一、研究的背景与问题

1、研究背景

我国钢铁行业碳排放量约占全国碳排放量的15%，在碳达峰和碳中和的时代背景下，钢铁行业面临着巨大的降碳减排压力。高炉炼铁工序能耗占钢铁生产全流程总能耗的50%以上，是我国钢铁行业绿色低碳发展的主要切入点，是实现“双碳”目标的关键。

高炉工序是否高效低碳，影响因素主要有三个方面：一是高炉本体结构是否满足高效低碳冶炼，二是工序中的能源利用是否达到极致水平，以及工序产生的高炉煤气等二次能源是否得到全部治理回收。而传统高炉在这三个方面还存在诸多瓶颈与挑战。

2、关键技术难题

（1）在高炉本体方面，随着炉料结构多元化和冶炼强度的不断提升，尤其是在提高球团矿比例、降低碳排放的生产模式下，现有的炉型结构及关键设备不能满足高效低碳的生产需求。

（2）作为炼铁工序中的能源消耗大户，热风炉消耗了高炉产生煤气的40%以上。但由于燃烧器结构不合理等问题，造成空气煤气混合不均匀、燃烧不充分，煤气的利用率普遍偏低；烟气中的余热回收不充分，排压废气对空排放，造成氧气和热量的双重浪费。

（3）高炉放散煤气治理回收不完全。均压煤气未完全回收、休风放散煤气对空排放，不但污染环境而且造成能源浪费。

二、解决问题的思路与技术方案

1、解决思路

本项目以高炉炼铁高效率、低排放为目标，围绕高炉绿色低碳本体技术、煤气治理回收及高效利用技术进行深入研究。项目主要研究内容及技术路线如图所示，通过理论研究、调研分析、并结合大数据分析、仿真模拟、中试试验等研究方法，确定了合理技术方案，开发了关键技术和设备，最终形成绿色低碳的高炉炼铁技术。

（1）针对高炉冶炼强度和热负荷增强、多元化炉料结构调整等需求，开发绿色低碳高炉本体关键技术。

（2）针对传统热风炉煤气利用率低、浪费能源的问题，开发基于煤气极致利用的绿色环保热风炉技术。

（3）针对炉顶均压煤气回收率偏低、回收时间长，休风放散煤气对空排放，造成环境污染及能源浪费等问题，开发高炉放散煤气全量回收技术。

2、技术方案

（1）开发绿色低碳高炉本体关键技术

针对原有高炉炉型设计体系难以满足高冶强、低碳冶炼的需求，构建了适用于多元炉料结构的高效低碳炉型“四步法”设计体系，以冶强和炉腹煤气指数相结合的方法，结合数据挖掘和仿真模拟，炉型能适应高冶炼强度、高热负荷、炉料结构多元化的需求。综合考虑投资成本、运行成本和设备稳定性等因素的影响，能够获得先进的技术经济指标。

针对现有炉型结构不适用高比例球团低碳冶炼的需求，根据球团矿的理化特性，并结合仿真模拟、中试实验，基于“四步法”设计体系，开发了适用于高比例球团的变锥度炉型结构，充分释放球团矿的热膨胀，改善上部料柱透气性。首次提出动态次位排料及次中心围挡布料、炉渣流动性碱度调控、操作炉型精准调控等理念，开发出高比例球团冶炼操作技术。

为了保证高炉稳定顺行，实现高效冶炼，开发了组合式冷却壁协同分段分区调控冷却技术，实现多区域精准温度调控，降低系统能耗；针对传统炉底炉缸结构受铁水环流、热应力等因素影响，开发了基于水量动态调整的诱导侵蚀型炉底炉缸冷却体系，通过动态调整炉底炉缸水量，诱导炉底侵蚀向“锅底状”发展，提高炉缸安全性。

（2）开发基于煤气极致利用的绿色环保热风炉技术

高炉煤气的高效利用是实现高炉炼铁极致能效的重要手段，针对传统热风炉煤气利用率低、能源浪费等问题，开发了基于煤气极致利用的绿色环保热风炉技术。

针对煤气利用率低、蓄热体换热效率低等问题，首创低碳低氮旋切顶燃式热风炉燃烧器，开发了互锁式气流均衡高效格子砖，实现在助燃空气过剩系数≤1.03条件下煤气完全燃烧，蓄热体的利用率提高至80%以上。

开发了基于回收排压废气的多功能炉外充压、空煤气分时预热、“一烧两送”热并联等技术，实现无扰动换炉的同时，可100%回收废气中的热量和氧气，在相同条件下，可提高空煤气预热温度约60℃；提高平均送风温度约36℃。

开发了基于热风炉炉外均压技术及自寻优智能烧炉模型的多座高炉热风炉协同操作技术。可降低煤气管网压力波动约6kPa，实现烧炉煤气的极致利用。

（3）开发高炉放散煤气全量回收技术

针对炉顶均压煤气回收率偏低、回收时间长，休风放散煤气对空排放，造成环境污染及能源浪费等问题，建立了基于时间和压力耦合平衡模型的全回收智能控制系统，开发了除尘、引射等专利设备，实现均压煤气全回收，回收时间可控制在12秒以内，吨铁煤气回收量5~8Nm3。通过开发缓冲脱水、高效引射等回收装置及智能控制系统，实现休风放散煤气安全、稳定、高效回收，回收煤气含尘量≤5mg/Nm3。

三、主要创新性成果

（1）开发了高效长寿低碳高炉本体关键技术。构建了适用于多元炉料结构的高效低碳炉型“四步法”设计体系，开发了适用于高比例球团的变锥度炉型结构和高比例球团冶炼操作技术，开发了组合式冷却壁协同分段分区调控冷却技术和基于水量动态调整的诱导侵蚀型炉底炉缸冷却体系，实现球团矿入炉比例月度最高可达到64%，煤气利用率达52%，可以减少碳排放94.9kg/吨铁。

（2）开发了基于煤气极致利用的绿色环保热风炉技术。首创低碳低氮顶燃式热风炉燃烧器、多座高炉热风炉协同智能化操作技术，开发了“一烧两送”热风炉提质增效技术及互锁式新型气流均衡高效格子砖，单烧高炉煤气条件下，平均送风温度≥1250℃，吨铁碳排放降低96.4kg。

（3）开发了高炉放散煤气全量回收技术。首创“三级除尘+强制引射”的炉顶均压煤气全回收技术及休风放散煤气安全高效全回收技术，开发了适用于煤气回收的高效引射装备，建立了基于时间模式和压力模式的耦合平衡控制模型，实现了放散煤气全回收，可以减少碳排放4.4kg/吨铁，粉尘排放浓度≤5mg/Nm3。

本项目已获授权专利109件；其中发明专利30件（国外4件）；编制国家标准6项、行业标准和团体标准各1项；发表论文58篇。经中国金属学会科技成果评价，项目成果达到国际领先水平。多项核心技术入选工信部、中钢协、金属学会的推荐目录，印尼喀钢和马来西亚东钢项目获央视专题报道，核心成果获北京市科技奖一等奖、中冶集团科技奖一等奖。

四、应用情况与效果

本项目已经成功应用于河钢唐钢、天津荣程、兴澄特钢、印尼喀钢、马来西亚东钢等国内外82座高炉，通过创新技术与先进理念的深度融合，为高炉绿色发展、低碳转型及高效运用树立工程典范，致力于推动炼铁工艺迈向高效率、低成本与高质量的全新发展阶段，创造了显著的经济效益和社会效益。

河钢唐钢新建3座2922m3高炉，应用了本项目开发的变锥度炉型等多项绿色低碳高效炼铁技术，投产后各项指标先进，球团月度最高比例达到64%，煤气利用率可达52%，高炉稳定顺行，该项目先后荣获国家优质工程金奖等多项荣誉。

本项目成功应用于印尼喀钢和马来西亚东钢，为高质量共建“一带一路”做出贡献，提升了中国钢铁的国际影响力和竞争力，为推动经济合作与发展贡献了巨大力量。

主要完成单位：中冶京诚工程技术有限公司、唐山钢铁集团有限责任公司

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