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喷吹富氢气体高炉冶炼特点及存在问题的探讨 张淑会1，武校章1，刘然1，兰臣臣1，么洪勇2，纪恒2 (1. 华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210；2. 河钢材料技术研究院， 河北 石家庄 050023) 01 摘 要
高炉炼铁工序能耗高、CO2排放量大，是钢铁行业节能减排的重点。面对日益严重的能源危机和环境问题，实现高炉冶炼过程的碳减排已经成为人们的共识。在上述背景下，高炉喷吹富氢气体冶炼技术得到了冶金工作者的广泛关注，该技术的主旨在于以氢代碳、降低高炉内碳素还原剂的消耗，实现高炉CO2的减排。基于富氢气体在风口前燃烧的热力学分析，系统讨论了喷吹富氢气体高炉的冶炼特点、存在的问题及解决措施，并对今后的研究工作进行了展望。结果认为，与传统高炉冶炼相比，喷吹富氢气体高炉的冶炼特点发生了显著变化，富氢气体可以促进铁矿石的还原，降低初渣中FeO含量，渣量降低且熔点升高，软熔带压差降低，透气性改善；喷吹富氢气体容易使高炉下部温度降低，气流向中心发展，促进块状带焦炭的气化反应，并影响高温区焦炭和渣铁的接触特征。喷吹富氢气体高炉在发挥氢还原优势的同时，容易出现下部热量不足、煤粉燃烧率降低、铁矿石粉化严重等问题。对于喷吹富氢气体高炉的冶炼过程，建议加强煤气富氢量、金属铁渗碳和焦炭性能三者间相互影响的机理研究,并探索合理的操作炉型，开发适用于喷吹富氢气体高炉冶炼的原燃料条件，同时加快富氢气体运输、储存和喷吹设备的研发，以促进喷吹富氢气体高炉冶炼技术的工业实施。 02 关 键 词
富氢气体喷吹； 高炉冶炼； 铁矿石还原； 理论燃烧温度； 焦炭 03 引 言
钢铁行业是国民经济的支柱产业，据统计，2022年中国粗钢产量为10.18亿t，约占全球粗钢产量的1/2以上。目前中国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，其原燃料消耗量大。特别是高炉工序主要以焦炭和煤粉等化石燃料作为能源，燃料消耗及CO2的排放量巨大。CO2排放带来的温室效应是引起气候恶化的主要原因之一。为了应对环境变化，响应国际发展趋势，2020年中国提出了“碳达峰”和“碳中和”的发展目标。但目前中国的碳排放仍然趋于上升趋势，国内各行业只有努力寻找低碳减排的措施，才能实现自身的可持续发展。对于高炉工序，寻找绿色可替代燃料来降低化石燃料的用量是其实现减排的主要途径。 氢气具有分子量小、反应快的特点，是冶金、化工和材料制备过程中使用的优质还原剂，且氢气还原铁矿石产生水，不会产生环境污染，结合高炉冶炼的特点将氢气或富氢气体喷吹高炉可以发挥氢还原的优势，降低碳素还原剂的消耗，实现高炉低碳冶炼。目前，可用于高炉喷吹的富氢气体主要包括焦炉煤气、天然气、氢气等以及其他含氢气体。日本COURSE50项目通过高炉富氢还原等技术计划将高炉CO2排放量减少30%。德国蒂森克虏伯氢还原炼铁计划降低钢铁生产中20%的CO2排放。中国宝武以富氢碳循环高炉为核心的低碳工艺路径可有效减少CO2的排放。山西晋南钢铁2座1 860 m3高炉完成了风口喷吹富氢气体的工业实践，高炉CO2排放降低了5.6%，取得了较好的减碳效果。在国家“双碳”背景下，2019年3月河钢集团与中国工程院战略咨询中心等单位联合组建了“氢能技术与产业创新中心”，以打造氢能应用研究平台，重点在氢气存储与运输、富氢冶金技术等领域开展研究。上述事实表明，国内外科研和生产人员已充分认识到发展高炉富氢气体喷吹冶炼技术的必要性和应用价值。基于此，本文对富氢气体在高炉风口前的燃烧行为进行了热力学分析，围绕铁矿石的间接还原、初渣成分和透气性、焦炭性能变化等方面综述了喷吹富氢气体高炉的冶炼特点，探讨了其在现阶段存在的问题及解决途径，并对今后的研究工作进行了展望。 04 精 选 图 表
05 结论与展望
在国家“双碳”战略目标和背景下，利用绿色氢能进行冶炼已经成为钢铁行业节能减排的重要研发方向。其中，高炉喷吹富氢气体旨在发挥氢还原铁矿石的优势作用，以氢代碳，实现高炉冶炼的节能减排。富氢气体在高炉风口前燃烧主要生成H2和CO气体，增加体系的还原势，并使炉缸理论燃烧温度和炉腹煤气量发生变化，由此对高炉冶炼过程产生一系列影响。高炉喷吹富氢气体时容易出现热量不足、煤粉燃烧率降低等问题，这可以通过提高富氧率和风温、选择合理的喷吹方式和喷吹位置加以解决。基于上述分析，笔者认为喷吹富氢气体高炉应在以下几方面继续开展研究工作。 1)加强喷吹富氢气体高炉高温区域的基础理论研究，尤其是煤气富氢量、铁矿石的还原、金属铁渗碳和焦炭性能的对应关系，以及富氢后高熔点矿渣和铁对炉缸区域工作状态的影响特征。 2)加强富氢气体喷吹量、富氧率、风温、焦比等高炉操作参数的协同匹配研究，寻找适宜的炉缸工作状态，掌握气流运行和分布特征，探索适宜富氢气体喷吹的操作炉型。 3)探索和富氢气体喷吹高炉冶炼相匹配的原燃料条件。提高铁矿石的低温还原粉化性能、开发适用于富氢气体喷吹的炉料结构；建立焦炭质量和富氢气体喷吹量间的匹配关系，为高富氢冶炼焦炭的选择提供指导。
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