400-6171-355400-6171-355一、研究的背景與問題
1、研究背景
我國鋼鐵行業碳排放量約占全國碳排放量的15%，在碳達峰和碳中和的時代背景下，鋼鐵行業面臨著巨大的降碳減排壓力。高爐煉鐵工序能耗占鋼鐵生產全流程總能耗的50%以上，是我國鋼鐵行業綠色低碳發展的主要切入點，是實現“雙碳”目標的關鍵。
高爐工序是否高效低碳，影響因素主要有三個方面：一是高爐本體結構是否滿足高效低碳冶煉，二是工序中的能源利用是否達到極致水平，以及工序產生的高爐煤氣等二次能源是否得到全部治理回收。而傳統高爐在這三個方面還存在諸多瓶頸與挑戰。
2、關鍵技術難題
（1）在高爐本體方面，隨著爐料結構多元化和冶煉強度的不斷提升，尤其是在提高球團礦比例、降低碳排放的生產模式下，現有的爐型結構及關鍵設備不能滿足高效低碳的生產需求。
（2）作為煉鐵工序中的能源消耗大戶，熱風爐消耗了高爐產生煤氣的40%以上。但由于燃燒器結構不合理等問題，造成空氣煤氣混合不均勻、燃燒不充分，煤氣的利用率普遍偏低；煙氣中的余熱回收不充分，排壓廢氣對空排放，造成氧氣和熱量的雙重浪費。
（3）高爐放散煤氣治理回收不完全。均壓煤氣未完全回收、休風放散煤氣對空排放，不但污染環境而且造成能源浪費。
二、解決問題的思路與技術方案
1、解決思路
本項目以高爐煉鐵高效率、低排放為目標，圍繞高爐綠色低碳本體技術、煤氣治理回收及高效利用技術進行深入研究。項目主要研究內容及技術路線如圖所示，通過理論研究、調研分析、并結合大數據分析、仿真模擬、中試試驗等研究方法，確定了合理技術方案，開發了關鍵技術和設備，最終形成綠色低碳的高爐煉鐵技術。
（1）針對高爐冶煉強度和熱負荷增強、多元化爐料結構調整等需求，開發綠色低碳高爐本體關鍵技術。
（2）針對傳統熱風爐煤氣利用率低、浪費能源的問題，開發基于煤氣極致利用的綠色環保熱風爐技術。
（3）針對爐頂均壓煤氣回收率偏低、回收時間長，休風放散煤氣對空排放，造成環境污染及能源浪費等問題，開發高爐放散煤氣全量回收技術。
2、技術方案
（1）開發綠色低碳高爐本體關鍵技術
針對原有高爐爐型設計體系難以滿足高冶強、低碳冶煉的需求，構建了適用于多元爐料結構的高效低碳爐型“四步法”設計體系，以冶強和爐腹煤氣指數相結合的方法，結合數據挖掘和仿真模擬，爐型能適應高冶煉強度、高熱負荷、爐料結構多元化的需求。綜合考慮投資成本、運行成本和設備穩定性等因素的影響，能夠獲得先進的技術經濟指標。
針對現有爐型結構不適用高比例球團低碳冶煉的需求，根據球團礦的理化特性，并結合仿真模擬、中試實驗，基于“四步法”設計體系，開發了適用于高比例球團的變錐度爐型結構，充分釋放球團礦的熱膨脹，改善上部料柱透氣性。首次提出動態次位排料及次中心圍擋布料、爐渣流動性堿度調控、操作爐型精準調控等理念，開發出高比例球團冶煉操作技術。
為了保證高爐穩定順行，實現高效冶煉，開發了組合式冷卻壁協同分段分區調控冷卻技術，實現多區域精準溫度調控，降低系統能耗；針對傳統爐底爐缸結構受鐵水環流、熱應力等因素影響，開發了基于水量動態調整的誘導侵蝕型爐底爐缸冷卻體系，通過動態調整爐底爐缸水量，誘導爐底侵蝕向“鍋底狀”發展，提高爐缸安全性。
（2）開發基于煤氣極致利用的綠色環保熱風爐技術
高爐煤氣的高效利用是實現高爐煉鐵極致能效的重要手段，針對傳統熱風爐煤氣利用率低、能源浪費等問題，開發了基于煤氣極致利用的綠色環保熱風爐技術。
針對煤氣利用率低、蓄熱體換熱效率低等問題，首創低碳低氮旋切頂燃式熱風爐燃燒器，開發了互鎖式氣流均衡高效格子磚，實現在助燃空氣過剩系數≤1.03條件下煤氣完全燃燒，蓄熱體的利用率提高至80%以上。
開發了基于回收排壓廢氣的多功能爐外充壓、空煤氣分時預熱、“一燒兩送”熱并聯等技術，實現無擾動換爐的同時，可100%回收廢氣中的熱量和氧氣，在相同條件下，可提高空煤氣預熱溫度約60℃；提高平均送風溫度約36℃。
開發了基于熱風爐爐外均壓技術及自尋優智能燒爐模型的多座高爐熱風爐協同操作技術。可降低煤氣管網壓力波動約6kPa，實現燒爐煤氣的極致利用。
（3）開發高爐放散煤氣全量回收技術
針對爐頂均壓煤氣回收率偏低、回收時間長，休風放散煤氣對空排放，造成環境污染及能源浪費等問題，建立了基于時間和壓力耦合平衡模型的全回收智能控制系統，開發了除塵、引射等專利設備，實現均壓煤氣全回收，回收時間可控制在12秒以內，噸鐵煤氣回收量5~8Nm3。通過開發緩沖脫水、高效引射等回收裝置及智能控制系統，實現休風放散煤氣安全、穩定、高效回收，回收煤氣含塵量≤5mg/Nm3。
三、主要創新性成果
（1）開發了高效長壽低碳高爐本體關鍵技術。構建了適用于多元爐料結構的高效低碳爐型“四步法”設計體系，開發了適用于高比例球團的變錐度爐型結構和高比例球團冶煉操作技術，開發了組合式冷卻壁協同分段分區調控冷卻技術和基于水量動態調整的誘導侵蝕型爐底爐缸冷卻體系，實現球團礦入爐比例月度最高可達到64%，煤氣利用率達52%，可以減少碳排放94.9kg/噸鐵。
（2）開發了基于煤氣極致利用的綠色環保熱風爐技術。首創低碳低氮頂燃式熱風爐燃燒器、多座高爐熱風爐協同智能化操作技術，開發了“一燒兩送”熱風爐提質增效技術及互鎖式新型氣流均衡高效格子磚，單燒高爐煤氣條件下，平均送風溫度≥1250℃，噸鐵碳排放降低96.4kg。
（3）開發了高爐放散煤氣全量回收技術。首創“三級除塵+強制引射”的爐頂均壓煤氣全回收技術及休風放散煤氣安全高效全回收技術，開發了適用于煤氣回收的高效引射裝備，建立了基于時間模式和壓力模式的耦合平衡控制模型，實現了放散煤氣全回收，可以減少碳排放4.4kg/噸鐵，粉塵排放濃度≤5mg/Nm3。
本項目已獲授權專利109件；其中發明專利30件（國外4件）；編制國家標準6項、行業標準和團體標準各1項；發表論文58篇。經中國金屬學會科技成果評價，項目成果達到國際領先水平。多項核心技術入選工信部、中鋼協、金屬學會的推薦目錄，印尼喀鋼和馬來西亞東鋼項目獲央視專題報道，核心成果獲北京市科技獎一等獎、中冶集團科技獎一等獎。
四、應用情況與效果
本項目已經成功應用于河鋼唐鋼、天津榮程、興澄特鋼、印尼喀鋼、馬來西亞東鋼等國內外82座高爐，通過創新技術與先進理念的深度融合，為高爐綠色發展、低碳轉型及高效運用樹立工程典范，致力于推動煉鐵工藝邁向高效率、低成本與高質量的全新發展階段，創造了顯著的經濟效益和社會效益。
河鋼唐鋼新建3座2922m3高爐，應用了本項目開發的變錐度爐型等多項綠色低碳高效煉鐵技術，投產后各項指標先進，球團月度最高比例達到64%，煤氣利用率可達52%，高爐穩定順行，該項目先后榮獲國家優質工程金獎等多項榮譽。
本項目成功應用于印尼喀鋼和馬來西亞東鋼，為高質量共建“一帶一路”做出貢獻，提升了中國鋼鐵的國際影響力和競爭力，為推動經濟合作與發展貢獻了巨大力量。
主要完成單位：中冶京誠工程技術有限公司、唐山鋼鐵集團有限責任公司
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