歐洲煉鐵最新技術-氧氣高爐！原來中國正在偷偷的成功！
來自專欄鋼鐵精英
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如果有人問你，經過上百年的發展，高爐冶煉技術未來的發展方向在哪裡？高爐煉鐵節能和環保技術的突破在哪裡？如何有效降低高爐燃料比和冶煉成本？小編今天為你介紹一下未來五年極有可能取得工業應用的前沿煉鐵技術-氧氣高爐，為你拓展視野的同時，也為更好認識高爐技術和操作提供更好的素材。如您需要下載原文，請關注「鋼鐵精英」並回復「OBF」下載。如您希望加入「鋼鐵精英群」需求，請加小編微信：xie215727208。
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1 概述
高爐是以焦炭為主要能源的煉鐵工藝，因此存在焦煤資源日益匾乏、焦化過程污染及昂貴冶金焦在高爐內轉換為低熱值煤氣等問題。以煤代焦、提高煤氣利用率是未來煉鐵技術的發展方向。傳統的高爐煉鐵工藝經過上百年的發展其能耗已接近理論最低值，很難再有大的突破。
1.1 氧氣高爐概念
氧氣高爐工藝是用高富氧乃至全氧鼓風操作取代傳統的預熱空氣鼓風操作的高爐煉鐵工藝。狹義的氧氣高爐工藝僅包括全氧鼓風操作的情況，廣義的氧氣高爐工藝還包括高富氧鼓風的情形。氧氣高爐工藝常與爐頂煤氣循環工藝相聯合（Top GasRecovery Oxygen Blast Furnace,簡稱TGR-OBF）。
統高爐與氧氣高爐流程對比
1.2 氧氣高爐的發展歷程
氧氣高爐作為一種改進的煉鐵工藝，最初由Wenzel和Gudenau於1970年提出，此後各國學者提出了多種改進流程。1986年，日本NKK公司建立了3.9m3的試驗性氧氣高爐且後續進行了一系列基礎研究；俄羅斯在20世紀80年代末期年進行了1000 m3級的氧氣高爐工業試驗；2004年在歐洲15國「ULCOS計劃」背景下，瑞典的LKAB公司在9 m3高爐上進行了連續40天的爐頂煤氣循環一氧氣鼓風高爐(TGR-OBF )煉鐵技術工業試驗，並取得良好效果(節碳24%，減排76% )；我國於2009年在8 m3高爐上進行了工業試驗氧氣高爐工藝的可行性和先進性得到證實，TGR-OBF技術被認為有可能成為未來煉鐵的主流工藝。
氧氣高爐流程圖
1.3 氧氣高爐特點
氧氣高爐操作具有高噴煤量，低焦比，煤氣還原性強，熱值較高，生產率高等優越性，由於大量噴煤和爐頂煤氣循環利用或者其他改質煤氣噴吹，氧氣高爐工藝可以看作是以氧氣和煤粉為主要能源的煉鐵新工藝，具有以下特點：
（1）提供潔凈能源並降低環境負荷：無氮鼓風時不會有氮氧化物生成而污染空氣，同時由於降低了對焦炭的需求，減少焦爐生產對環境的污染。
（2）提高生產率和噴煤率：採用不同技術措施，高爐生產率可以提高1/3-2倍。氧氣高爐噴吹煤粉成為主要的能源，從而改變了鋼鐵廠的能源結構。
（3）提高間接還原並降低燃料比：爐內的還原條件與直接還原豎爐相似，鐵礦石的間接還原度大幅度提高，直接還原度降低，燃料比大幅度降低。
（4）改善高爐爐頂煤氣質量：爐頂煤氣熱值相比於傳統高爐高了一倍左右，可以作為燃料用氣或用來發電。
（5）高爐冶煉條件的全面優化：氧氣高爐內高溫區域產生的C化很少，焦炭中碳的溶損減少，爐身鐵礦石還原充分發展，直接還原度降低。由於煤氣CO分壓較高，抑制了爐杠中Si、Ti、K、Na等合金元素和鹼金屬的還原，高爐中Si、K、Na等氣體產物減少，對高爐冶煉的危害也就減輕了，髙爐高溫區的熱消耗減少，送對於冶煉十分有利。全氧高爐操作不但改善了礦石的還原過程，而且使造渣過程、脫硫過程得到優化。
1.4 氧氣高爐分類
隨著富氧率和煤粉噴吹量的增加，鼓風量和鼓風帶入的物理熱減少，使得爐身爐料加熱不足，嚴重影響礦石的還原進程，使煤焦置換比下降，綜合燃料比大幅度升高。為此，冶金界的許多學者後續對氧氣高爐進行了大量研究工作，針對氧氣高爐的兩個關鍵問題＂上冷＂、＂下熱＂，先後提出了Fink流程、W-K Lu流程、FOBF流程、NKK流程、OCF流程、POOS流程、BOBF流程、TULA流程等十餘種氧氣高爐工藝流程。
Fink流程
W-K Lu流程
FOBF流程
NKK流程
OCF流程
表 各氧氣高爐流程對比
2 國內外氧氣高爐工業試驗及效果
2.1 日本NKK氧氣高爐工業試驗
1986年，日本的NKK公司建立了一座試驗氧氣高爐並做了兩次全氧鼓風試驗。試驗氧氣高爐的爐缸直徑為0.95m，爐喉直徑為0.7m，高(爐喉與風口之間的距離)為5.1m，容積為3.94m3，高爐風口和預熱煤氣噴吹口各3個。
試驗結果表明:噴煤量最高可達320kg/tHM，焦比大大降低，生鐵日產量由9.9噸提高到20.0噸，利用係數達到5.08t/m3·d，鐵水硅含量顯著降低。通過分析試驗數據，NKK公司預測氧氣高爐進行工業化生產噸鐵燃料比可以降低到530kg。試驗的成功第一次證明了全氧鼓風高爐煉鐵工藝在技術上是完全可行的。
表 NKK氧氣高爐試驗數據
2.2 俄羅斯氧氣高爐工業試驗
1985年到1990年期間，俄羅斯RPA公司將該廠1033m3的2號高爐改造為Tula氧氣高爐，並進行了長時間的現場試驗。試驗條件為100%氧氣和熱還原煤氣同時從風口鼓入爐內。試驗先後共進行了13次，累計產出鐵水250000噸。
試驗結果表明:焦比最低達到367kg/tHM，對應的氧耗為251Nm3/tHM，日產鐵量為1700噸，直接還原度由基準期的0.437降低到試驗期的0.08-0.09。焦炭中的碳素輸入與基準期相比降低了28%-30%，但是整個流程的總碳素輸入與基準期相比卻增加了25%-35%。
表 TULA氧氣高爐試驗結果
2.3 歐盟ULCOS氧氣高爐工業試驗
2004年歐洲15國制訂並實施了「超低二氧化碳排放的鋼鐵生產技術(ULCOS)」計劃，預算4500萬歐元，旨在通過研發突破性的技術，使鋼鐵工業CO2減排50%以上。該計劃共分三個階段實施:目前第一階段(2004-2009年)的試驗工作己完成，2007年在瑞典LKAB的8.9 m3試驗性高爐進行了試驗，取得了良好效果;第二階段(2009-2015年)，以第一階段成果為基礎，在現有工廠進行兩個工業化試驗，檢驗工藝中可能出現的問題，並且估算投資和運營費用;第三個階段(2015年一)，基於工業化試驗成果，建設一條工業生產線。目前已經處於第五次工業試驗。
高爐爐頂煤氣循環一氧氣鼓風高爐煉鐵技術(TGR-BF)是ULCOS計劃中主要內容之一，它是以採用氧氣鼓風並將高爐爐頂煤氣通過VPSA技術脫除CO:後返回高爐利用的煉鐵工藝。2007年在瑞典LKAB公司的試驗高爐上連續進行了7周的試驗研究，高爐容積8.9 m3爐缸直徑1.4m3，風口直徑54 mm。試驗結果表明，前期的風口噴吹循環煤氣流程試驗，冶煉效果較好的時期實現焦比360 kg/tHM，煤粉噴吹量140 kg/tHM風口循環煤氣量約650 m3/tHM;後期雙排風口噴吹循環煤氣流程的試驗，在噴煤比170 kg/tHM的條件下，焦比由400-405 kg/tHM降至260-265 kg/tHM碳耗降低24%，風口循環煤氣量約550 m3/tHM，爐身循環煤氣量約約550m3/tHM，爐頂煤氣循環率達到90%以上，CO循環率大於87%；H循環率大於98%。
ULCOS在LKAB的氧氣高爐工藝方案
2.4 中國氧氣高爐工業試驗
2009年6月，我國鋼鐵研究總院先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室與五礦營鋼合作在營鋼建立了一座8 m3的試驗性氧氣高爐，該實驗高爐分別在爐缸和爐身下部設置兩排風口，在爐缸風口噴吹常溫的煤粉和氧氣，在爐身下部風口噴入預熱的焦爐煤氣（預熱溫度為900℃）成分為:H2=57.5% 、CH4=26.4% 、CO=8.6% 、CO2=2.0%、 N2=3.6% 、CmHn 2.0%。
中國氧氣高爐工藝方案
表 中國營鋼氧氣高爐試驗數據
3 萊鋼750m3普通高爐改氧氣高爐基礎研究
3.1 高爐基本情況
750m3高爐爐缸直徑6900mm，爐腰直徑8430mm，爐缸高度3600mm，爐身高度12200mm，高爐有效總高度22100mm，高徑比2.62，風口18個。750m3高爐設計利用係數為2.6t/（m3·d），由高富氧帶來生產效率提高，設計按生產效率提高50%計，故設計氧氣高爐利用係數按4.0t/（m3·d）計算。主要技術經濟指標計算如下：
高爐工作容積800m3；利用係數4.0t/（m3·d）；年平均工作日350d；日產鐵量3200t；年產鐵量11.2萬t；熟料率100%；入爐礦品位57%；焦比210kg/t（最小）；煤比200kg/t（最大）；焦爐煤氣321Nm3/t（最大）；渣鐵比350kg/t；氧氣量268Nm3/t（純度100%）；爐頂壓力0.15MPa；爐頂煤氣溫度200℃；爐頂煤氣，最大時（鼓風含氧量30%）210000Nm3/h，含氧量70%時，196000Nm3/h；循環煤氣量31800Nm3/h（含氧量50%）；加熱煤氣量26000Nm3/h（加熱到900℃）；噴吹焦爐煤氣量45400Nm3/h（25℃）。
3.2 工藝流程
與萊鋼 750 m3高爐現行生產工藝相比，氧氣高爐工藝減少了熱風用量，增加了高爐煤氣降溫加壓、CO2分離及煤氣加熱過程，同時增加噴吹焦爐煤氣環節，鼓風氧氣濃度達到 70%。
氧氣高爐工藝流程
表 氧氣高爐煤氣成分
3.3 煤氣預熱
預熱系統配置1座煙氣預熱爐、1台管式煤氣預熱器、1 台煙氣循環風機。在輸送煤氣管道上多點配置水冷氧氣噴槍（3點）及測溫控制切斷球閥等。介質煤氣加熱系統擬採用兩段加熱方式：1 座由燃燒高爐煤氣的煙氣加熱系統，通過管式換熱器將介質煤氣進行換熱加熱到570 ℃；這時介質煤氣中的H2已達到燃點（510 ℃）以上，通過加入一定量並有一定速度的氧氣細流，使介質煤氣內部產生反應釋放熱量加熱介質煤氣。介質煤氣經過控制反應被加熱至910 ℃，送到高爐噴吹系統。煙氣預熱爐設計形式為燃氣+煙氣循環式，預熱爐加熱介質煤氣量為 28 000 Nm3/h，換熱器加熱煤氣溫度為 570 ℃，預熱爐平均耗高爐煤氣 4 000Nm3/h，煙氣出口溫度為350 ℃。
3.4 生產運行成本
綜合來看，氧氣高爐運行成本低於目前已有的同類型高爐運行成本。
表 氧氣高爐和普通高爐生產運行成本核算
3.5 小結
基於750 m3高爐進行改造可滿足氧氣高爐運行條件，現有高爐的送風系統、上料系統、渣鐵處理系統及其輔助設備設施都可使用，改造成本能夠大幅降低，有效降低施工工期。在改造施工上，對爐體部分進行改造，增設相應平台、管道及其控制系統，新建煤氣加熱及CO2脫除設備。生產運行成本要低於普通高爐，生產效率大幅增加，CO2排放大幅降低。在工業化生產中，由於氧氣高爐生產的特殊性，爐況運行和實際操作中存在的具體生產問題，還需要進一步探討和相關工業試驗的驗證。
4 總結
目前的高爐技術經過上百年的發展和完善，已經基本上達到了理論上的燃料和成本極限，想要更近一步的降低高爐冶煉成本和提高鐵水質量，只有通過開拓創新才能實現。氧氣高爐作為未來高爐發展的主要方向，已經經過了理論基礎研究、工業試驗等階段，驗證了其在燃料和成本控制上大幅降低的可行性。現有高爐可以經過適當的改造，實現向氧氣高爐的轉變，從而能夠實現冶煉技術的大幅提升。從目前的發展情況來看，氧氣高爐在5年內可以實現工業化的運行和改善。
參考文獻：
（1）氧氣高爐煉鐵基礎理論與工藝優化研究，張偉
（2）高爐全氧煉鐵工藝理論分析，邵久剛等
（3）過程集成在北歐鋼鐵廠的應用，張化義等
（4）氧氣高爐氣_固兩相流的物理和數學模擬研究，董擇上
（5）現有高爐改氧氣高爐的工業試驗方案探討，張紅啟等
（6）氧氣高爐工藝研究進展及新爐型設計，張偉等
（7）氧氣高爐煉鐵過程質量能量評價，郭文濤
（8）氧氣高爐工藝的數學物理模擬，高攀
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