1 前言
钢铁行业是CO2排放量大的产业领域之一，炼钢工艺主要有两种不同的工艺路线，即高炉-转炉（BF-BOF）路线和电炉（EAF）路线。BF-BOF路线每生产1t粗钢，排放1.8-2.0t的CO2，大约相当于EAF路线排放CO2的3倍。这是因为EAF路线炼钢工艺不需要氧化铁的还原能量，但目前原料废钢还不能充分满足世界钢铁需求量。由于难以用含有有害元素的废钢生产高级钢，因此确立高炉工艺中的低碳化技术是当务之急。
为了开发高炉工艺中降低CO2排放技术，到目前为止已经进行了很多项目研究。日本从2008年开始开展国家项目“Ultimate Reduction System for Cool Earth 50（COURSE50）”的研究。在COURSE50项目中，以高炉输入碳减少约10%，与约20%的高炉煤气（BFG）中的CO2分离回收相结合，以炼铁厂的CO2排放量减少30%为目标，使用试验高炉进行了面向高炉低碳化的实证试验。
关于使用试验高炉的原料评价和工艺评价，到目前为止，U.S. Bureau of Mines、东京大学、NKK、住友金属和LKAB等进行了很多研究。在欧洲实施的ULCOS项目中，提出了以氧气高炉为基础，从炉顶煤气中回收脱CO2煤气的工艺（TGRBF），使用LKAB集团的试验高炉实施了几次试验。正如ULCOS项目中提出的那样，认为循环利用炉顶煤气中未反应CO和H2对高炉的低碳化是有效的。然而，循环利用从炉顶煤气中脱CO2的气体对高炉低碳化产生影响的技术细节没有公开，也存在很多不明之处。
高炉工艺中碳的消耗形式可以从热平衡的角度分为三类反应。即，①在风口回旋区的碳燃烧；②氧化铁及其他脉石成分的碳直接还原；③渗碳到铁水中。在此，①回旋区中碳的燃烧反应，不仅是向炉内供给作为还原气体的CO气体，而且还担负着高炉过程的供热。另外，在②碳直接还原中，除了熔融还原之外，还包括CO或H2还原氧化铁生成的CO2或H2O与碳的气化反应。氧化铁还原所需的热量取决于还原反应，即CO还原，氢还原和直接还原的比率。其中，氢还原和直接还原是吸热反应，特别是直接还原需要大量的热，但在高炉操作中，根据这些反应量，调整风口回旋区的碳燃烧量。因此，为了减少高炉工艺中还原铁矿石所需的热量，使直接还原量减少，认为置换为间接还原（CO还原或氢还原）是有效的。图1是COURSE50高炉的低碳化概念。在现在的高炉操作中，CO还原、氢还原、直接还原的反应比例分别为约60%、10%和30%，氢还原率为10%左右比较低，因此通过进一步促进氢还原，减少直接还原量，有望降低高炉工艺中的碳单耗。
Watakabe等人报告，在COURSE50项目中，使用LKAB集团的试验高炉实施了吹入氢系气体的试验，通过将设想的焦炉煤气（COG）和改质COG合成的气体吹入，随着氢还原率增加，直接还原率减少，碳单耗减少。另外，氢系气体吹入也提示了CO还原率降低。还指出，从炉身风口吹入改质COG与通常从风口吹入COG相比，向径向的煤气渗透深度降低，H2气利用率降低。
据上述结果，认为氢系气体通常从风口吹入比从炉身风口吹入更合适。另外，炉顶煤气循环将炉顶煤气含有的对还原没有贡献的CO、H2气体重新用于还原，因此可以抑制氢气吹入时CO还原率降低，促进直接还原率的进一步减少。此外，使用高还原性的烧结矿也能够抑制氢系气体吹入时CO还原率的降低，可以促进直接还原率的进一步减少。
因此，在COURSE50项目中，以减少高炉约10%的二氧化碳为目标，通过使用试验高炉的验证试验，定量评价了COG喷吹、炉顶煤气循环利用以及使用高还原性烧结矿的反应控制对碳单耗减少的影响。本文介绍了上述验证试验中获得的定量评估结果。
2 试验
2.1 试验高炉设备概要
在东日本制铁所君津厂内，利用一座炉容积为12m3的试验高炉，验证了前述反应控制技术的碳削减效果。图2展示了该试验高炉的示意图，而表1则列出了主要设备的规格参数。该高炉的炉缸直径为1.2m，从风口至炉料堆放水平的高度为6.5m，配置有1个出铁口和3个风口，且在距3个风口上方1700mm处设置了3个炉身风口。为取样炉内气体和炉料，高炉在高度方向上三个水平位置（分别为风口上方2059mm、3902mm和5503mm）配备了水平探头，这些探头可在操作过程中进行水平方向的温度和煤气组成测量，以及原料采样。
试验高炉及其周边设备的布局如图3所示。与实际高炉相似，试验高炉通过热风炉供应约1000℃的富氧热风。每个风口均配备煤粉供给罐，并通过定量排出装置将煤粉从风口吹入。同时，利用钢铁厂内的实用程序，将COG从风口吹入。此外，在进行炉顶煤气循环操作时，将试验高炉产生的炉顶煤气送入30t/d规格的CO2分离设备（CAT30），并使用电加热器将去除CO2和水分后的气体（以下简称RG）加热至约800℃，再从炉身风口吹入。
2.2 反应控制的操作
为了评估在试验高炉中通过COG吹入、炉顶煤气循环以及高还原性烧结矿的使用对反应控制碳单耗的影响，进行不同试验，如图4所示。基础操作是作为基准的现有高炉喷吹煤粉操作。操作A涉及从风口吹入COG。操作B和C则是在风口吹入COG的同时，从炉身风口吹入RG。在操作C中，相较于操作B的条件，还额外考虑了使用高还原性（高JIS-RI）烧结矿。在各操作中，如表2所示，设定了煤粉、COG和RG的吹入量，并调整焦比以确保铁水温度达到1450℃。
通过高炉数学模型估算碳单耗降低比例。按照操作A、B、C的顺序，碳单耗的降低比例依次递增，其中操作C预计可减少约10%的碳单耗。因此，在试验高炉操作中，进行了基础操作及操作A、B、C三个水平的试验，以验证各操作条件下的碳单耗效果。
2.3 试验高炉的操作方法
试验高炉的操作共实施了4个炉役，每个炉役持续约30天。在各炉役中，进行了如图4所示的基础操作以及三个不同水平的试验操作，比较了各操作的碳单耗降低比例，并验证了其再现性。
用于试验操作的焦炭粒径为15-25mm，烧结矿和块矿的粒径均为10-25mm。关于烧结矿的还原性，基础操作、操作A和操作B使用的是JIS-RI为64%的烧结矿，而操作C则使用JIS-RI为72%的烧结矿。
点火启动后，包括炉底耐火物温度在内的各项指标基本达到稳定状态需10天。稳定后，继续进行约4天的基础操作，在定量评价物料平衡的同时，利用上述水平探头测量炉内温度和气体组成。测量结束后，将操作切换至下一个计划，在约2天的过渡期内稳定铁水温度并进行卸载，随后再次定量评价物质平衡，并测量炉内温度和气体组成。此过程反复进行，直至完成所有试验的切换。每次出铁时，均测定铁水温度和铁矿渣成分。
所有试验结束后，立即将炉内气体置换为N2进行冷却。当炉内温度降至100℃以下后，将N2切换为空气，继续冷却约2周。冷却完成后，对炉内物料进行解体调查，记录炉料的层结构状态，并回收炉内物料，分析矿石的还原率等数据。
3 试验结果和讨论
为了验证上述反应控制对降低操作A、B、C碳单耗的影响，共进行了4个炉役的试验。以第4个炉役试验为例，在试验高炉操作过程中，在保持出铁量和送风量等各项指标恒定的前提下，通过调整焦比，使铁水温度达到1450℃。在此期间，送风量和出铁量均未出现急剧变化，操作严格按照计划进行，稳定性良好。其他3个炉役操作也均采用稳定的操作方式，保证其再现性优异。
在各水平试验期间，选取连续24h作业中各项指标基本稳定的时段，对该时段的各项元素进行平均计算，并开展全面的物质平衡和热平衡分析。表3展示了试验高炉作业在各水平下的平均各项数据。将实际分析结果中各水平的CO还原率、氢还原率、直接还原率以及碳单耗等指标与基础操作进行了对比分析。
实际各项分析与高炉数学模型分析所得到的各水平CO还原率、氢还原率及直接还原率结果显示：与基础操作相比，喷吹COG的操作A使CO还原率略有降低，但氢还原率增加了约10%，直接还原率减少了约10%。在操作B中，通过炉顶气体循环操作，间接还原率（即CO还原率与氢还原率之和）较操作A进一步增加，而直接还原率则有所减少。在操作C中，通过使用高还原性烧结矿，相较于操作B，CO还原率的提升虽然微小，但氢还原率显著增加，直接还原率进一步减少。如表3所示，操作C的CO煤气利用率和H2利用率相比操作B有所提高，这被认为有助于直接还原率从16.5%降至16.0%。上述结果表明，喷吹COG、炉顶煤气循环利用以及使用高还原性烧结矿作为反应控制手段，有效降低了直接还原率。高炉数学模型的分析结果也精确地定量捕捉到了各水平还原形态的变化。
通过实际各项分析得出了总氢投入量与氢还原率之间的关系，即线性正比例关系。在此，总氢投入量不仅包括COG中的氢成分，还涵盖从风口吹入的PC、COG中的碳氢化合物、鼓风湿分在风口前分解生成的氢，以及从炉身风口吹入的氢的总量。随着氢投入总量的增加，氢还原率呈现出线性增长趋势。这表明，在本次试验范围内，供给高炉的氢气以近乎相同的效率促进了氢还原。与操作B相比，操作C在相同总氢投入量下的氢还原率更高，这一点从表3所示的H2利用率变化中也可得到验证，进一步确认了高还原性烧结矿的使用效果。
基于各水平操作实绩分析得出碳单耗明细，相较于基础操作，按照操作A、B、C的顺序逐步递减，这一趋势与高炉数学模型预测的碳单耗减少效果一致。各操作碳单耗的降低，对整体碳单耗的减少起到了显著作用。碳单耗可通过直接还原率公式进行换算，因此其变化也与各水平操作的直接还原率的变化相吻合。
另外，在操作C中，风口回旋区的燃烧碳量减少。这是因为使用高还原性烧结矿，直接还原率减少，还原所需热量减少，高炉过程整体所需热量也减少。操作C的碳单耗相对基础操作减少约10%。比较各水平操作的碳单耗试验结果和高炉数学模型计算结果发现，相对于基础操作，操作A、B、C的碳单耗削减比例分别约为4%、8%和10%。对于该碳单耗降低比例，试验结果和高炉数学模型的计算结果基本对应，考虑到各操作水平的直接还原率变化的对应状况，高炉数学模型在炉内总反应量方面基本可以说明试验结果。
接下来，考虑各个操作条件下的热平衡变化。在操作A中，尽管氢还原所需热量增加，但直接还原所需热量减少，总体上氧化铁的总还原所需热量较基础操作有所减少。此外，操作B由于直接还原所需热量进一步降低，氧化铁的总还原热量较操作A更低。在操作C中，氢还原所需热量的增加与直接还原所需热量的减少基本抵消，因此总所需还原热量与操作B基本持平。
为评估各操作条件下高炉工艺特性，分析试验高炉的热平衡结果。整个过程的总输入热量包括送风显热、RG显热和风口回旋区的碳燃烧热，构成了试验高炉工艺操作中的能量投入量。而总热消耗量则涵盖氧化铁、脉石成分的还原热、铁水熔渣显热、炉顶煤气显热、PC分解热、COG的分解热以及热损失等，代表了试验高炉铁水生成过程中所需的能量消费量。由于氧化铁的还原总需热量减少，操作A的总输入热量和总热消耗量较基础操作有所降低。操作B在从炉身风口吹入RG的过程中，尽管氧化铁的还原热量减少，但炉顶煤气显热和热损失较操作A增加。因此，可以看出，尽管从炉身风口吹入RG的操作有助于减少碳单耗，但不一定有助于降低整个工艺的总输入热量。操作C同样实施从炉身风口吹入RG，总所需还原热量与操作B大致相同，但由于使用了高还原性烧结矿，煤气利用率提高，炉内煤气量减少，炉顶煤气显热和热损失随之减少，有助于降低整个工艺的总输入热量。
根据高炉数学模型计算的各操作条件下风口方位断面的炉内固体温度分布情况进行分析。首先，分析炉上部的升温速度差异。在操作A中，炉上部的升温速度（即温度梯度）相较于基础操作显得偏低。这主要是由于富氧率的提升导致炉内煤气量减少（热流比增加）所致。在操作B中，炉上部的升温速度因从炉身风口吹入RG导致炉内煤气量增加（热流比减少）而得以恢复。然而，在操作A中，炉身风口水平壁附近的温度升高至约1000℃；而在操作B中，由于从炉身风口吹入的RG温度为800℃，因此炉身风口上方壁附近的温度有所降低。在操作C中，与操作B相比，炉上部的升温速度有所下降，但正如前述，这是通过使用高还原性烧结矿提高了煤气利用率，从而减少了炉内流通的煤气量所引起的。
接下来，分析软熔带水平的变化情况。操作A中，炉上部的升温速度相较于基础操作有所降低，然而软熔带水平却呈现上升趋势。这一现象源于操作A的间接还原率提升，导致炉下部的还原负荷减轻，进而使得实际炉下部的热流比下降。基于此，软熔带的厚度也随之变薄。相比之下，操作B的软熔带水平低于操作A。这主要归因于从炉身风口吹入的RG温度为800℃，导致炉内温度降低。此外，操作C的软熔带水平相较于操作B进一步降低，这是由于炉内煤气量减少，进而引起热流比增加所致。
高炉数学模型分析中各操作条件下断面平均固体温度与矿石还原率的关系为：矿石还原率随固体温度的升高而增加。操作A的矿石还原率得益于氢还原的作用，在从低温到高温的整个温度范围内，均高于基础操作的矿石还原率。操作B在高于800℃的高温区域，矿石还原率的梯度显著增大，这被认为是炉身风口吹入RG的效果所致。操作C几乎在所有温度范围内，与其他操作相比，矿石还原率最高，这归因于高还原性烧结矿作用。
对比操作A径向H2浓度分布的水平探头测定结果与高炉数学模型的计算结果，发现大部分氢还原发生在水平探头的下段至中段水平区域。高炉数学模型的径向H2浓度分布计算结果与实际测量结果呈现出良好的对应关系。
其次，为了评价炉内矿石的还原状态，在操作中或在停炉后回收炉内的炉料，分析比较了矿石还原率。在操作B中，比较高炉数学模型分析的矿石还原率与通过分析水平探头采样的炉料获得的矿石还原率，确认了两者比较一致；再比较高炉数学模型分析的矿石还原率的计算结果与停炉后回收的炉内炉料获得的矿石还原率，发现停炉后回收的炉上部炉料的矿石还原率高，在料层顶部约为10%。从停炉前的最后一次装入到停炉需要几分钟，料层顶部的矿石还原率增加到了10%左右。若考虑到这一点，测量结果和计算结果非常一致。计算结果与实测结果良好吻合，表明高炉数学模型可以在从风口吹入COG和从炉身风口吹入RG的条件下高精度地预测炉内状态。
综上所述，试验高炉操作证明了通过上述操作的反应控制可以减少高炉的碳排放量，同时通过使用高炉数学模型分析，结合实测值从理论上揭示了炉内状态的变化。
4 结语
通过从风口吹入COG、从炉身风口进行炉顶煤气循环操作以及使用高还原性烧结矿的措施，有效控制了降低最大吸热反应的直接还原反应量。通过高炉试验，验证了能否降低10%碳单耗的可行性。在从风口吹入COG的过程中，尽管CO还原率略有下降，但氢气还原率提升了约10%，直接还原率减少了约10%，最终确认碳单耗降低了约4%。此外，通过炉身风口的炉顶煤气循环操作，进一步降低了直接还原率，碳单耗降幅达到约8%。在此基础上，结合使用高还原性烧结矿，提升了CO和H2的利用率，减少了风口回旋区用于供热的燃烧碳量，成功实现了COURSE50的目标，碳单耗削减约10%。因此，确认从风口吹入COG、从炉身风口进行炉顶煤气循环操作以及使用高还原性烧结矿的组合措施，可作为高炉工艺中降低碳单耗的有效手段。
