2020–09–22，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。隨后，中國(guó)積極推進(jìn)制定行動(dòng)方案并已開始采取具體措施，確保實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。鋼鐵工業(yè)是碳排放大戶，全球鋼鐵碳排放量占能源系統(tǒng)排放量的7%左右，我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放量占全社會(huì)碳排放總量的15%左右，是制造業(yè)31個(gè)門類中碳排放量最大行業(yè)。因此，低碳發(fā)展將為鋼鐵行業(yè)帶來(lái)廣泛而深刻的生產(chǎn)、消費(fèi)、能源和技術(shù)革命，重塑全行業(yè)乃至經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展格局。

我國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展必須準(zhǔn)確把握高質(zhì)量發(fā)展的深刻內(nèi)涵，主動(dòng)突破現(xiàn)有瓶頸，加快推動(dòng)低碳發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)。2022年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量101796萬(wàn)t、生鐵產(chǎn)量86383萬(wàn)t，高爐煉鐵工序碳排放量占鋼鐵全流程總碳排放量的73.6%，加上相關(guān)聯(lián)的燒結(jié)及焦化，鐵前全工序碳排放占比90%左右[1]，即我國(guó)高爐煉鐵全流程產(chǎn)生的碳排放約占全國(guó)碳排放總量13.5%。因此，分析煉鐵工序的碳減排路徑，解決以高爐為中心的生鐵冶煉流程碳排放問(wèn)題，提高煉鐵工序碳利用效率是整個(gè)鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展的核心，對(duì)推進(jìn)鋼鐵全流程降碳、實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展具有重大意義[2]。

1.   高爐煉鐵碳生產(chǎn)率評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

碳生產(chǎn)率（Carbon productivity）是指單位二氧化碳的GDP產(chǎn)出水平，又可稱為“碳均GDP”，是兼顧碳減排和經(jīng)濟(jì)效益的綜合指標(biāo)，符合2030年碳達(dá)峰階段“低碳和經(jīng)濟(jì)發(fā)展雙重點(diǎn)”的政策要求。高爐煉鐵低碳發(fā)展思想應(yīng)以提高碳生產(chǎn)率為核心，即在高爐煉鐵工序?qū)崿F(xiàn)以較低碳素消耗為代價(jià)創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益。需要指出的是，由于煉鋼生鐵是鋼鐵冶煉過(guò)程的中間產(chǎn)品，其銷售價(jià)格更大程度是受下游煉鋼和鋼材需求市場(chǎng)決定，生鐵冶煉過(guò)程創(chuàng)造的GDP難以準(zhǔn)確計(jì)算，也不能真實(shí)反映煉鐵工序的低碳技術(shù)水平。因此，本文選擇噸鐵碳排放強(qiáng)度和制造成本兩項(xiàng)指標(biāo)予以類比進(jìn)行探討分析，評(píng)價(jià)高爐煉鐵工序低碳技術(shù)水平和發(fā)展方向。分析影響高爐煉鐵碳生產(chǎn)率的指標(biāo)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下技術(shù)路徑，如圖1。

1.1   噸鐵碳排放強(qiáng)度分析

影響高爐煉鐵碳排放的直接因素包括焦比、噴煤比、煙煤比例等；間接因素則更多，既包括入爐品位、爐料結(jié)構(gòu)、入爐料冶金性能、焦炭質(zhì)量等原燃料條件，也有保障高富氧、高頂壓、高風(fēng)溫等參數(shù)指標(biāo)的裝備因素，還包括裝料制度、冷卻制度、下部調(diào)劑等保證高爐穩(wěn)定、順行的操作技術(shù)因素。

1.1.1   高爐煉鐵碳減排技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)煉鐵工作者在降低高爐焦炭等碳素燃料消耗、減少碳排放方面做出了許多努力，主要技術(shù)進(jìn)步包括以下方面[2]：

（1）裝備大型化。大型高爐的能源利用效率、生產(chǎn)效率、節(jié)能設(shè)施配置率和使用效果等均優(yōu)于中小型高爐，是實(shí)施各項(xiàng)節(jié)能、低碳煉鐵技術(shù)的保障。近年來(lái)我國(guó)高爐裝備大型化進(jìn)程得到迅速發(fā)展，截至2021年底，我國(guó)2000 m3級(jí)以上高爐產(chǎn)能比例超過(guò)1/3，4000~5000 m3高爐17座，5000 m3以上的達(dá)到9座，占全世界巨型高爐數(shù)量的1/4。

（2）精料冶煉技術(shù)。包括提高入爐品位、優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)、使用干熄焦、提高原燃料強(qiáng)度、提高爐料冶金性能、降低入爐水分和粉末等，對(duì)我國(guó)高爐煉鐵過(guò)程的高效、低碳冶煉起到了至關(guān)重要的作用。

（3）富氧噴煤技術(shù)。富氧有利于提高理論燃燒溫度、噴煤比和生產(chǎn)效率，噴吹煤替代焦炭起提供熱量和還原劑的作用，減少焦炭用量，降低碳排放，我國(guó)技術(shù)領(lǐng)先的高爐富氧率可超過(guò)10%、噴煤比達(dá)200 kg/t。

（4）高頂壓冶煉技術(shù)。高頂壓有利于提高煤氣對(duì)鐵礦石的滲透性，降低煤氣線速度，促進(jìn)間接還原，抑制直接還原，每提高10 kPa約可降低燃料比2 kg/t。近年來(lái)操作頂壓達(dá)到250 kPa以上的大型高爐數(shù)量快速增加，最高頂壓可達(dá)280 kPa。

（5）高爐熱風(fēng)爐雙預(yù)熱技術(shù)。利用熱風(fēng)爐煙氣，通過(guò)換熱器對(duì)煤氣和助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，降低煤氣消耗并提高鼓風(fēng)溫度。高風(fēng)溫有利于改善高爐下部熱制度，提高能源利用率，降低焦比和燃料比；熱風(fēng)溫度每提高100 ℃可降低焦比8~15 kg/t，寶鋼、首鋼、沙鋼等超大型高爐熱風(fēng)溫度均可達(dá)到1250 ℃。

（6）脫濕鼓風(fēng)。降低鼓風(fēng)濕度可減少高爐高溫區(qū)熱量消耗，水含量每減少1 g/m3可降低焦比0.8~1 kg/t，同時(shí)可以減小鼓風(fēng)濕度變化對(duì)高爐穩(wěn)定性的影響，提高精細(xì)化操作水平，寶鋼、中信特鋼、沙鋼等處于高濕度地區(qū)的大型鋼鐵企業(yè)已成功應(yīng)用多年。

1.1.2   碳減排潛力及存在問(wèn)題

通過(guò)理論計(jì)算可知，噸鐵碳素消耗實(shí)際值與理論值差距較大，噸鐵碳排放強(qiáng)度差距0.15 t，主要原因是高爐煉鐵過(guò)程受原燃料質(zhì)量、裝備技術(shù)和生產(chǎn)操作等因素影響，碳素化學(xué)能利用水平遠(yuǎn)未達(dá)到理論平衡狀態(tài)，按照年產(chǎn)8.64億t生鐵產(chǎn)量計(jì)算，年減少CO2排放的潛力約1.3億t。其中存在主要問(wèn)題及碳減排潛力包括：

（1）行業(yè)平均焦比和燃料比偏高。在我國(guó)高爐煉鐵發(fā)展過(guò)程中，短期內(nèi)個(gè)別企業(yè)高爐也曾有過(guò)焦比低于300 kg/t，燃料比低于480 kg/t的指標(biāo)數(shù)據(jù)；但是高爐能長(zhǎng)期維持焦比在300 kg/t以下，燃料比在490 kg/t以下的情況近年較為少見，行業(yè)平均燃料比分別比歐洲和日本高出40 kg/t和20 kg/t以上。不同企業(yè)高爐燃料利用水平參差不齊，不利于提升行業(yè)整體低碳發(fā)展水平，2020年部分企業(yè)高爐焦比最大差距達(dá)到130 kg/t，燃料比最大差距90 kg/t，折算噸鐵碳排放差距高達(dá)0.3 t，也是導(dǎo)致全行業(yè)碳排放強(qiáng)度偏高的主要原因之一。

（2）優(yōu)質(zhì)原料保障不足，精料冶煉技術(shù)受限，導(dǎo)致燃料比居高。

我國(guó)煉鐵產(chǎn)能和產(chǎn)量較大，大型高爐數(shù)量的快速增加對(duì)優(yōu)質(zhì)原燃料資源的需求激增，國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)鐵礦和焦炭資源遠(yuǎn)不能滿足，而國(guó)際優(yōu)質(zhì)資源市場(chǎng)集中度高、價(jià)格高，不利于保障大高爐精料冶煉的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致固體燃料消耗不降反升，存在一些3000 m3、4000 m3級(jí)高爐的燃料消耗甚至遠(yuǎn)高于1000 m3級(jí)高爐的情況。

（3）低碳生產(chǎn)技術(shù)重視程度不一。當(dāng)鋼鐵行業(yè)市場(chǎng)效益較好的時(shí)期，少數(shù)企業(yè)對(duì)高爐產(chǎn)量和生產(chǎn)效益的重視程度會(huì)遠(yuǎn)高于低碳冶煉技術(shù)，片面追求高利用系數(shù)，冶煉強(qiáng)度過(guò)大，超出了低碳煉鐵的合理區(qū)間，導(dǎo)致焦比和燃料比升高。

（4）高爐標(biāo)準(zhǔn)化、智能化操作水平不高，高效穩(wěn)定順行率偏低。高爐操作調(diào)整存在滯后性，變量因素多且互相制衡，運(yùn)行狀態(tài)的變化對(duì)控制動(dòng)作的反應(yīng)不靈敏，依靠人工很難及時(shí)判斷操作動(dòng)作是否能有效解決問(wèn)題，甚至?xí)霈F(xiàn)反向操作，尤其是大型高爐更難控制。部分企業(yè)在高爐順行狀態(tài)好時(shí)可以做到短周期燃料比低于500 kg/t，但是原燃料質(zhì)量的波動(dòng)偏離正常區(qū)間，因監(jiān)測(cè)設(shè)備不足或工藝參數(shù)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)不精確、不及時(shí)，導(dǎo)致爐況失常，反而增加了年均燃料比。

1.2   生鐵制造成本分析

生鐵制造成本占全流程鋼鐵企業(yè)制造成本的80%以上，對(duì)煉鐵工序乃至整個(gè)企業(yè)的碳生產(chǎn)率均有極大影響。不同企業(yè)的生鐵制造成本差距較大，2021年成本領(lǐng)先和落后企業(yè)的成本差距超過(guò)500元/t，影響生鐵制造成本的直接因素主要包括原料成本、燃料成本、動(dòng)力費(fèi)、其它制造費(fèi)等4個(gè)方面。其中原料成本約占60%，燃料成本約占25%，是影響生鐵制造成本的兩大重要部分，并且原料成本和燃料成本交互影響；動(dòng)力費(fèi)主要指水、電、風(fēng)、氣等能源介質(zhì)消耗費(fèi)用，占比6%~8%；其它制造費(fèi)用主要包括人員工資和折舊費(fèi)等，占比6%~8%，與高爐的投資、高效、長(zhǎng)壽生產(chǎn)指標(biāo)相關(guān)[3]。

1.2.1   低成本煉鐵技術(shù)現(xiàn)狀

（1）低品質(zhì)礦石冶煉技術(shù)，降低原料成本

2020年以來(lái)，我國(guó)鐵礦資源年進(jìn)口量超過(guò)11億t，對(duì)外依存度超過(guò)80%，在鐵礦議價(jià)方面存在話語(yǔ)權(quán)低的問(wèn)題，并且優(yōu)質(zhì)鐵礦資源稀缺、溢價(jià)更高。因此，我國(guó)鋼鐵企業(yè)在冶煉低品質(zhì)礦方面取得的許多技術(shù)突破，如釩鈦磁鐵礦使用比例可超過(guò)60%，燒結(jié)用褐鐵礦比例由30%提高至60%，高Al2O3鐵礦石高效節(jié)能冶煉技術(shù)等，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。同時(shí)，入爐礦石的多樣化一定程度上緩解了市場(chǎng)主流礦價(jià)增長(zhǎng)過(guò)快的問(wèn)題，降低了全行業(yè)鐵礦原料的采購(gòu)成本。

（2）以煤代焦，焦化配煤優(yōu)化，降低燃料成本

噴吹煤價(jià)格比焦炭低60%以上，我國(guó)高爐高風(fēng)溫、高富氧、大噴煤冶煉技術(shù)普及率達(dá)到90%以上，平均煤比達(dá)到150 kg/t，領(lǐng)先水平200 kg/t左右，大幅替代焦炭；另外，保障焦炭質(zhì)量在高爐使用標(biāo)準(zhǔn)的前提下，開發(fā)了大比例弱粘煤、高硫煤等配煤技術(shù)，增加了低品質(zhì)煤的應(yīng)用，有效的降低焦炭制造成本，進(jìn)而優(yōu)化了后續(xù)鐵水成本。

（3）發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，減少物料降級(jí)費(fèi)用

燒結(jié)礦綜合返礦率由35%以上降低至25%，每噸鐵降低無(wú)效生產(chǎn)和運(yùn)輸成本約15元；小塊焦利用技術(shù)，行業(yè)平均焦丁比約30 kg/t，按照與大焦差價(jià)1500元/t計(jì)算，每噸鐵降低成本45元；回收利用重力除塵灰、礦焦槽除塵灰、干熄焦粉等含碳、含鐵物料，減少物料損失，提升資源綜合利用水平，降低原料成本。

（4）降低動(dòng)力費(fèi)

采用均壓煤氣回收技術(shù)，每噸鐵多回收5 m3高爐煤氣，折算降成本0.5~1.0元；高爐煤氣TRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置）和BPRT（高爐煤氣余壓透平發(fā)電和高爐鼓風(fēng)機(jī)同軸系的高爐能量回收裝置）回收利用頂壓技術(shù)，降低電力成本20元以上；鼓風(fēng)機(jī)汽改電，提高煤氣轉(zhuǎn)換效率，降低煤氣單耗；低燃料比冶煉技術(shù)，減少噸鐵風(fēng)耗，領(lǐng)先企業(yè)可降低鼓風(fēng)費(fèi)用10元以上。

1.2.2   低成本冶煉存在問(wèn)題

（1）全行業(yè)煉鐵產(chǎn)量增加導(dǎo)致鐵礦石價(jià)格快速上漲，生鐵制造成本升高；部分企業(yè)嚴(yán)重忽視精料冶煉方針，采購(gòu)低品質(zhì)鐵礦且不重視粗糧細(xì)作，綜合入爐品位降低至合理標(biāo)準(zhǔn)之下，忽視入爐礦的強(qiáng)度、還原性和高溫冶金性能標(biāo)準(zhǔn)，一味依靠增加焦炭用量來(lái)增產(chǎn)增效，噴煤比不高，不僅導(dǎo)致燃料成本升高，而且碳排放強(qiáng)度也大幅上升。

（2）忽視了低價(jià)礦有害元素對(duì)高爐冶煉成本的影響。如高Al2O3、高S、高P、高TiO2礦用量過(guò)多，部分Zn、K、Na等有害元素嚴(yán)重超標(biāo)的固體廢棄物反復(fù)循環(huán)使用，導(dǎo)致爐況不順、焦比升高、能源利用效率下降，也為高爐安全、長(zhǎng)壽生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患，從全生命周期角度并未實(shí)現(xiàn)真正的低碳降成本。

（3）只重視工序單元降成本，忽略煉鐵系統(tǒng)一體化降成本標(biāo)準(zhǔn)的制定。高爐煉鐵過(guò)程影響因素多達(dá)數(shù)十項(xiàng)，并且是不可逆過(guò)程，一旦因原燃料質(zhì)量下降而未及時(shí)響應(yīng)，可能導(dǎo)致高爐常年不順，近年甚至有技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)因此在產(chǎn)量、能耗和經(jīng)濟(jì)效益方面蒙受了巨大損失。

2.   提高高爐碳生產(chǎn)率的路徑探討

通過(guò)分析影響高爐煉鐵碳排放強(qiáng)度、制造成本的因素，提高碳生產(chǎn)率的主要路徑應(yīng)從以下幾方面開展。

2.1   減少碳素消耗，降低碳排放強(qiáng)度

由碳素消耗與直接還原度的關(guān)系（如圖2）可知：最低碳素需求Cmin對(duì)應(yīng)的最低直接還原度rdmin通常為0.2~0.3，而我國(guó)高爐直接還原度rd一般在0.4~0.5[4]；另外，噸鐵熱需求量降低，則Cmin降低[5]，rdmin增加后與實(shí)際能達(dá)到的直接還原度rd更為接近，實(shí)際碳素消耗與降低后的Cmin也更接近。因此，千方百計(jì)降低高爐煉鐵過(guò)程中的直接還原度rd，以及降低高爐煉鐵過(guò)程高溫區(qū)熱量需求是降低碳素消耗的兩大方向；另外，以氫元素代替碳元素作為還原劑和發(fā)熱劑將是突破性降碳技術(shù)研究重點(diǎn)。降低直接還原度的技術(shù)方向包括提高爐料還原性、優(yōu)化布料、降低煤氣流速度等，而減少碳素?zé)崃啃枨蟮募夹g(shù)包括高風(fēng)溫、低熱負(fù)荷、低頂溫、低硅冶煉、低鼓風(fēng)濕度等。

2.1.1   高還原性爐料

提高爐料的還原性有利于加快其還原速度，在有限時(shí)間內(nèi)多發(fā)展間接還原，降低直接還原度。以燒結(jié)礦為例，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)每下降1%，焦比可降低6 kg/t，日本鋼鐵企業(yè)燒結(jié)礦FeO一般控制在7%~9%，我國(guó)燒結(jié)礦一般為8%~10%，僅此一項(xiàng)焦比相差約6 kg/t；但由于FeO太低不利于轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的改善，影響煤氣流分布，因此需通過(guò)優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)兼顧兩者平衡，制定合理標(biāo)準(zhǔn)。另外，市場(chǎng)上塊礦的還原性也存在較大差別，并且與強(qiáng)度、膨脹率、含粉率等相互影響，如何高效利用高還原性塊礦也需重點(diǎn)研究。

2.1.2   優(yōu)化布料制度

寶鋼利用爐喉十字測(cè)溫判斷上部煤氣流分布狀態(tài)，制定了布料制度標(biāo)準(zhǔn)，如控制爐頂煤氣溫度、邊緣氣流指數(shù)（W值）、中心氣流指數(shù)（Z值）在最佳范圍區(qū)間，并針對(duì)操作動(dòng)作提供直觀的結(jié)果顯示，及時(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)，常年保持良好的煤氣流分布，煤氣利用率達(dá)到0.52，燃料比490 kg/t左右。酒鋼通過(guò)布料仿真模型實(shí)施去除中心加焦的優(yōu)化布料措施，在原燃料指標(biāo)基本不變的情況下，焦比降低18.8 kg/t[6]。因此，企業(yè)應(yīng)利用好十字測(cè)溫、爐頂紅外成像、激光測(cè)定布料參數(shù)、料面形狀在線模擬等技術(shù)，開發(fā)圖像處理技術(shù)進(jìn)行定量分析，為優(yōu)化布料提供數(shù)據(jù)支撐，降低燃料比。

2.1.3   低熱負(fù)荷冶煉技術(shù)

從節(jié)能角度出發(fā)，高爐熱負(fù)荷越低，則需要焦炭和噴吹煤燃燒釋放的熱量越少，越有利于降低焦比和燃料比；但是，從高爐安全生產(chǎn)和操作層面，必須保持一定的熱負(fù)荷，才能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定順行。我國(guó)高爐從設(shè)計(jì)階段到實(shí)際生產(chǎn)操作環(huán)節(jié)均留有較大的浮動(dòng)空間，熱負(fù)荷管理比較粗放，冷卻水帶走過(guò)多的熱量，導(dǎo)致焦比、燃料比升高。隨著高爐智能化管控系統(tǒng)的完善，爐缸和爐體安全系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)更加靈敏，具備精細(xì)化管理的基礎(chǔ)條件，先進(jìn)企業(yè)已經(jīng)開展了降低熱負(fù)荷減少碳消耗；以寶鋼4號(hào)高爐為例，一代爐役期熱負(fù)荷接近110 GJ/h[7]，二代爐役期降低至65 GJ/h，僅此一項(xiàng)降低焦比5 kg/t。因此，未來(lái)高爐應(yīng)加強(qiáng)爐缸、爐體安全模型的建立，結(jié)合煤氣流分布監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)高爐縱向和橫向熱負(fù)荷的均勻分布，確保操作爐型的合理與穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，降低熱負(fù)荷和燃料消耗。

2.1.4   低硅冶煉

低硅冶煉要求原燃料的理化性質(zhì)和設(shè)備運(yùn)行狀況穩(wěn)定，高爐爐內(nèi)的煤氣流分布合理而且穩(wěn)定，有較高的煤氣利用率，使?fàn)t內(nèi)的熱制度穩(wěn)定，便于控制[Si]的還原過(guò)程，行業(yè)鐵水[Si]質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制范圍0.25%~0.60%，平均值0.45%；低硅冶煉維持的爐溫水平在下限，為防止?fàn)t涼導(dǎo)致的高爐嚴(yán)重不順，操作者必須具備趨勢(shì)管理的技術(shù)水平和特殊情況下的應(yīng)對(duì)能力。未來(lái)，隨著大型智慧原料混勻技術(shù)，燒結(jié)—球團(tuán)—高爐鐵前一體化智能管控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，可以大幅提高原料質(zhì)量的穩(wěn)定性、高爐趨勢(shì)管理的精確性和應(yīng)對(duì)特殊爐況的操作正確率，預(yù)計(jì)行業(yè)平均鐵水[Si]質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低至0.35%，降低焦比5 kg/t。

2.1.5   脫濕鼓風(fēng)

鼓風(fēng)中的水分在風(fēng)口回旋區(qū)發(fā)生水煤氣反應(yīng)，消耗的熱量需由碳燃燒提供，增加了高溫區(qū)的熱量需求，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鼓風(fēng)中水含量每增加1 g/m3，焦比增加0.8 kg/t，我國(guó)南方地區(qū)夏秋季節(jié)空氣中水分含量超過(guò)20 g/m3，現(xiàn)有脫濕鼓風(fēng)技術(shù)可將水含量降低至8 g/m3以下，并且有利于穩(wěn)定高爐爐況，提高精細(xì)化操作水平，預(yù)計(jì)可降低焦比10 kg/t，噸鐵減少碳排放30 kg。需要指出的是，目前脫濕鼓風(fēng)耗電與噸鐵鼓風(fēng)耗量降低所需的電耗相抵消，未來(lái)隨著沖渣水余熱回收技術(shù)水平的提高，可將余熱用于脫濕鼓風(fēng)，可以進(jìn)一步減少電力消耗。

2.1.6   以氫代碳冶金

H2在溫度大于810 ℃時(shí)的還原勢(shì)和還原速率均高于C，可以替代部分C作為還原劑，減少碳耗和CO2排放，理論上1 kg H2可替代6 kg C，減少CO2排放量22 kg；另一方面，由于H2還原FeO是吸熱反應(yīng)，需要消耗更多的熱量，實(shí)際減碳效果要略低于理論值。

（1）提高煙煤配比

噴吹煤主要有無(wú)煙煤和煙煤兩大煤種，更主要是替代焦炭起發(fā)熱作用，因此在選擇煤種時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注熱值。市場(chǎng)上存在熱值相差不大的煙煤和無(wú)煙煤，無(wú)煙煤固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%左右，煙煤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%左右、H質(zhì)量分?jǐn)?shù)可超過(guò)5%，并且煙煤的可磨性更佳、置換比更高，在大噴煤狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)煙煤和無(wú)煙煤1:1置換。目前，噴煤結(jié)構(gòu)中煙煤基本占30%左右，主要受噴吹煤揮發(fā)分標(biāo)準(zhǔn)和安全保障限制，領(lǐng)先企業(yè)煙煤配比超過(guò)60%。按照噴煤比180 kg/t計(jì)算，行業(yè)平均煙煤配比提高至50%，則煙煤?jiǎn)魏南嗖?6 kg/t，影響碳素消耗減少9 kg/t，減少CO2排放30 kg/t。

（2）富氫煤氣噴吹

高爐噴吹焦?fàn)t煤氣直接替代煤粉做還原劑和發(fā)熱劑實(shí)現(xiàn)碳減排，前蘇聯(lián)和德國(guó)、美國(guó)均有鋼鐵企業(yè)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)本鋼、鞍鋼等企業(yè)均進(jìn)行過(guò)工業(yè)試驗(yàn)。山西晉南鋼鐵對(duì)焦?fàn)t煤氣提純后H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了95%以上，在1座高爐進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用，噸鐵噴吹30 m3富氫氣體，約可替代噴吹煤20 kg，噸鐵減少CO2排放約30 kg。

2.2   降低生鐵制造成本

2.2.1   降低鐵礦石采購(gòu)成本

企業(yè)鐵礦粉采購(gòu)價(jià)格存在較大差異是導(dǎo)致制造費(fèi)用差距大的主要原因之一。以進(jìn)口粉礦為例，根據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)標(biāo)挖潛辦公室數(shù)據(jù)，2021年對(duì)標(biāo)企業(yè)折算成62%品位的平均采購(gòu)成本為1128.6元/t，采購(gòu)成本最高和最低的5家企業(yè)成本差價(jià)為317元，按照噸鐵消耗1.6 t鐵礦粉計(jì)算，生鐵制造成本相差500元。采購(gòu)價(jià)相差大的原因，除物流運(yùn)輸費(fèi)、自有礦山等因素外，不同品質(zhì)鐵礦的噸度價(jià)也存在差距，高品位礦溢價(jià)高。企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況，評(píng)估適宜的爐料結(jié)構(gòu)和礦石采購(gòu)種類，少數(shù)鋼鐵企業(yè)通過(guò)裝備技術(shù)創(chuàng)新升級(jí)，制定合理標(biāo)準(zhǔn)，高效利用價(jià)格相對(duì)偏低的低品質(zhì)礦石，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。需要重點(diǎn)指出，鐵礦冶金價(jià)值評(píng)價(jià)應(yīng)兼顧有害元素、造渣成分對(duì)燃料成本和固定費(fèi)用的影響，方能做到客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)礦石冶金價(jià)值，指導(dǎo)采購(gòu)降成本。

2.2.2   優(yōu)化燒結(jié)配礦

燒結(jié)礦品質(zhì)和用量對(duì)生鐵成本影響排名第一，對(duì)高爐穩(wěn)定順行的影響程度僅次于焦炭，通過(guò)優(yōu)化燒結(jié)配礦，降低燒結(jié)礦成本和提高質(zhì)量，對(duì)于高爐煉鐵降成本意義重大。高爐優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)基本確定了燒結(jié)礦的成分范圍，而相同成分下通過(guò)優(yōu)化配礦也可得到不同價(jià)格和質(zhì)量的燒結(jié)礦。首先對(duì)燒結(jié)原料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合企業(yè)鐵礦資源庫(kù)、礦石冶金性能指標(biāo)、冶金規(guī)劃院數(shù)據(jù)庫(kù)等，給出企業(yè)適用含鐵原料以及合理配礦范圍，再通過(guò)優(yōu)化配礦軟件計(jì)算確定成本最優(yōu)的配礦方案，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦降成本、提質(zhì)量。

2.2.3   優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)

我國(guó)高爐爐料結(jié)構(gòu)整體為“高堿度燒結(jié)礦+酸性球團(tuán)礦+塊礦”，不同爐料的冶金價(jià)值相差有時(shí)會(huì)比較大，并且爐料結(jié)構(gòu)的范圍區(qū)間大，極限爐料結(jié)構(gòu)需要研發(fā)相關(guān)技術(shù)予以支撐，一些企業(yè)也取得了較好效果，如有企業(yè)做到塊礦比接近30%且燃料比控制良好。利用高爐爐料冶金價(jià)值評(píng)價(jià)體系確定主要入爐原料的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合鐵礦市場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，確定合理入爐品位、外購(gòu)資源種類及爐料結(jié)構(gòu)范圍；設(shè)定約束條件后，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算模型確定最終的爐料結(jié)構(gòu)，最大程度上發(fā)揮高性價(jià)比爐料的降成本優(yōu)勢(shì)。

2.2.4   建立燃料價(jià)值評(píng)價(jià)方法，降低燃料成本

高爐主要燃料包括焦炭、無(wú)煙煤和煙煤，燃料成本簡(jiǎn)易計(jì)算公式為：焦炭單耗×單價(jià)+無(wú)煙煤?jiǎn)魏?times;單價(jià)+煙煤?jiǎn)魏?times;單價(jià)。一般情況，燃料單價(jià)隨著質(zhì)量指標(biāo)的提高而增加，單耗則隨著質(zhì)量指標(biāo)的改善而下降，因此需精準(zhǔn)確立質(zhì)量指標(biāo)與單耗及單價(jià)的量化關(guān)系，在高爐生產(chǎn)全體系目標(biāo)下找到平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)燃料成本最優(yōu)。

焦炭質(zhì)量對(duì)高爐穩(wěn)定順行的影響程度排名第一，對(duì)成本影響僅次于燒結(jié)礦，2021年對(duì)標(biāo)挖潛企業(yè)排名前5和后5企業(yè)的采購(gòu)價(jià)差達(dá)580元/t，對(duì)生鐵成本影響大。另一方面，不同成本的焦炭質(zhì)量也存在較大差距，進(jìn)而影響用量；焦炭質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括焦炭耐磨指標(biāo)（M10）、焦炭抗碎強(qiáng)度（M40）、焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）、焦炭反應(yīng)性（CRI）、固定碳、灰分含量、硫含量、含水量、揮發(fā)分、粒度指標(biāo)、干熄焦率等十余項(xiàng)，各指標(biāo)對(duì)焦炭用量均有不同程度的影響，并且影響因子交互影響，對(duì)焦炭質(zhì)量的考核不能做到全面覆蓋提升。因此，各企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身高爐實(shí)際生產(chǎn)情況，確定影響焦比的權(quán)重因子，建立適用的焦炭?jī)r(jià)值評(píng)價(jià)辦法，從而選擇焦炭種類和指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)燃料結(jié)構(gòu)、燃料價(jià)格和爐料結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)效率的系統(tǒng)匹配。

2021年噴吹煤采購(gòu)成本為1348元/t，同比升高534元/t，升幅為65.6%，但與焦炭仍有1500元/t的差價(jià)，充分提高噴煤比來(lái)降低焦比是降低生鐵成本的重點(diǎn)之一。另外，噴吹煤平均采購(gòu)成本最低的前5家企業(yè)采購(gòu)成本約903元/t，而采購(gòu)成本最高的5家企業(yè)為1600元/t，差價(jià)接近700元/t，降低噴吹煤采購(gòu)成本也是降低生鐵成本的重點(diǎn)。噴吹煤的揮發(fā)分、固定碳、灰分、S等成分指標(biāo)以及熱值、可磨性等指標(biāo)影響采購(gòu)成本、生產(chǎn)安全性、置換比等，企業(yè)應(yīng)建立適合自身?xiàng)l件的噴吹煤資源庫(kù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化噴煤結(jié)構(gòu)、降低采購(gòu)費(fèi)用、提高噴煤比和置換比。

2.3   建立高爐高效穩(wěn)定順行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

建立高爐高效穩(wěn)定順行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于低成本煉鐵、提高碳生產(chǎn)率至關(guān)重要，其中穩(wěn)定順行是基礎(chǔ)保障，高效是核心目標(biāo)。雙碳背景下，“高效”的內(nèi)涵應(yīng)包括高效利用資源、高效利用能源、高效率利用設(shè)備等，三者交互影響，既存在同向促進(jìn)關(guān)系，到一定程度后又存在反向制約關(guān)系，如何建立資源（爐料）、能源（燃料）、設(shè)備效率（作業(yè)率、有效利用系數(shù)）綜合最優(yōu)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是提高高爐煉鐵工序碳生產(chǎn)率的關(guān)鍵。但是，影響高爐高效穩(wěn)定順行的因素包括原料、裝備、操作技術(shù)3大類數(shù)十項(xiàng)指標(biāo)，評(píng)價(jià)運(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)也達(dá)到十幾項(xiàng)，錯(cuò)綜復(fù)雜的因果關(guān)系使得高爐操作者無(wú)法確定精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)因原燃料品質(zhì)和裝備技術(shù)的差異更無(wú)法形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

建議將高爐煤氣流分布狀態(tài)和煤氣利用率作為高爐高效穩(wěn)定順行的過(guò)程評(píng)價(jià)和結(jié)果評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)。首先，高爐煤氣流分布直接影響煤氣熱能和化學(xué)能的利用效率，關(guān)系到爐內(nèi)溫度分布、軟熔帶結(jié)構(gòu)、爐墻熱負(fù)荷、高爐熱平衡狀態(tài)，與高爐的高效穩(wěn)定順行直接相關(guān)；其次，煤氣流分布狀態(tài)和煤氣利用率是原燃料質(zhì)量、冶金性能和工藝操作技術(shù)應(yīng)用效果好壞的直接體現(xiàn)；第三，高爐煤氣利用率是最具有對(duì)標(biāo)意義的指標(biāo)之一，例如鐵礦石價(jià)格主要以含鐵品位為基準(zhǔn)，某高爐在56.5%入爐品位下常年保持煤氣利用率0.48、燃料比510 kg/t的優(yōu)秀指標(biāo)，對(duì)標(biāo)企業(yè)需以此標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)進(jìn)行診斷提升；第四，煤氣利用率是反映高爐運(yùn)行結(jié)果最直觀、高爐操作者調(diào)整工藝參數(shù)最應(yīng)參考的指標(biāo)之一，一旦煤氣利用率下降，需盡快查找原因，短期無(wú)法解決則應(yīng)調(diào)整工藝，防止?fàn)t溫波動(dòng)帶來(lái)的煤氣流失常和爐況不順。

總之，優(yōu)化煤氣流分布是在資源條件基本確定的情況下，減少實(shí)際碳素消耗與理論值差距、降低焦比和燃料比、提高生產(chǎn)效率和能源利用效率、降低生產(chǎn)成本最有效的手段，該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最直接、最簡(jiǎn)易、最具現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義。煤氣流分布狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括爐缸活躍性、初始煤氣流分布、爐體周向均勻性、上部煤氣流分布等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如爐芯溫度異常、出鐵前后風(fēng)壓和水溫差異常波動(dòng)、爐體周向熱電偶溫度紊亂變化、十字測(cè)溫邊緣四點(diǎn)溫差過(guò)大等現(xiàn)象，均表示煤氣流分布狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)分析原因；失常達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)快速調(diào)整工藝參數(shù)，防止煤氣流分布失常影響穩(wěn)定順行。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定及執(zhí)行越高越嚴(yán)苛，爐料與間接還原的理論平衡狀態(tài)越接近，能源利用效率越高，但是超過(guò)高爐極限狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)也越大，要求高爐操作者建立精確趨勢(shì)預(yù)判的能力。

3.   結(jié)束語(yǔ)

(1) 我國(guó)高爐工序產(chǎn)生的碳排放超過(guò)全國(guó)碳排放總量的10%，煉鐵全流程碳排放量占比達(dá)到13.5%，雙碳背景下煉鐵工序要兼顧碳減排和經(jīng)濟(jì)效益兩項(xiàng)重點(diǎn)，高質(zhì)量發(fā)展應(yīng)以提高碳生產(chǎn)率為核心。

(2) 各企業(yè)高爐碳生產(chǎn)率水平參差不齊，高爐焦比最大差距達(dá)到130 kg/t，燃料比最大差距90 kg/t，折算噸鐵碳排放差距高達(dá)0.3 t，生產(chǎn)成本差超過(guò)500元，影響全行業(yè)碳生產(chǎn)率的整體提升。

(3) 降低高爐碳排放強(qiáng)度的技術(shù)方向，除常用的高風(fēng)溫、高頂壓、富氧噴煤技術(shù)外，還應(yīng)包括高還原性爐料、優(yōu)化布料制度、低熱負(fù)荷冶煉技術(shù)、低硅冶煉、脫濕鼓風(fēng)、以氫代碳冶金等方面。

(4) 降低生鐵成本方面，企業(yè)應(yīng)建立鐵礦石性價(jià)比綜合評(píng)價(jià)方法，在保障高爐穩(wěn)定順行、燃料比不增加的前提下，降低原料成本，主要包括降低采購(gòu)成本、優(yōu)化燒結(jié)配礦、優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)；除常規(guī)的降焦比、提煤比技術(shù)降低燃料成本外，應(yīng)建立燃料價(jià)值評(píng)價(jià)方法，優(yōu)化噴煤結(jié)構(gòu)，降低燃料采購(gòu)成本。

(5) 鑒于高爐煉鐵對(duì)全社會(huì)碳排放的影響權(quán)重較大，又為社會(huì)發(fā)展創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值，建議企業(yè)對(duì)高爐煉鐵工序的碳排放和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行全面系統(tǒng)診斷，建立碳生產(chǎn)率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)降低碳排放強(qiáng)度和生產(chǎn)成本綜合最優(yōu)，提高碳生產(chǎn)率，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)低碳發(fā)展、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)做出更大貢獻(xiàn)。

文章來(lái)源——金屬世界