引言

我国钢铁工业碳排放量占全国碳排放总量的15%～18%，是制造业中碳排放量最高的行业。其中炼铁工序作为钢铁行业最大的碳排放环节，其碳排放量占整个钢铁流程碳排放量的70%以上，因此炼铁工序的低碳降耗对我国实现“碳达峰、碳中和”尤为关键。从当前各种炼铁生产流程的工艺特点看，由于熔融还原和直接还原炼铁工艺仍处于发展阶段，在今后一定时期内高炉炼铁仍将是我国炼铁生产的主流程[1-2]。近年来，随着高炉冶炼技术的进步，以高碱度烧结矿为主要炉料结构的高炉在用能效率上已接近极致，要进一步降低高炉炼铁工序的碳排放，则需要从能源种类、炉料结构上进行变革。能源种类变革中，利用富氢能源替代部分碳素原料，是当前研究的热点方向，但受我国能源结构以及制氢、储氢等技术的限制，目前无法在我国大规模应用。因此，使用低碳炉料替代现有的高能耗、高排放的烧结矿必将成为我国今后高炉实现低碳冶炼的主要技术路线之一[3-4]。

为深入贯彻落实“绿色、低碳”的发展理念，唐钢积极探索，倾力打造了“绿色、智能、品牌化”钢铁沿海基地，从建设之初就决定采用50%以上（高比例球团+块矿）的低碳炉料结构设计，其建有3座2922m3高炉，2台360m2烧结机、2台760m2带式球团焙烧机，是国内首例从炉料供应、设计炉型、冷却系统配置以及生产组织等方面进行系统考虑、优化，能适应高比例球团冶炼特点的大型高炉冶炼企业，真正践行了高炉生产绿色化、炉体结构长寿化、炼铁装备智能化、污染物减排源头化的理念。

低碳背景下入炉炉料结构

在常规高炉使用固体碳素燃料（焦炭+煤粉）的条件下，高炉使用高比例球团冶炼是破解中国钢铁长流程降低污染物排放总量、实现低碳冶炼和可持续发展的最佳举措，是高炉降低碳排放的重要基础条件。

1.1球团矿相比烧结矿的低碳生产优势分析

同烧结矿相比，球团矿生产在节能、低碳和有害气体排放等方面都具备明显优势。据相关统计，球团产生的烟气排放量只有烧结的75%左右，吨矿产品SO2排放强度和CO2排放强度约为烧结的1/2，NOX排放强度只有烧结的1/3，工序能耗约是烧结矿的一半。在当前日益严苛的环保政策背景和严峻的市场形势下，球团生产工艺在环保投入和运行成本上具有显著优势，是以高炉为核心的炼铁系统实现碳中和目标的关键。

1.2高炉使用球团矿节能优势分析

烧结矿品位大多在52%～58%之间，而球团矿的品位普遍高于60%。高炉冶炼实践证明，入炉品位每提高1%，燃料比下降1.0%～1.5%[5]，高比例球团是提高高炉入炉矿品位的有效途径。2016年开始在唐钢公司不锈钢分厂在1#450m3高炉进行了高比例球团炉料结构工业试验，球团矿比例最高达到80%且实现了稳定生产。唐钢新区高炉建成投产后，充分发挥高比例球团炉料结构的炉型设计的优势，伴随碱性球团质量攻关，低温还原粉化指标逐步改善，高炉基本操作制度不断优化调整，高比例球团的品位优势不断得到释放，高炉技术经济指标得到突破性提升，实现了高炉长周期稳定顺行。唐钢高炉烧结矿入炉配比变化如图1所示。

高炉低碳生产实践

实现高炉稳定、顺行、低耗，是高炉全生命周期实现低碳减排的重要研究内容，唐钢持续推进高风温、富氧喷煤等关键共性技术的再创新，进一步降低高炉碳素燃料消耗，减少CO2排放。

2.1维持稳定的操作炉型

唐钢新区高炉炉体系统采用全铸铁冷却壁，100%水冷（包括炉喉钢砖）。炉体冷却设备、炉底、风口大套、风口中套采用软水密闭循环冷却系统，风口小套采用高压工业水冷却系统。针对高比例球团入炉结构和全铸铁冷却壁设计特点，摸索出高比例球团冶炼条件下全铸铁冷却壁高炉合理炉型控制的措施，将铸铁冷却壁温度、砖衬温度控制在合理范围，在日常操作上保持壁体温度上部稳定、下部小幅波动，做到“上稳下活”，制定并严格执行全铸铁冷却壁炉体水温差“红、蓝、黄”预警机制和攻守退措施（见表1），水温差控制在2.0℃~3.0℃,维持高炉合理操作炉型。

2.2高风温技术

高温热风为高炉冶炼提供约19%～22%的热量，是活跃炉缸的最经济的热源来源，同时也是改善煤粉燃烧行为、提高煤焦置换率的必备条件，对于优化钢铁厂能源结构、降低能源消耗和实现节能减排具有重要的现实意义。

唐钢新区采用旋切式顶燃热风炉，具有高风温、高效率、长寿命等优点。随着2022年低热风炉废气脱硝设备的建成和投入使用，消除了环保因素对热风炉烧炉的制约，送风温度得到明显升。同时，加强炉内小班风温使用管理，严禁使用风温调剂炉况，高炉实现1220℃以上高风温操作。唐钢高炉风温变化如图2所示。

2.3富氧喷吹技术

高炉富氧能有效降低炉腹煤气量，改善高炉透气性，进而提高利用系数，也能够有效补偿喷煤后风口前要求达到的理论燃烧温度，保证炉缸具有足够的高温和良好的热状态。经验表明，在一定范围内高炉富氧率提高1%，燃料比下降0.5%，增产2.5%～3.0%。

唐钢高炉2021年平均富氧率为3.53%，在炉况顺行基础上，通过不断技术攻关，2023年富氧量维持在28000m3/h，富氧率达到6.0%。随着高风温、高富氧技术的不断进步，较高的理论燃烧温度为提高煤粉喷吹量创造了条件，进入2024年以来唐钢高炉煤比达到170kg/t，焦比降至345kg/t。唐钢高炉煤比及富氧率变化如图3所示。

2.4提高煤气利用率

正常炉况下顶压控制在设计的安全最大值使用。高顶压操作可有效降低炉内煤气流速，延长煤气在炉内的停留时间，从而改善炉内铁料的还原动力学条件，提高间接还原度，降低燃料比。在布料制度方面以“稳定边缘、确保中心”为主线，同时，结合球团矿易滚动的特性，对布料的最大角度、角差、平台进行相应调整，逐步提高煤气利用率，唐钢高炉基本布料制度见表2。原燃料质量较好、炉况顺行较好时，通过减少边缘矿圈和增加边缘焦圈适当降低边缘负荷，略开放边缘气流等措施来提高煤气利用率；原燃料质量变差、炉况顺行变差时，通过增加边缘矿圈和减少边缘焦圈适当提高边缘负荷，控制边缘气流等措施提高炉况顺行能力。此外，制定了详细的攻守退措施，结合静压壁体波动情况，加减边缘矿圈和焦圈，让高温区适当下移，在保持整体温差不变的前提下，控制合理的操作炉型；同时进一步优化布料平台，在炉况稳定的情况下，逐步减少中心焦比例，改善煤气利用，2023年煤气利用率达到47.9%。

2.5低硅冶炼

强化源头管控，对烧结矿、球团矿的生产过程和质量标准进行有效控制，确保入炉原料中二氧化硅的稳定，为高炉低硅冶炼打下基础。同时确定了合理的热制度与造渣制度：铁水中[Si]含量控制范围调整为0.3%～0.4%，铁水中[S]含量控制在0.025%～0.035%，确保铁水物理热在1500℃以上；适当提高炉渣三元碱度，控制炉渣R2在1.18～1.22之间，镁铝比在0.55～0.60之间，渣中Al2O3控制在15%左右，炉渣R3在1.48～1.50之间。根据炉况变化，及时进行热制度及造渣制度的适应性调整，保证炉渣黏度合理，流动性良好。2023年全年3座高炉铁水[Si]含量平均值为0.37%，较2022年的0.42%下降了0.05%，理论可降低焦比2～3kg/t。唐钢高炉铁水炉温、物理热变化见表3。