎn)，須解決復(fù)合爐料的結(jié)構(gòu)和成分優(yōu)化、復(fù)合爐料的碳化和還原、高爐布料和操作制度優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)研究了綜合爐料中混入高反應(yīng)性鐵焦對(duì)高爐初成渣形成過(guò)程的影響。結(jié)果表明，鐵焦的加入使試樣開(kāi)始的壓縮溫度都有所下降;鐵焦的加入一般使軟化結(jié)束溫度提高，使滴落溫度下降，導(dǎo)致軟熔區(qū)間大幅度收窄，表明向鐵礦石中混入鐵焦能夠顯著改善高爐料柱的透氣性。

噴吹焦?fàn)t煤氣

高爐噴吹含氫物質(zhì)強(qiáng)化氫還原已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。高爐噴吹含氫物質(zhì)主要包括廢棄塑料、天然氣、焦?fàn)t煤氣等。

廢塑料是由碳?xì)渚酆衔锖鸵恍┨砑觿┙M成，在結(jié)構(gòu)、組成上和煤、重油相似，具有很好的燃燒性能和燃燒熱值，含氫量是普通還原劑的3倍，可以作為高爐煉鐵的還原劑和發(fā)熱劑，適合作為高爐的噴吹燃料。但國(guó)內(nèi)對(duì)塑料分類回收的效果不理想，導(dǎo)致各種不同類型的塑料混雜，而且塑料的加工造粒、含PVC廢塑料的脫氯處理等有待進(jìn)一步完善，因此很難在高爐上大量使用。

天然氣的主要成分是CH₄。由于天然氣資源有限，價(jià)格昂貴，且產(chǎn)地分布相對(duì)比較集中，目前只有北美和俄羅斯、烏克蘭的部分高爐噴吹天然氣。

焦?fàn)t煤氣是荒煤氣經(jīng)過(guò)回收化學(xué)產(chǎn)品和凈化(脫煤焦油、脫硫、洗氨、脫苯、脫萘等)后形成的產(chǎn)品。焦?fàn)t煤氣由于含有大量的氫(約占60%)，噴吹進(jìn)入高爐后，可降低焦炭的使用量，從而減少CO₂的排放。日本COURSE50項(xiàng)目提出高爐噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣技術(shù)，采用BIS裝置模擬了爐身噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣后爐內(nèi)的反應(yīng)和爐料還原行為。噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣后，爐內(nèi)間接還原度增加，爐身效率提高。因此，高爐噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣可降低高爐的碳耗。

鞍鋼鲅魚(yú)圈高爐實(shí)行了噴吹焦?fàn)t煤氣，該工藝簡(jiǎn)單、施工方便、技術(shù)安全可靠，能夠充分發(fā)揮焦?fàn)t煤氣中H2的價(jià)值，有很高的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排功效。預(yù)計(jì)年經(jīng)濟(jì)效益約為1億元，年減少CO₂排放量約為65萬(wàn)噸。研究人員利用多流體高爐數(shù)學(xué)模型研究高爐噴吹焦?fàn)t煤氣，結(jié)果顯示，噴吹含氫物質(zhì)后，爐內(nèi)氫氛圍得到了強(qiáng)化，鐵氧化物的氫還原在整個(gè)間接還原中所占的比例明顯升高，特別是Fe₃O₄和FeO的還原過(guò)程更加明顯。隨著焦?fàn)t煤氣噴吹量的增加，高爐產(chǎn)量增加，還原劑消耗量減少。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣后，生鐵產(chǎn)量增加，焦比、煤比和全部還原劑的消耗量均出現(xiàn)了不同程度的下降。

爐頂煤氣循環(huán)利用

高爐爐頂煤氣循環(huán)利用是將爐頂煤氣除塵凈化和脫除CO₂后，將其中的還原成分(CO和H₂)通過(guò)風(fēng)口或者爐身適當(dāng)位置噴入高爐，從而重新回到爐內(nèi)參與鐵氧化物的還原，加強(qiáng)C和H元素的利用。該工藝被認(rèn)為是改善高爐性能、降低能耗和減少CO2排放量的有效措施之一。各國(guó)結(jié)合自身能源結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)實(shí)際，提出或者應(yīng)用了多種不同的高爐爐頂煤氣循環(huán)工藝，包括HRG、JFE、OHNO、FINK、LU等工藝。

俄羅斯采用的HRG法技術(shù)明顯改善了高爐的性能，而且未對(duì)傳統(tǒng)的高爐體系作出大的變革。日本的JFE工藝將還原氣噴吹、全氧高爐、塑料噴吹、使用熱壓含碳球團(tuán)和低溫?zé)掕F等多項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合，徹底改變了高爐常規(guī)操作方式，是對(duì)高爐體系的革新，最終形成“緊湊型高爐”。

目前的研究熱點(diǎn)為歐洲ULCOS項(xiàng)目的爐頂煤氣循環(huán)再生工藝。該工藝的技術(shù)要點(diǎn)包括：循環(huán)利用含有CO和H₂成分的爐頂還原煤氣，用低溫純氧代替熱風(fēng)從爐缸風(fēng)口吹入，低還原劑消耗操作，爐頂煤氣中CO₂的回收再利用。2007年該工藝在瑞典LKAB廠試驗(yàn)高爐上共采用4種方案進(jìn)行了中試。在試驗(yàn)高爐進(jìn)行的ULCOS-BF試驗(yàn)證明，新開(kāi)發(fā)出的爐頂煤氣循環(huán)利用工藝操作安全性好、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)。爐頂煤氣循環(huán)利用技術(shù)結(jié)合CCS(CO₂捕集和封存)技術(shù)，使CO2減排50%~60%應(yīng)該是切實(shí)可行的。因此，該工藝被認(rèn)為是改善高爐性能、降低能耗以及減少CO2排放的有效措施之一。

未來(lái)重點(diǎn)仍是爐料和工序

從我國(guó)高爐煉鐵生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，以高爐煉鐵工序的超高效率和低CO₂排放為目標(biāo)，研發(fā)新一代低碳高爐煉鐵技術(shù)，掌握關(guān)鍵技術(shù)和核心理論，強(qiáng)化高爐對(duì)原燃料的適應(yīng)性，提高煉鐵資源和能源利用率，實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵生產(chǎn)的高效、低耗和綠色，促進(jìn)高爐煉鐵和社會(huì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的結(jié)合。這對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展、滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重大需求具有重要意義。

今后，我國(guó)低碳高爐煉鐵領(lǐng)域的研發(fā)可圍繞以下主要方面進(jìn)行：開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的含碳復(fù)合新型煉鐵爐料;優(yōu)化煉鐵工序，噴吹改質(zhì)或不改質(zhì)焦?fàn)t煤氣，同時(shí)開(kāi)發(fā)適合我國(guó)高爐的爐頂煤氣循環(huán)操作。我國(guó)應(yīng)在吸收國(guó)外新技術(shù)研究進(jìn)展和加強(qiáng)消化吸收的同時(shí)，聯(lián)合多方力量大力開(kāi)展基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)開(kāi)發(fā)，爭(zhēng)取在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)取得一定的技術(shù)突破。作為項(xiàng)目開(kāi)展的第一步，可結(jié)合數(shù)字化高爐和鋼鐵系統(tǒng)能量利用評(píng)價(jià)模型對(duì)上述高爐煉鐵低碳化操作進(jìn)行深入解析，這將顯著降低新技術(shù)開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，加快項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)度。