陶海銀
日前，由中冶賽迪設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)的河北縱橫集團(tuán)豐南鋼鐵有限公司2座2300立方米高效還原3R（減量化、再利用和再循環(huán)）碳?xì)涓郀t經(jīng)過1年的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生態(tài)效益：相較于同等規(guī)模的傳統(tǒng)高爐，固體燃料消耗下降20千克/噸鐵水~30千克/噸鐵水，碳?xì)浠旌厦簹庵脫Q比達(dá)0.50千克/標(biāo)準(zhǔn)立方米~0.57千克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，實(shí)現(xiàn)高爐減碳5%~10%，冶煉成本降低10元/噸鐵水~30元/噸鐵水。
得益于該技術(shù)實(shí)施的良好效果，今年7月份，縱橫集團(tuán)另外2座2000立方米級(jí)高爐開始建設(shè)，遠(yuǎn)在1000公里以外的華東某千萬噸級(jí)鋼鐵企業(yè)，3座2000立方米級(jí)大型碳?xì)涓郀t也已破土動(dòng)工。
針對(duì)我國鋼鐵行業(yè)90%為高爐—轉(zhuǎn)爐長流程，且降低高爐碳素消耗一直是困擾鋼鐵行業(yè)的世界性難題這一實(shí)際，中冶賽迪在低碳冶煉工藝領(lǐng)域大膽創(chuàng)新，經(jīng)過多年研究攻關(guān)，成功打造了適合我國國情且兼具減碳與經(jīng)濟(jì)性的碳?xì)涓郀t技術(shù)路線，為規(guī)模化大型高爐實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定減碳提供了新路徑和新動(dòng)能。
突破碳?xì)漶詈显鰪?qiáng)還原理論研究
取得效率和效益的重大突破
2023年底，中冶賽迪與縱橫集團(tuán)共同打造的全球首例大型碳?xì)涓郀t示范項(xiàng)目成功投運(yùn)，標(biāo)志著大型高爐大幅減碳的低碳冶煉新工藝正式邁入工業(yè)化應(yīng)用階段。
中冶賽迪在低碳煉鐵領(lǐng)域長期探索，掌握了氫氣與一氧化碳在高爐內(nèi)的協(xié)同行為，形成碳?xì)漶詈显鰪?qiáng)還原理論。相較于一氧化碳，氫氣具有更強(qiáng)的擴(kuò)散能力，以使氫氣能夠促進(jìn)鐵礦石還原后期或難還原礦石的還原，同時(shí)富氫煤氣進(jìn)入高爐后促使?fàn)t內(nèi)煤氣流的還原勢(shì)大幅增強(qiáng)，有助于發(fā)展間接還原、降低直接還原，從而減少固體碳素消耗。但氫還原過程為吸熱反應(yīng)，大量氫氣還原鐵礦石過程將導(dǎo)致礦石周圍反應(yīng)溫度急劇降低，進(jìn)而改變爐內(nèi)溫度分布狀態(tài)。高爐內(nèi)合理的氫氣濃度對(duì)于高爐穩(wěn)定順行至關(guān)重要。
中冶賽迪攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從煉鐵基礎(chǔ)理論、氣固兩相流出發(fā)，在鐵氧化物高效還原、低碳高爐操作等方面開展了大量理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，獲得了高爐冶煉過程中爐內(nèi)最佳氫氣濃度，進(jìn)而得到富氫氣煤氣與富一氧化碳煤氣的最佳配比，并提出將富氫氣煤氣、富一氧化碳煤氣按特定比例混合后經(jīng)噴吹系統(tǒng)噴入高爐的碳?xì)涓郀t技術(shù)。
其間，中冶賽迪聯(lián)合縱橫集團(tuán)在鋼廠分別投運(yùn)了焦?fàn)t煤氣噴吹和碳?xì)浠旌厦簹鈬姶祪煞N低碳冶煉模式。實(shí)踐表明，混合煤氣置換固體燃料的能力較焦?fàn)t煤氣更強(qiáng)，體現(xiàn)出碳?xì)漶詈显鰪?qiáng)還原特性。
安全可靠的設(shè)備與數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，解決了低碳高爐穩(wěn)定順行的世界性難題
中冶賽迪3R碳?xì)涓郀t技術(shù)除依托碳?xì)漶詈显鰪?qiáng)還原理論外，還搭載了煤氣加壓與深度脫碳、煤氣與煤粉協(xié)同噴吹、爐況智能調(diào)控等多項(xiàng)新技術(shù)，保障了碳?xì)涓郀t穩(wěn)定順行。
中冶賽迪攻關(guān)團(tuán)隊(duì)基于煤氣脫除二氧化碳的理論分析、性能評(píng)估及經(jīng)濟(jì)測(cè)算，提出了滿足高爐生產(chǎn)冶煉的高效低成本煤氣脫碳系統(tǒng)，煤氣經(jīng)脫碳處理后滿足高爐循環(huán)噴吹的冶煉要求，并成功攻克了碳循環(huán)造成的煤氣處理與爐況調(diào)節(jié)相互干擾從而影響高爐長期穩(wěn)定順行的世界性難題。
另外，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)通過大量實(shí)驗(yàn)與仿真模擬研究，揭示了煤氣與煤粉的協(xié)同燃燒機(jī)制，針對(duì)煤氣噴吹工況設(shè)計(jì)了全新噴吹系統(tǒng)和煤氣噴槍，不僅有效提升了煤粉燃燒效率，還降低了煤氣與煤粉協(xié)同燃燒時(shí)的相互干擾，保障了高爐爐況穩(wěn)定、送風(fēng)系統(tǒng)與噴吹系統(tǒng)的安全可靠。新煤氣噴槍可安全、穩(wěn)定地連續(xù)生產(chǎn)超4個(gè)月。
針對(duì)高爐冶煉、煤氣處理、煤氣噴吹等工藝設(shè)備產(chǎn)生的大量操作參數(shù)，該團(tuán)隊(duì)搭建了低碳高爐大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有操作數(shù)據(jù)的管控，并研發(fā)了基于AI（人工智能）控制的多介質(zhì)噴出模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)富氫低碳冶煉的穩(wěn)定操作。在這些技術(shù)的加持下，3R碳?xì)漭^同時(shí)期具有相同爐料結(jié)構(gòu)的常規(guī)高爐，具有更強(qiáng)的抗原燃料波動(dòng)的能力，高爐爐況更穩(wěn)定。
實(shí)現(xiàn)鋼產(chǎn)副廠煤氣循環(huán)利用
構(gòu)建長流程鋼廠低碳冶煉新模式
從高爐—轉(zhuǎn)爐冶煉流程來看，在生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品的同時(shí)將產(chǎn)生大量副產(chǎn)煤氣。在當(dāng)前冶煉模式下，這些副產(chǎn)煤氣主要被用于燃燒加熱和燃燒發(fā)電。煤氣燃燒存在兩個(gè)主要問題：一是用于燃燒的煤氣僅利用了煤氣的熱值，未利用煤氣的化學(xué)還原功能；二是煤氣用于發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化效率較低，當(dāng)前最先進(jìn)的煤氣發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)化效率也僅有40%左右。
中冶賽迪經(jīng)對(duì)鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)煤氣平衡計(jì)算與系統(tǒng)分析，提出應(yīng)逐漸減少副產(chǎn)煤氣作為發(fā)熱劑用于燃燒，而是盡量將煤氣用作還原劑，以替代部分高爐冶煉消耗的固體碳素，從源頭降低鋼鐵冶煉全流程的碳素消耗。基于此，中冶賽迪在行業(yè)內(nèi)首次提出高爐—焦?fàn)t—轉(zhuǎn)爐進(jìn)行聯(lián)合碳?xì)溲h(huán)的新工藝流程，實(shí)現(xiàn)從高爐工序碳循環(huán)向流程碳循環(huán)的轉(zhuǎn)變，為長流程低碳冶煉提供新模式。
3R碳?xì)涓郀t技術(shù)是一次鋼鐵長流程穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)減碳的有益探索，其工業(yè)應(yīng)用表明了傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)具備深度減碳的能力。中冶賽迪將繼續(xù)踐行“雙碳”目標(biāo)，聚焦高爐綠色低碳冶煉，基于3R碳?xì)涓郀t技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐副產(chǎn)煤氣的高效利用技術(shù)和核心裝備，打造Super 3R碳?xì)涓郀t，從源頭實(shí)現(xiàn)高爐大幅度減碳和超低碳排放冶煉，為鋼鐵工業(yè)以高質(zhì)量發(fā)展推進(jìn)中國式現(xiàn)代化貢獻(xiàn)力量。
