低碳高炉的发展和演变过程

从历史上看，为了降低焦比，在欧洲首次采用喷油结合富氧操作方法，该技术随后于20世纪60年代在全球范围内得到了推广。后来，在全焦炭操作期间，喷油被喷煤（PCI）取代。伴随高炉操作发展，还研究了向高炉喷吹还原气体，以便通过加剧气体还原来降低焦比。虽然这些技术由于经济方面原因没有实现工业化，但它们提供了许多重大成果，随后研究了炉顶煤气循环利用和氧气高炉。近来，以直接使用铁矿石和非炼焦煤为特征的熔融还原工艺受到了广泛关注。这些工艺都由一台预还原炉和一台熔融还原炉组成，实际上这些工艺当中只有COREX和FINEX工艺实现了工业化生产。熔融还原工艺似乎很有前途，但从实用性和可靠性出发，熔融还原工艺还需要花费一段时间进行研究。

自20世纪80年代以来，为了用煤取代焦炭，开发出能够喷吹大量煤粉的氧气高炉，并开展了针对向高炉炉身喷吹煤气的研究。氧气高炉的特点是内部无氮气，从而能够提高还原率和高炉利用系数。从减少CO2排放的观点出发，氧气高炉更具有技术优势，向炉身喷吹煤气与上述喷吹热还原气体的原理类似。考虑到当前的形势，应该把重点放在钢铁厂能源的自给自足上，通过创新炼铁工艺寻找适应性强的还原剂，以减少CO2排放。

高炉演变过程如图1所示。在20世纪60年代，高炉采取喷吹重油结合富氧操作，降低了焦比。石油危机过后，在全焦法操作结束后，普遍采用高炉喷煤操作。在当时虽然在燃烧性和透气性方面出现了一些问题，但通过对技术进行改进和完善，使喷煤在各国成为一项高炉基本技术。

图1　低碳高炉的发展历程

20世纪70年代，研究项目是将热还原气体吹入高炉炉身，目的是为了大幅度降低焦比。用于该工艺的还原气体是通过对COG或重油进行重整得到的。在试验高炉和工厂高炉开展操作试验，证实了喷吹还原气体的有益效果。

20世纪80年代以后，由于氧气高炉能够实现大量喷煤，因而受到了广泛关注。传统喷煤确实可用煤替代焦炭，但替代率受到热风中氧气浓度低的限制。而富氧喷吹能够大幅度改善煤粉的燃烧性，用试验高炉证实喷煤比可达到320kg/t。此外，炉内无氮气气氛有利于提高还原率和高炉利用系数。氧气高炉一般是喷吹预热气体+喷吹经脱除CO2后的还原气体。在日本JFE钢铁公司氧气高炉内，将预热气体吹入炉身上部，以补偿无氮气气氛下高炉的高热流比，目的是为了简化工艺流程。

适当控制还原平衡，以减少高炉还原剂用量。降低与还原平衡相关的高炉储热区温度，能够有效提高气体利用率，从而可减少还原剂用量。通过装入高反应性焦炭，可控制储热区温度。研究认为含金属铁的铁焦是一种典型的高反应性焦炭。此处，金属铁还起到了催化剂的作用，促进高炉储热区的溶损反应。

到了20世纪末，认识到全球变暖是一个重要问题，因此在钢铁行业寻求低碳工艺。炼铁工艺由于其碳耗大，对CO2排放具有很大影响，因此应当在炉顶煤气循环利用之前对CO2进行封存，以大幅度减少CO2排放。在脱除CO2之后，将炉顶煤气吹入炉身下部，或经风口喷吹替代直接还原。ULCOS（超低CO2炼钢）项目中的NBF（新型高炉）是一种典型的炉顶煤气循环利用工艺。炉顶煤气循环利用工艺是对先前还原气体喷吹工艺的进一步创新和发展。

近来，有人提出高炉喷吹天然气的观点，这是利用了氧气高炉利用系数高的特点，喷吹天然气的高炉属于一种先进的氧气高炉。采用该方案能够减少带入炼铁工序中的碳，实现节能及将能量输送给后道工序。由于氧气高炉利用系数高，能够缩减炉子尺寸，从而可使用劣质炉料。该方法对于联合性钢铁厂非常有利，能够兼顾钢铁厂能量平衡及减少CO2排放。各种工艺焦比范围预测如图2所示。在喷煤工序中，焦比一般能够降到300kg/t左右。根据煤粉的燃烧性来确定焦比下限，其同煤粉置换比和高炉炉内透气性有关，而煤粉置换比和高炉炉内透气性受到喷吹的煤粉种类和炉料质量的影响。如上所述，通过喷吹还原气体，能够使焦比得到大幅度降低。在高炉内直接还原同焦比有关，能够由向炉身下部喷吹还原气体的间接还原所替代。依照高炉内质量平衡和热平衡理论分析，焦比下限估计为220kg/t，在此条件下，直接还原率几乎为零。根据数学模拟的理论分析表明，喷吹还原气体的高炉焦比下限同大量喷煤的氧气高炉相似。研究结果显示，工业化氧气高炉的最低焦比预计为230kg/t。由于带有炉顶煤气循环利用系统的氧气高炉间接还原性更好，因此其焦比比早先的氧气高炉还要略微降低。预计喷吹氢气的先进氧气高炉焦比约为200kg/t。为了减少CO2排放，应把侧重点放在选择合适的喷吹气体上，通过喷吹冷氧达到低碳效果。

铁矿资源与各种炼铁工艺所用还原剂之间的关联如图3所示。众所周知，当前高炉主要使用烧结矿、球团矿和块矿作为含铁炉料，还原剂主要来自于煤。图3中心圈部分示出了产能规模。一座高炉的年生产能力达到400万吨左右。以天然气为基础的直接还原工艺，如MIDREX和TENOVA HYL，位于图3右下区域，由于这两种工艺能够有效利用页岩气，因此在全世界范围内得到了广泛应用。据报道正在美国兴建的一家直接还原厂年产能将达到200-250万吨。其他工艺位于图3左上区域，使用铁矿粉和煤。熔融还原工艺（HIsarna, DIOS, FINEX）和转底炉工艺（FASTMET，ITmk3）是炼铁发展的方向。由于COREX熔融还原工艺可直接使用非炼焦煤，因此被认为是具有发展前景的工艺，但其生产能力比高炉低。FINEX工艺逐步将产能扩大至200万吨/年。观察各种工艺所处位置，高炉在生产能力和可靠性方面胜出。但当前运行的大高炉内容积超过5000m3，需要优质炉料，且依靠煤作为还原剂和能源。考虑到全球变暖问题，使用天然气等富含氢的还原剂应是未来高炉的发展方向。扩大炉料范围及减少对碳的依赖也是当前高炉演变的主题。