【技术文摘】现代高炉实现低碳绿色炼铁的技术途径

（来源：中国炼铁网）

张福明

（首钢集团有限公司）

摘  要 现代高炉炼铁历经近200年的发展演化进程，实现了高炉大型化、高炉喷煤等重大关键技术突破，回顾分析了20年来我国高炉炼铁技术的发展成就和运行实绩。面向全球碳减排和碳中和的发展态势，炼铁工业和传统工艺必须最大限度减少对碳素能源的依赖，降低碳素消耗和CO2排放，这将成为至本世纪中叶的主要发展命题。研究认为，结合我国炼铁工业的资源和能源供给条件、技术装备和操作运行条件，到本世纪中叶我国高炉炼铁工艺流程仍将占有一定比率。面向未来，提出了焦化+烧结+球团+高炉长流程实现低碳冶金和碳-氢耦合冶金的技术路线和技术发展途径。针对高炉工艺革新和实现低碳、超低碳炼铁技术的发展提出了建议，指出了至2050年我国高炉炼铁技术的主要发展理念和技术途径。

关键词  低碳；炼铁；高炉；氢冶金；碳减排；绿色化

1  前言

2000年以来，我国钢铁工业发展迅猛，自主集成创新能力不断提升，在钢铁产量逐年增长的情况下，工艺技术装备大型化、现代化、高效化发展成就举世瞩目[1]。我国钢铁工业经历了高速发展、产能过剩、结构调整、供给侧结构性改革等几个重要的历史阶段。在以低碳绿色和生态文明可持续发展理念的指导下，高炉炼铁产业结构调整和流程优化取得了显著成就，在流程结构优化的前提下，高炉向大型化、现代化、高效化发展，结构调整成效显著[2]，以5000m3级高炉的设计、建造、运行为代表，我国高炉炼铁技术已跃进到国际先进行列[3-4]。

面向本世纪中叶的全球碳中和目标，低碳冶金、无碳冶金和氢冶金等新工艺不断涌现，技术发展日新月异。在全球范围内利用可再生能源制备出“绿氢”，应用于钢铁冶金工程，进而实现钢铁冶金的低碳化、脱碳化和无碳化，已经成为学术界一个热点研究的命题。2020年中国粗钢产量已达到10.65亿t，约占全球粗钢总产量的57%。长期以来，中国钢铁制造流程以高炉-转炉为主，长流程粗钢产量约占90%，吨钢CO2排放达到1.8~2.3 t/t，减少钢铁冶金过程化石质碳素消耗和CO2排放，必须在现有工艺流程上进行重构优化和技术再创新，赋予单元工序装置新的功能（赋能）进而实现功能优化和效率优化。

2  主要发展成就

2.1  技术装备大型化

进入21世纪以来，我国高炉炼铁技术取得了跨越式发展。生铁产量已稳居世界首位并逐年攀升，近年来生铁产量约占全球生铁总产量的50%甚至更高。高炉大型化、现代化、高效化技术装备升级成就突出，淘汰落后装备和产能、加大供给侧结构性改革成效显著。20年来，我国高炉数量由增到减，高炉平均容积不断扩大，单座高炉的生产效能稳定提升、发展态势值得期待。

进入21世纪20年来我国高炉技术装备大型化发展迅猛。2000年以后，我国高炉技术装备大型化取得飞跃发展，鞍钢、武钢、首钢迁钢、天钢、唐钢、邯钢、梅钢等一大批2500~3200m³级高炉相继建成投产；宝钢、太钢、马钢、鞍钢鲅鱼圈、首钢迁钢、本钢、安钢、包钢等一批4000m³级大型高炉也相继建成投产。值得指出的是5000m³级高炉的设计、建造和运行，已经成为本世纪以来我国炼铁工业最大的技术进步和发展成就，具有充分的代表性。2009年5月首钢京唐1号高炉建成投产[5]，标志着我国已经完全掌握了5000m³以上巨型高炉设计、建造和生产运行技术，我国已成为继日本、前苏联和德国之后，世界上第四个拥有5000m³以上巨型高炉的国家。紧随其后，沙钢5800m³高炉、京唐2号5500m³高炉、宝钢湛江2座5050m³高炉、山钢日照2座5100m³高炉、京唐3号5500m³高炉相继建成投产。这些巨型高炉是我国钢铁冶金工程科技的集成创新和综合国力的集中体现，我国已经是5000m³高炉数量仅次于日本（11座）世界排名第二的国家。实践表明，我国在4000m³以上大型高炉（运行25座，5000m³以上8座）的设计、建造和运行等方面，已经完全掌握了核心关键技术，全面实现了自主设计和技术装备国产化，并且在高炉煤气干法除尘、顶燃式热风炉利用低热值高炉煤气实现高风温等技术领域领跑国际。

面向未来，我国高炉炼铁技术进步和结构优化将进一步围绕高炉大型化、现代化、高效化、长寿化、绿色化、低碳化开展，坚持低碳绿色、智能高效的高质量发展理念[6]，到本世纪中叶成为世界领先的钢铁大国和钢铁强国。图1显示了我国钢铁产量的变化过程；图2为我国主要钢铁企业高炉炼铁主要技术经济指标的变化；表1是近年来中国钢铁协会重点钢铁企业高炉主要生产技术指标。

2.2  生产技术指标提升

近20年来，在我国钢铁产量快速增长的同时，通过工艺技术创新和装备技术进步，高炉主要技术经济指标不断得到改善和提升。高炉燃料比、焦比和煤比分别从2000年的547、429、118kg/t演变到2020年的529、355、148kg/t，燃料比、焦比相应下降了18、74kg/t，煤比提高了30kg/t；风温从2000年的1034℃提高到1115℃，提高了81℃；高炉利用系数、实物劳动生产率等指标不断优化，炼铁工序能耗、污染物排放等指标持续提升。21世纪以来，我国高炉技术装备大型化成就斐然，据不完全统计，到2020年2000m³以上的大型高炉已经达到90余座，其中5000m³以上巨型高炉8座，4000m³级特大型高炉18座，3000m³级高炉19座，2000m³级高炉48座，近期还将有一批搬迁新建和扩容大修的大型高炉建成投产。

近10年来，我国高炉技术经济指标不断改善，主要表现在：

（1）高炉平均利用系数稳定在2.5 t/(m³·d)以上，一批1000~2500m³高炉，利用系数达到了3.5 t/(m³·d)甚至更高，居国际领先水平；

（2）高炉燃料消耗呈现下降趋势，入炉焦比稳中有降，高炉煤比变化不大；

（3）高炉热风温度徘徊在1100~1150℃之间，近几年还有所波动、反复，未能持续稳定提升，与国际先进水平差距较大（国际先进水平为1250℃，相差约100℃）；

（4）高炉炼铁工序能耗变化平稳，2020年降低到385.2 kgce/t，但仍有一定下降空间；

（5）劳动生产率提高幅度较大，达到8500t/（人·年）以上，体现了高炉大型化、高效化的经济效应。

众所周知，高炉装备大型化和技术现代化，对于推动我国高炉炼铁产业创新和整体技术装备的提升，具有重大的现实意义和深远的战略意义，对于协调解决我国钢铁产业多层次、不均衡、不充分的发展问题和矛盾，发挥了无可替代的重要作用。毫无疑义，5000m³级超大型高炉的自主设计建造和生产运行，已成为中国钢铁工业迈向国际一流最具代表意义的产业创新和技术进步。

2.3  1000m³级高炉炼铁主要技术特点

值得关注的是，近年来我国一批1000~2000m³级高炉异军突起，技术进步成就突出。高炉利用系数有的高达3.5t/(m³·d)以上，甚至达到4.5t/(m³·d)以上。某民营钢厂的1080m³高炉日产量达到了4000 t/d，燃料比、焦比、煤比分别为526kg/t、361kg/t、150kg/t，风量为3000 Nm³/min，富氧率达到4.86%，风温为1140℃，炉顶压力达到215 kPa，煤气利用率达到50%，综合入炉矿品位达到57.75%。

这一级别高炉生产效率和消耗指标达到甚至超过了2000m³以上的大型高炉，无论是容积利用系数还是炉缸截面积利用系数，都要高于2000m³级大型高炉的平均先进水平。笔者通过实地调研和研究分析，发现我国一大批1000~2000m³高炉具有如下的技术特征：

（1）注重精料技术，不再简单追求购买低价铁矿粉获取暂时的经济收益，而是以高炉稳定顺行和高效低耗为关注点，在全流程层次降低生铁成本；高炉燃料比普遍为510~520kg/t，有的高炉燃料比甚至低于500kg/t，可与先进的大型高炉相媲美；

（2）采用富氧鼓风强化高炉冶炼，提高生产效率，有的高炉富氧率达到5%甚至更高，炉腹煤气量降低，高炉煤气还原势增加，高炉透气性改善，促进高炉顺行，实现了稳产高效（理论上富氧率提高1%，增产达4.76%）；

（3）具有足够的鼓风速度和鼓风动能，不少高炉的风速达到260m/s以上，有助于活跃炉缸工作，提高中心气流穿透性，从而改善炉缸透气性和透液性；

（4）增加风口数量。比同级别的传统高炉增加约2个风口，炉缸活跃性和工作均匀性增加，促使炉缸死焦柱始终保持动态变化之中，更新周期缩短、更新速率加快，有助于炉缸活跃，炉缸透气性和透液性改善，炉缸工作进程加快；

（5）从高炉设计和炉型特征上分析，由于高炉径向尺寸相对较小，圆周方向易于实现均匀化，直径方向易于调控，上升煤气和下降炉料之间的热量、动量和质量传输耦合效应较好。配合无料钟炉顶的炉料分布控制技术，炉料三维偏聚受到抑制，炉料透气性改善，有利于加快冶金进程，在获得高效生产的同时，燃料消耗也能保持较低水平；

（6）提高炉顶压力，高炉压差降低，有利于降低煤气表观流速，延长煤气停留时间，改进间接还原进程，高炉透气性得到改善，提高煤气利用率。有不少这一级别的高炉顶压达到200 kPa以上，有的高炉顶压达到或超过240 kPa以上，甚至高于3000m³级以上的高炉。

表2为部分1000~2000m³级高炉的主要生产技术指标举隅。

2  低碳冶金技术的发展趋势与工程理念

2.1  发展现状与趋势

在全球积极推进碳减排和碳中和的背景下，国内外为数众多的钢铁企业开始研究探索低碳冶金、超低碳冶金、非碳冶金或氢冶金的前沿技术课题。以日本、瑞典、德国、韩国等工业发达国家为代表，相继开展此项研发工作：有的是在原有高炉炼铁工艺的技术上进行改进创新，力图实现碳-氢耦合冶金（如日本COURSE50）；有的是创建全新工艺流程，以“绿氢”为能源，生产钢铁材料，完全摆脱碳冶金的技术路线；有的是在已有技术的基础上进行再创新，从传统的煤基碳素还原转变为气基氢还原或碳-氢耦合还原。我国宝武、河钢、酒钢、建龙等企业或研究机构，也相继开展了低碳冶金或氢冶金的试验探索和工程研究工作，氢-氧高炉、全氧高炉、焦炉煤气-合成气竖炉直接还原，甚至是基于Hismelt铁浴法的熔融还原工艺装置，都在开展工业化应用的前期试验或者已经实现工业化初步应用。

据有关机构测算，我国钢铁工业碳排放量约占碳排放总量的15%~18%，是制造业中碳排放量最高的行业。面对日益严峻的生态环境保护形势，钢铁工业面临着巨大的碳减排压力，迫切需要开发能够显著降低CO2排放的突破性低碳冶金技术，以满足碳达峰和碳中和的政策要求。与此同时，我国作为世界上最大的粗钢生产国和消费国，2020年粗钢产量达到10.65亿t，占全球粗钢产量的57%，碳排放量占全球钢铁碳排放总量60%以上，钢铁工业碳减排的重要性和急迫性刻不容缓。我国目前钢铁制造流程，仍是以高炉+转炉的传统“长流程”工艺结构占主导地位。2020年高炉生铁产量达到8.88亿t，转炉生产粗钢比率约占90%左右[7]；钢铁制造流程能源结构“高碳化”，煤和焦炭等碳素消耗占能源总量近90%。

全球范围内，目前已有许多国家和钢铁企业对低碳冶金技术，特别是氢冶金技术进行了战略布局，而且呈现出迅猛发展态势。我国应积极探索和统筹规划适合我国国情的低碳冶金和节能减排技术路线图，对未来技术研发方向和发展目标进行系统科学的战略谋划，面对世界百年未有之大变局，承担起钢铁大国的责任担当。

2.2  工程理念与方法论[8]

面向未来，以高炉为核心的炼铁系统协同优化和动态有序、协同连续、精准高效运行，是我国高炉炼铁技术的发展重点。必须加强现代大型高炉以稳定顺行为基础的工程运行理念，建立系统性、全局性的工程思维模式，不片面追求所谓的“低成本”和个别技术指标的“领先”，摈弃不讲客观、不论条件的盲目攀比。

遵循钢铁冶金制造流程的基本规律，科学认识高炉冶炼过程的动态运行规律，不断总结提升，加强知识管理，做好卓越炼铁工程师的培养，造就基础扎实、经验丰富、视野开阔的领军人才，形成具有企业特色的现代化大型高炉炼铁生产、管理的工程思维和工程理念。到本世纪中叶，高炉低碳炼铁的主要技术路径应当包括：

（1）在常规高炉使用固体碳素燃料（焦炭+煤粉）的条件下，降低碳素燃料消耗是减少CO2排放最直接、最有效的技术措施。因此，到2030年前后，我国高炉燃料比应普遍降低到520kg/t以下（达标水准）；一大批装备精良的高炉燃料比应低于500kg/t（平均先进水平）；部分先进高炉应将燃料比降低到480kg/t以下（低碳）；领先高炉燃料比应降低到470kg/t甚至更低（超低碳）。

（2）进一步加强精料技术研究，探索并构建以球团矿为主的新型或新一代炉料结构，降低铁前工序和炼铁全流程的碳素消耗和污染物排放；

（3）继续推进高风温、富氧喷煤等关键共性技术的再创新，进一步降低高炉碳素燃料消耗，减少CO2排放；积极采用富氢燃料喷吹、炉顶煤气循环/喷吹、高富氧冶炼、H2-CO耦合还原、CO2脱除再利用（CCUS）等新兴技术，在现有技术基础上，通过高炉炼铁关键技术突破，赋予高炉炼铁新的生命力；

（4）加强现代大型高炉操作规律的研究，建立动态有序、协同连续、精准高效的现代高炉运行理念，以高炉生产长期稳定顺行为基础，不断改善、优化、提升大型高炉的操控水平，建立铁前工序信息物理系统（CPS）和数字化协同管控；实现料场、烧结、球团、焦化、高炉等多工序智能化协同和集成控制，提高全流程生产效能、实现节能减排；构建料场、烧结、球团、焦化、高炉炼铁系统一体化集成智能管控平台着重解决不同工序的界面技术优化，实现全流程的智能化动态管控；

（5）进一步加强高炉运行过程的炉体维护，采取有效技术措施延长高炉寿命，为高炉高效长寿、安全稳定运行奠定技术基础，不断稳定并提高铁前工序的设备服役稳定性和寿命周期，将成为未来高炉炼铁流程的本构优势；

（6）发挥既有资源优势，开展低碳绿色炼铁新技术的探索研究。依托国内、国外两种资源，结合我国铁矿粉加工制备工艺特点，开发新型炉料技术研究。开发应用低硅球团矿或低硅烧结矿，使高炉渣量降低到200~300kg/t，燃料比降低到470~500kg/t，进而可以实现CO2排放减少20%以上。

3  低碳绿色炼铁关键技术途径

高炉炼铁是利用天然铁矿石和煤炭，经过加工处理以后，作为高炉入炉原料（烧结矿、球团矿等）和燃料（焦炭、煤粉），经过一系列复杂的物理化学冶金过程，从而生产出高温液态生铁的过程。高炉的工艺特征是以天然矿物和化石质碳素燃料（煤炭、焦炭、天然气等）为物质基础的高温冶金过程（＞1000℃）。现代高炉炼铁肇始于第一次工业革命以后，1852年英国人尼尔森发明了热风炼铁工艺，从此现代高炉炼铁工艺流程渐趋形成，至今仍在不断发展演进。在当下全球范围碳达峰和碳中和的背景下，高炉工艺技术的出路何在？显而易见，彻底淘汰高炉炼铁工艺既不现实也客观。因此，实施减量化发展战略，降低生铁产量，控制合理的产能规模，最大限度利用自然赋存的低品质资源和能源（铁矿石和煤炭），实现资源和能源的高效化利用，是现在和未来高炉炼铁工艺的生存和发展的基础。

3.1  采用高效低碳造块工艺优化炉料结构

（1）结合我国资源条件提高球团矿入炉比率

充分利用我国天然铁矿石资源，基于细磨精铁粉研发新型高炉炉料。根据我国铁矿石资源储量大、分布广泛、丰度低、天然富矿资源匮乏的资源禀赋条件，将磁铁矿进行细磨精选，提高精矿粉品位，降低精矿粉中SiO2及伴生有害元素（K、Na、Zn、Sb）的含量，制备高品质球团矿，提高球团矿入炉比率。

长期以来，由于资源禀赋和技术发展等诸多原因，我国高炉炉料结构主要以高碱度烧结矿为主，球团矿平均入炉比率不足15%。球团工序能耗显著低于烧结工序，球团工艺吨矿的CO2排放约为烧结的37%。球团矿可以降低硅含量（SiO2质量分数可降低到2.0%以下），烧结矿中SiO2最低质量百分数约为5%，提高球团矿入炉比率，高炉燃料消耗和CO2排放都将明显降低。理论计算和实践均表明，炉料结构为100%球团矿冶炼时，比采用100%烧结矿冶炼，CO2排放可降低11.5%以上。

以某钢铁企业为例，已建成并运行3台504m²带式焙烧机球团生产线，利用钢铁厂自产富氢焦炉煤气（H2体积百分数＞50%），每年生产优质球团（TFe＞65%）1200万t/a。比对实测表明，每吨球团矿比烧结矿可减少CO2排放约115 kg，相应降低幅度为66%。该企业3座5500m³高炉运行，目前球团入炉比率为55%，高炉燃料比为490kg/t,，综合入炉品位为61.5%，高炉工序能耗是370kg/t，渣量为215kg/t。2020年全国高炉平均球团矿入炉比率约为18%，平均燃料比为538kg/t，综合入炉品位为56.86%，工序能耗为385.17kgce/t，渣量为376kg/t。该企业3座大型高炉操作指标处于全国领先行列，与全国平均水平相比吨铁降低CO2排放150kg/t，相应降低9%。由于高炉入炉品位提高，高炉操作指标改善、燃料消耗下降，相应提高球团矿入炉比率1%，折算吨钢可以降低CO2排放约为0.25%~0.3%。

（2）低品质铁矿石资源高效利用工艺

利用低品质矿石资源，铁矿粉造块要实现“粗粮细作”、“提质增效”，合理选择铁矿粉造块工艺，通过工艺创新和研发，制备适用于低品质矿石资源实现高效化的烧结工艺。如日本研发出的嵌入式烧结技术（MEBIOS）、超级烧结矿技术（SUPER-SINTER）等，旨在低品质资源实现高值转化和高效利用，以摆脱对优质铁矿石资源的依赖[9]。

据国家海关总署数据统计，2020年1~12月我国累计进口铁矿砂及其精矿11.7亿t，同比增长9.5%，全年进口平均价格101.7美元/t，是2014年以来的最高值。据统计，目前我国铁矿石对外依存度高达80%以上。CIOPI铁矿石（TFe=62%）指数价格从2020年底100美元/t左右，上涨至近期高点的230美元/t以上，涨幅高达130%以上，进口铁矿石“量价双高”、均创下近年最高记录。

（3）嵌入式烧结技术（MEBIOS）的创新应用

日本最初研究该项技术主要是针对褐铁矿和低品质的马拉曼巴矿，目的在于实现低品质矿产资源的高效化利用，进而实现资源“减量化”，旨在摆脱现代铁矿粉造块工艺对高品质资源的依赖。

基于嵌入式烧结工艺原理，我国研发出大粒度烧结返矿单独配加工艺，在首钢京唐、迁钢取得较好应用效果，烧结利用系数提高了0.14t/(h·m²)，提高幅度达10%，实现了二次资源的高质转化利用[10]。未来烧结工艺的改善重点是要降低工序能耗、提高烧结矿成品率、降低烧结返矿、降低漏风率等，这不仅是提高生产效能的重要技术措施，更是减少碳素消耗实现CO2减排的重要途径。

（4）超级烧结矿（SUPER SINTER）生产技术的应用

日本是个资源和能源均十分匮乏的岛国，但在钢铁冶金工艺技术创新方面，研究开发了很多结合其国情且具有实用性的工艺技术。日本最早研发烧结过程中采用喷吹天然气工艺，其目的是为了降低固体燃料消耗，改善料层传热机制，进而还可以降低烟气中有害物质的排放。这项技术近年来在我国许多企业得到应用，梅钢、马钢结合企业条件在烧结料面喷吹焦炉煤气，首钢在烧结料面喷吹蒸汽，中天钢铁在烧结料面喷吹天然气。生产实践证实，在烧结料面喷吹含氢或富氢气体燃料，对于降低固体碳素燃料消耗，改善烧结料层传热过程，抑制CO和二噁英等污染区的大量生成，具有积极作用。

（5）复合铁酸钙（SFCA）的生成与控制

复合铁酸钙（SFCA）具有优异的粘接性、强度和还原性，是现代高碱度烧结矿的主要生成相（30%~50%）。SFCA的生成既与烧结矿成分有关，还与烧结温度密切相关。控制烧结料层的最高温度及合适的温度区间对烧结生产和烧结矿质量至关重要。

料层温度高于1200℃，会促进复合铁酸钙(SFCA)的形成；超过1400℃，SFCA又会分解成为玻璃相硅酸盐；保持1200~1400℃的温度时间可有效控制SFCA组织的形成，提高烧结矿的强度和还原性。为了控制合理的烧结温度，梅钢采用焦炉煤气强化烧结技术，对改善烧结矿质量及相关经济技术指标有积极作用：烧结过程均匀性得到改善，烧结矿转鼓指数、平均粒径、还原指数，以及固体消耗、综合成品率等指标有较大幅度改善。固体燃料消耗降低，减少CO2排放。梅钢3号烧结机喷吹焦炉煤气量2~3m³/t，降低CO2排放约2.4万t/a，低碳环保效益明显[11]。

（6）烧结机热风循环工艺的研发应用

实现能源有效回收利用，将低品质余热实现工序内的循环利用，降低能源消耗。改善表层烧结矿质量的最佳烟气循环面积，约占烧结机的20%~35%；降低烟气排放总量和空气消耗量，固体燃料消耗降低3.35kg/t，减少污染物排放20%以上，减少小粒度返矿6.6%，有利于提高烧结矿质量，提高烧结矿成品率[12]。

3.2  烧结过程富氢气体燃料喷吹技术

面向未来，烧结点火、料面喷吹均采用富氢气体，加之烧结过程余热的高效循环利用（烧结烟气双循环），对于降低碳素燃料消耗和CO2排放的作用不容小觑。日本京滨1号烧结机天然气喷吹量为0.8~1.6m³/t，降低固体燃料消耗约2~3kg/t，烧结工序的能源利用率大幅提升，减排CO2约6万t/a；气体燃料燃烧热量约占20%~30%，SFCA生成有所增加，烟气中CO2、NOx和CO的排放有所降低。

烧结过程在料面喷吹天然气或焦炉煤气，可以有效降低固体燃料消耗，改善料层传热机制，提高成品率、降低小粒度烧结矿比率，进而还可以降低烟气中CO等有害物质的排放。目前铁前工序的CO2排放约占全流程的80%，其中每吨烧结矿碳素固体燃料消耗约为50~60kg/t，CO2排放约为150~170kg/t，所以降低烧结工序的碳素燃料消耗对降低碳排放意义重大。当前国内不少烧结机正在开展“烧结烟气双循环”和烧结料面喷吹天然气（或焦炉煤气）的技术升级改造。根据测算，烧结实现烟气高效循环利用和“热风烧结”，固体碳素燃料消耗可降低约2kg/t；喷吹天然气可降低固体碳素燃料约2.5kg/t，两项技术集成应用可以降低碳素固体燃料消耗约4.5kg/t。因此如果烧结实现烟气循环和喷吹天然气技术，每吨烧结矿的CO2排放可降低约12kg/t，因此建议有条件的企业要加快推进烧结工序节能减排工艺系统改造。

3.3  稳定提高风温，提高鼓风富氧，降低炉腹煤气量

高风温是现代高炉冶炼的热能基础，高炉高炉鼓风所带入的物理热从某种意义上讲，是一种“清洁低碳能源”，是回收利用高炉冶金过程伴生煤气而获得的高温热能。现代高炉鼓风所带入的物理热一般占能量输入的18%~25%，是高炉冶金过程“三传一反”的热力学基础，也是冶金过程基元反应的重要热量来源。

提高风温的现实意义在于：有效降低碳素消耗和碳排放、维持合理的理论燃烧温度、为风口喷吹燃料提供能量基础和保障。现代高炉风温应达到1200℃以上，有条件的要达到1250℃，技术装备领先的高炉要力争达到1280±20℃[13]。

面向未来，随着可再生能源发电技术的推广应用，我国电力结构将发生根本性转变（目前煤基火力发电约占70%以上）。提高富氧率、降低吨铁鼓风量（＜800m³/t）将成为可能，也将成为未来高炉实现低碳冶炼的一个重要途径。高风温与高富氧技术耦合匹配，是未来高炉大量喷吹富氢(氢基)燃料的重要基础，无论高炉喷吹天然气、焦炉煤气还是“电解制备的绿氢”，高风温和富氧则是不可或缺的重要支撑技术。

应当指出并值得重点关注的是，高炉透气性将是未来高炉超高强度和超低碳冶炼的重要制约环节。在极低焦炭消耗的条件下，改善高炉透气性将成为高炉炼铁技术发展最重要的研究课题。

3.4  高炉喷吹富氢气体燃料

结合未来能源供给条件，具备良好能源基础和技术基础的企业，在可以在高炉上开展喷吹天然气（或焦炉煤气）工业性试验及应用。理论研究和生产实践表明，通过高炉风口向高炉喷吹天然气，有利于提高高炉产量和降低燃料比。俄罗斯和美国等天然气资源充沛的国家，高炉从20世纪70年代起就开始喷吹天然气，取得了提高产量、降低焦比和燃料比的生产效果。高炉喷吹天然气技术较为成熟，2019年美国安塞洛米塔尔公司印第安纳港厂7号高炉（4800m³）天然气喷吹量为50kg/t，高炉燃料比480kg/t。根据理论推算，高炉喷吹1m³天然气可替代1.25kg碳素。天然气富含甲烷和氢，高炉喷吹以后甲烷在高温条件下经过裂解变成H2和CO，可以提高炉腹煤气中H2和CO体积百分数，提高高炉煤气还原势。在高风温（1200~1250℃）的基础上，匹配富氧鼓风，通过提高富氧率，可以保持合理的风口理论燃烧温度、降低炉腹煤气量，进而促进间接还原、降低碳素燃料消耗，在现有基础上进一步降低CO2排放。因此，常规高炉喷吹富氢/含氢气基燃料（还原剂）是长流程钢铁工艺开展氢冶金的有效途径之一。

以5500m³高炉为例，根据理论计算，喷吹天然气30kg/t，高炉每天需要412.5t/d天然气（按高炉利用系数2.5t/（m³·d）、日产量13750t/d测算），折合53万m³/d。由于固体碳素燃料消耗的降低，理论计算吨铁可降低CO2排放约33~36kg/t，高炉预计每年可减排CO2约为14.5万t/a。如果喷吹焦炉煤气，由于H2的体积百分数更高（＞50%），理论上CO2的减排效果会更加显著。

因此，有条件的高炉喷吹天然气、焦炉煤气等氢基燃料，是减少碳素燃料消耗和CO2排放的一个新的技术途径。在当前技术条件下，“绿氢”的大量制备和使用仍处于研究探索阶段，规模化、商业化的应用还有待时日，与此同时经济性也需要结合碳减排政策制度量力而行，不可一哄而上。

3.5  高炉炉顶煤气循环技术

高炉炉顶煤气中，CO和H2的体积分数分别约为20%~28%和1%~6%，高炉煤气低发热值约为3000~3300kJ/m³。传统工艺中一般将高炉煤气作为气体燃料使用，主要用于热风炉、焦炉、CCPP、发电机组的燃烧，因此煤气中的CO经过燃烧后，最终生成CO2排放。高炉煤气顶气脱除CO2（体积分数约为18%~23%）以后，不仅可以实现CO2的分离捕集（CCS），还提高了炉顶煤气的热值。因此俄罗斯和日本将炉顶煤气脱除CO2以后再经过风口或炉身喷口喷入高炉，实现顶气的循环再利用。这种顶气脱除CO2再循环工艺，在气基竖炉直接还原工艺中（如HYL-ZR和Midrex等）已广泛应用，属于成熟可靠技术，只不过气基竖炉的顶压比高炉更高（约为0.5~0.6MPa）。

对于喷吹富氢燃料和高富氧的高炉，由于炉腹煤气量的大幅度降低，风口前理论燃烧温度又不可能大幅度提高，加之H2还原FeO的过程为吸热反应（见式1），因此高炉“三传一反”冶金过程将可能会出现供热不足的情况，因此从炉身喷吹炉顶循环煤气，其技术本质就是实现碳-氢耦合冶金，因为CO还原FeO的过程是放热反应（见式2），这样可以把传热、传质和动量传输的“三传过程”，在新的炉料结构和燃料结构条件下，建立起新的动态耗散结构，并实现过程优化，达到铁素物质流、碳素能量流、氢素能量流和热量的动态耦合和协同运行。

3.6  提高炉顶压力

提高炉顶压力实质上是压缩了煤气体积、降低了煤气流速、延长了煤气在高炉内的停留时间，进而改善间接还原动力学条件，从而有助于煤气和铁矿石之间的气-固反应，增强了煤气的扩散、穿透能力，强化了煤气吸附、界面反应等还原过程。在宏观上提高顶压可以有效提高高炉透气性，促进高炉稳定顺行。近年来，我国高炉顶压提高幅度较大，一些先进高炉的顶压已经达到280 kPa、接近300 kPa，有效提高了煤气利用率、降低了燃料消耗。图4和图5是2020年全国300余座高炉炉顶压力和煤气利用率及燃料消耗的关系。

4  结语

（1）进入新世纪以来，我国钢铁工业通过搬迁结构调整、工艺技术升级、现代化装备改造，在技术装备大型化、现代化方面取得了长足进步、成就显著，基于新一代可循环钢铁制造流程运行取得初步成效。在特大型高炉自主设计建造、大型炼铁装备技术自主研发、高炉建造和高炉稳定运行等方面，经过近10年的探索，已经取得初步成功。

（2）近年来，我国高炉炼铁在发展球团技术、提高生产效率、提高富氧喷煤以及1000m³级高炉高效低耗冶炼方面取得长足进步，甚至引领国际发展。一些特大型高炉强化冶炼的工艺技术在1000m³级高炉上得到推广应用，取得了令人瞩目的运行实绩。

（3）在高炉强化冶炼条件下，我国高炉在铜冷却壁应用与维护、高炉炉缸炉底长寿、智能化控制、进一步降低低碳排放等方面还有许多需要持续攻关解决的难题。高炉生产稳定顺行、延长高炉和热风炉使用寿命、提高全系统安全运行保障还需要持续改进和提升。

（4）面向未来，应进一步树立建立以高炉稳定顺行为核心的动态运行工程理念，继续加强精料、高风温、富氧喷煤、高炉长寿、提高顶压和全流程智能化研究，积极采用新技术和氢基冶金等先进工艺，依托国内既有资源优势，开发新型炉料结构，不断优化炉料结构提质增效，大力开展绿色低碳炼铁技术的探索和研究。

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