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《钢铁》丨【“三高”论文推荐】朱国海：高炉富氢还原研究

时间：2023-09-13 来源：浏览：

《钢铁》丨【“三高”论文推荐】朱国海：高炉富氢还原研究

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高炉富氢还原研究

朱国海

(液化空气(中国)研发有限公司，工艺过程与工程，上海 201108)

摘要： 为探讨高炉富氢的可行性，介绍了氢气的来源和成本，从理论和实践两方面综述了富氢气体还原对高炉操作的影响(氢还原的优点和不足)，对回旋区理论燃烧温度(RAFT)、炉腹煤气总热和化学能(TCE)、炉顶煤气温度(TGT)等高炉氢还原合理操作参数的选择，回旋区大小的确定及回旋区与高炉透气性指数及压降的关系进行了论述，同时对富氢还原不同操作参数选择的增产降焦效果进行了比较分析。介绍了高炉富氢还原一些有待研究的问题、富氢对高炉煤气使用的影响及氢气使用安全等有关问题。综合论述了富氢对高炉操作的影响以及操作参数选择的方法，同时阐明了回旋区尺寸确定与厄根方程之间的关系。

关键词： 高炉；富氢还原；操作参数；回旋区大小；透气性指数

全球钢铁工业碳排放约占全部工业排放量的30%，占人类总碳排放量的约7%(direct CO ₂ emissions sources 2014, IEA);高炉转炉长流程钢铁生产约占全部钢铁产量的70%，高炉炼铁的能耗与碳排放约占长流程工艺的70%，所以高炉炼铁正面临日益增长的碳减排压力。但高炉工艺发展已极为成熟，其能耗水平的先进指标被认为已接近热力学极限。因此，一些突破性、革命性的非碳炼铁新技术正在被开发，如铁矿石电解、氢闪速或直接还原炼铁等。但在这些突破性技术大规模推广应用之前，高炉工艺仍将不可忽视。尤其是中国这样高炉工艺所占比例近90%、生铁产量达到77 000万t(2018年)、占全球总生铁产量比例达60%以上的国家，必须思考如何进一步减少高炉工艺的碳排放。氢还原由于其还原产物不产生碳排放，正日益受到高炉工作者的重视。本文将介绍作者在液化空气集团承担高炉富氢还原的一些文献研究和思考，包括氢还原对高炉的影响，高炉富氢还原下操作参数的选择，如回旋区理论燃烧温度(RAFT)等受的制约和回旋区大小确定与透气性指数和压降的关系，操作参数选择对产量和焦比的影响，以及氢还原的其他方面，如氢的来源和成本、氢的安全使用和产生的新研究课题等。

氢的来源和成本

众所周知，传统高炉富氢可通过喷吹高氢碳比燃料/还原剂来实现。喷吹焦炉煤气、天然气、燃料油比喷吹煤粉的富氢影响更明显，见表1和表2。

但焦炉煤气、天然气、燃料油、煤粉都是化石燃料或来源于化石燃料，使用会产生碳排放、减排需要捕集排放物并加以利用(CCU)。高炉也可通过直接喷吹氢气来减排，如液化空气与蒂森克虏伯合作在杜伊茨堡9号高炉喷吹氢气试验。氢气可由化石燃料(天然气重整或煤气化)、生物质(气化或裂解)、水(电解)或它们组合而制得。根据IEA给2019年日本G20会议的报告(The Future of Hydrogen)，目前，天然气是氢生产的主要来源，天然气、蒸汽、甲烷重整主要用于氨、甲醇和炼油行业的专用氢生产(约7 000万t)，约占专用氢产量的76%；煤气化生产专用氢主要在中国，约占专用氢产量的23%；其余专用氢生产来源于油或电。水电解制氢产量约占氢总产量的2%。氢的生产成本随地区差异明显(图1)，主要受化石燃料、电和碳成本的影响。目前及未来10年低成本制氢的主要来源为天然气和煤(图2和图3)。电解制氢只有在低电价(USD 10~40/(MW·h))和大规模高负荷(年运行3 000～6 000 h)下(图4)才有竞争力。

理论上，只有绿色氢，如利用风电、水电、核电、生物质和太阳能(通过水电解或光催化分解)等绿色电或能源产生的氢代替碳还原才能达到真正的碳减排。未来随着绿色能源技术的发展(绿色电的成本将大大降低)和碳排放成本的增加，有可能使绿色氢在高炉的应用成为现实。历史悠久的加湿鼓风技术可显著增加煤气中氢含量，本质上是利用高炉直接生产氢并用于还原，这也有望成为潜在的作为氢源的可选技术。

富氢气体还原对高炉的影响

2.1氢还原对高炉的影响

从炼铁文献及实践可知，还原煤气的氢含量越高，高炉运行越平稳，高炉指标也更好(生产率更高和焦比更低)。这是由于氢气的特殊性，其分子小导致其密度和黏度低，因此，富氢煤气具有更出色的扩散性和渗透性，气体与炉料之间的热交换更好，还原动力学条件更佳，还原过程也更快，从而提高生产率；同时，氢还原改变了铁矿直接还原和间接还原的比例，降低了还原热量需求，也有助于降低焦比。文献研究表明，增加高炉煤气氢含量将导致：

(1)炉料熔化开始温度明显增加,滴落温度只轻微增加，从而缩小软熔带区间并降低软熔带位置，炉料透气性有望改善;减少煤气的密度和黏度，从而明显减少气流阻力和高炉压差，改善高炉透气性，可增加风量和高炉产量。

(2)由于H ₂ 比CO还原更快,从而增加还原度和生产率; 同时氢的高热传导率有助于增强还原煤气和其他相之间的热传导，从而改进高炉的工艺效率。

(3)增加氢还原浮氏体，可降低吨铁还原所需碳量并降低直接还原比例，氢还原浮氏体虽然是吸热反应，但比通过碳进行直接还原耗热要少得多；另外，由于吨铁碳还原减少，二氧化碳产生也可减少，因此还可以减少碳溶损反应。直接还原和碳溶损失反应都是强吸热反应，因此富氢还原可以改善高炉热平衡，降低每吨铁水的碳消耗量(焦比)，即降低CO ₂ 排放量。

(4)改善炉缸工作条件，煤气中氢含量增加将减少烟灰(soot)和焦炭灰分产生，因为喷吹氢气或天然气或焦炉煤气不产生渣，而焦炭或煤粉的灰分在高温区熔化成渣并恶化炉缸工作状况。同时，由于碳直接还原和高温区气化反应减少，对高温区焦炭强度破坏作用将减少，这有助于高炉操作。此外，由于富氢煤气操作时高炉碳直接还原比例下降，炉缸理论燃烧温度(RAFT)可适当降低。

(5)由于氢还原代替部分碳还原,焦/煤比将降低,从而降低渣量和熔剂的消耗；同时，由于高温区氢比碳还原能力更强，炉渣成分接近终渣成分将更快，炉腹渣融熔及流动性会更好。这意味着回旋区炉渣碱度可适当降低，从而有助于造渣过程和操作。

(6)减少铁水硅含量和化学成分的偏差和波动。如前所述，富氢操作可适当降低RAFT并使软熔带位置下移，从而有助于减少硅还原和迁移，降低铁水硅含量；同时，由于炉况会更稳定及直接还原比例减少，炉缸热状态也会更稳定，从而减少铁水硅和化学成分的波动。氢还原比例越高，铁水的纯度越高。

另一方面，富氢还原也存在以下问题：

(1)从热力学来看，氢还原较碳还原优势不明显。根据化学反应当量，1个氢分子只能夺取1个氧，而1个碳原子能夺取2个氧原子。而且碳风口前燃烧生成高温CO气体，CO在高炉上部比氢还原性更强，且是放热反应；而氢还原只在高温区有优势，也不产生热量。

(2)如果氢或富氢燃料以低于炉缸温度喷入，就需要富氧和热补偿措施。同时，由于氢还原是吸热反应，如果氢还原比例过高，上部温度场分布和热交换可能受影响。

(3)对炉料和料柱透气性可能产生一些不利影响。煤气中氢含量增加，炉料软化开始温度降低而软化结束温度升高，这意味着软化区间变宽; 炉料上部还原粉化率(RDI)会增加；文献曾报道COURSE50项目在LKAB试验高炉喷吹富氢焦炉煤气和重整焦炉煤气操作时，高炉上部温度降低，延长了烧结在粉化区间停留时间，造成烧结粉化有所增加。由于煤气氢含量增加，焦炭与水反应增加，造成焦炭强度降低，尤其是在上部低温区。由于氢间接还原增加，渣中铁氧化物含量降低更快，这对初渣的熔化和流动也有一定影响。

2.2高炉富氢的数学模拟研究

高炉模拟计算和研究证实了以上结论并提供了更丰富的信息。文献报道，天然气、废塑料喷吹和加湿鼓风富氢时，高炉内氢气最高浓度出现在燃烧反应或水气反应几乎完成的回旋区的边缘区域。炉身氢浓度由于还原消耗一般均会下降，但高炉上部及炉顶煤气中氢含量由于高炉中上部水煤气置换反应(CO + H ₂ O= CO ₂ + H ₂ )的存在比中部反而有所增加，导致氢的利用率下降，而CO利用率增加，煤气中由于水煤气置换反应产生的CO ₂ 比例明显增加，尤其是随着下部炉缸煤气中氢含量增加而更明显，这说明水煤气置换反应在初始煤气氢含量高时的影响更显著。炉顶煤气中氢和水分总含量则由于富氢而增加。由于氢还原的动力学优势，炉料在融熔前的(间接)还原度增加，炉身下部碳直接还原度均明显下降，相应地，炉内温度分布也发生改变：炉身上部由于氢还原需吸收热量及富氢后还原速度加快进而炉料下降加快而温度下降明显，从而炉顶煤气温度(TGT)也降低；但炉身下部在与不富氢高炉保持相同炉腹煤气量和炉缸煤气温度时，由于碳直接还原、溶损反应及硅还原的减少，温度基本没有下降。高炉产量由于富氢而增加，喷吹天然气［140 kg/t(铁)］和纯氢(煤气中氢43%, 保持TGT高于100 ℃)时可增产近40%。这主要是氢还原速度较快(料速加快)、透气性改善、负荷加重(除加湿鼓风外)所致。焦比除加湿鼓风由于水煤气反应(C + H ₂ O= CO + H ₂ )消耗大量热量及加湿鼓风不产生燃烧热抵消了碳直接还原度降低的益处而上升外，其余富氢燃料或纯氢喷吹时均由于碳直接还原和溶损反应减少而大幅下降。纯氢喷吹时，焦比下降基本与氢喷吹量增加呈线性关系，但考虑到氢气与碳分子质量的差别，如果以氢气喷吹质量的6倍与碳质量之和作为总还原剂来比较，则喷吹纯氢前后，总还原剂量基本保持不变。在保持炉腹煤气量不变的情况下，尽管喷吹氢气后焦比减少、炉料中焦炭层减薄，但模拟的压差仍然减少。分析原因为，炉身温度下降导致气流速度下降以及煤气氢含量增加导致煤气密度下降，其中后者为主要原因。因为压降主要产生在软熔带，而软熔带温度在模拟时是始终保持不变的，如果喷吹氢气后希望维持产量不变，那么风量可适当控制，压差降低就会更大。文献在模拟焦炉煤气喷吹时发现，当保持RAFT和炉腹煤气量不变时，随煤气中氢含量增加(焦炉煤气喷吹量增加)，根据文献公式计算，回旋区体积呈缩小趋势。因此，在喷吹富氢物质或纯氢时，风口直径和鼓风参数必须重新考虑。文献同时报道，随着煤气中氢含量的增加，软熔带区间有所缩小且位置下降；高炉压差由于煤气氢含量增加导致扩散速度增强及软熔带变薄而明显减少。

因此，高炉富氢必须考虑回旋区体积可能缩小对初始气流分布的影响、炉身温度降低对RDI和炉料强度的影响、氢利用率下降及炉顶煤气中氢和水含量升高对安全等可能带来的不利影响。此外，富氢时如维持RAFT不变，一般需富氧并减少鼓风量，这样鼓风带入的热量也就会减少，也会降低炉身温度。文献模拟了热装球团和焦炭、炉顶煤气或还原气炉身喷吹来补充高炉中上部热量的影响。结果表明，氢利用率增加、高炉上部供热改善(炉身上部温度增加、还原改善)，从而产量、焦比、燃烧比也有所改善。但据计算模拟研究及LKAB试验高炉试验，炉身气体喷吹气流可能喷不到高炉中心。

文献使用Aspen Plus和FactSage/ChemApp构建的高炉模型模拟了只喷吹氢气及氢气和煤粉联合喷吹对高炉CO ₂ 减排的影响。在只喷吹氢气条件下，由于氢气的比热容(标况下为14.3 kJ/(kg·K))非常大，氢如不加热喷入高炉就需要增加富氧并减少风量以保持RAFT水平。因此，氢气加热喷吹降焦比及提高(氢对焦炭)置换比的效果比常温喷吹更明显；同时，氢气喷吹量越大，降焦比和氢对焦炭的置换比效果越不明显。这主要是因为氢气喷吹量越大，需要富氧越多，鼓风带入热量就越少，增加了焦炭消耗。模拟还发现，炉顶煤气中氢含量随着喷吹量增加而增大。当氢喷吹量为吨铁60 kg时，炉顶煤气中氢体积分数可达32.36%，质量为吨铁40 kg。这说明，由于存在水煤气置换反应的热力学限制，只有部分氢气参加铁矿石还原反应。因此，从氢利用率和降低每吨CO ₂ 排放需要的氢来看，存在一个最优的氢喷吹量，约为吨铁27.5 kg，此时氢利用率为43.9%，CO ₂ 减排每吨最小需氢量为95.0 kg/t。当氢气和煤粉共同喷吹并和单独喷吹氢气保持相同的边界条件(相同的RAFT、风温、风压和顶压，相同的铁水碳含量)时，较高煤粉喷吹量会导致较低的置换比，但同时喷吹氢可增加置换比；氢的利用率在喷吹30 kg/t(铁)时最高，同时，增加煤粉喷吹量，氢的最高利用率也增加，因为氢参加还原的机会增加。在其他条件不变时，如果降低RAFT，焦比也可以降低，因为热补偿要求降低了。

2.3富氢还原对高炉的实际影响

焦炉煤气喷吹和天然气喷吹实践证实了2.1节和2.2节文献研究结果，并提供了更丰富的知识和经验。

(1)由于氢还原增加间接还原比例、减少了强吸热的碳直接还原反应，需要的RAFT可以大幅降低。文献报道在风温小于900 ℃无富氧条件下天然气喷吹58 m ³ /t(铁)时，炉况较不喷天然气更稳定。文献报道在无富氧条件下，天然气喷吹可达85～90 m ³ /t(铁)，RAFT在1 800 ℃温度下炉况仍可稳定操作。

(2)根据不同的市场和原料、工艺条件(风温、富氧、喷吹)，高炉生产的操作策略(操作参数)选择会有不同。文献报道，在只喷吹天然气下，以保持不变的利用系数、最小化富氧率和焦比为目标的操作较追求高利用系数为目的的操作，前者每千克天然气耗富氧为0.7 kg而后者为0.9～1.1 kg, 前者的天然气焦炭置换比约为1.1而后者约为1.0。前者即便在天然气喷吹增加情况下，RAFT也可控制较低；两者比较表明，前者每喷吹1 kg天然气可降低RAFT约5.1 ℃，而后者只降低约3.9 ℃。原因是较高生产率情况下需要更高的炉料和铁水的融熔热量，且后者的富氧率往往也较高。由于在同样耗氧量情况下，通过富氧带入的热量比鼓风带入的热量一般要少约2.64 MJ/t(氧)(氮气从风温到炉顶温度间的典型热量)，为满足热交换要求，富氧时RAFT一般也较高。天然气喷吹的高炉，由于氢还原和吨铁煤气量均增加，间接还原所占比例一般均会增加，焦比均会下降，但前者由于富氧率和RAFT较低，焦比降低较后者更为显著。在天然气和煤粉共同喷吹情况下，RAFT的控制至少可比只喷天然气的低。这是因为煤粉喷吹所需热补偿(富氧)较天然气喷吹低。在选择操作参数时，还需考虑原料、料柱的透气性条件。低透气性指数的原料、料柱条件，需要减少煤气量操作，从而一方面使间接还原比降低而直接还原度会增加，另一方面会影响产量；在保持利用系数不变的情况下，就需要较多富氧，RAFT需控制较高。因此，为了最大化富氢还原高炉的益处，实现低RAFT和低富氧操作，需要考虑炉料透气性和区域热平衡的制约条件。

(3)如果以高产为目标，在炉顶不加金属附加物情况下，通过喷吹153 kg/t(铁)天然气，产量增加可达40%，因为煤气中氢含量增加可显著降低煤气的密度。由厄根方程ΔP/L=Kρv ² 可知，保持相同的压差ΔP下，煤气密度ρ下降时风量、煤气量v就可适当增加，在同样的炉料和装料条件下，尽管喷吹大量天然气时焦比降低，高炉透气性反而增加10%以上。

(4)喷天然气时，随煤气中氢含量增加，煤气密度下降，同时由于RAFT也控制较低，高炉透气性改善，高炉顺行状况往往改善。据文献分析，这主要是因为富氢煤气可减少高温区碳素溶损反应、减少焦炭的粉化，这对炉腹和料柱透气性至关重要；另外，富氢煤气还原情况下，进入化学储备区的炉料金属化率更高，软熔层可能减薄；同时由于RAFT较低，可避免过早成渣，这也对透气性改善和顺行至关重要。

(5)文献报道，在只喷吹天然气或和煤粉共同喷吹时，在炉腹煤气氢含量增加相近情况下，高炉煤气的总氢利用率大约都为40%～45%。但文献报道，在只喷吹天然气情况下，当天然气喷吹量增加时，氢利用率下降。

富氢高炉的操作参数

3.1回旋区理论燃烧温度(RAFT)

高炉喷吹未加热的富氢燃料或氢气，由于带入的显热减少及富氢燃料分解需要吸收热量，炉缸煤气温度会下降、成分和体积也会发生相应变化。为使高炉保持顺行，需要对鼓风参数如风量、风温、湿度及富氧量作出调整。通常的操作方法是保持RAFT不变，但是，合适的RAFT随不同的工艺条件实际上是不一样的。文献指出，喷煤时由于两个因素的影响，可以降低必要的RAFT，由于氢气间接还原增加，导致rd(直接还原度)降低以及燃烧产物辐射增加。对于喷天然气的高炉，由于氢含量更高导致间接还原度更高，RAFT进一步降低。根据文献，喷煤时RAFT控制在 2 050～2 200 ℃，喷天然气时则可控制在1 900 ℃。文献报道，一些北美高炉推荐喷天然气时RAFT的下限可低至1 704 ℃。但是，由于不同工厂RAFT的计算方法不一样, 对相同的鼓风参数，RAFT相差可达150 ℃。因此，单一RAFT不能作为高炉操作比较和控制的依据。

3.2回旋区理论燃烧温度(RAFT)和炉顶煤气温度(TGT)确定的操作窗口

当讨论富氢燃料喷吹的操作约束条件时，一些文献常以允许的富氢燃料喷吹量(横坐标)和鼓风富氧量(纵坐标)来描述可行的操作窗口，如图5所示。其基本原理是当富氢燃料喷吹时，因其强烈的吸热效应，必须以富氧来弥补RAFT的降低(富氧的下限)；但当富氧太高时，又会因鼓风带入热量不足而导致TGT太低(富氧的上限)。因此，一般常以保持最低可行的RAFT(1 900 ℃)和TGT(100 ℃)作为稳定高炉操作的约束条件。但是，用这种方法确定的可行操作窗口会随着操作条件的变化而变化，如炉料含铁(不同金属附加物)、风温不同，可喷吹的天然气和富氧范围就会不同(图6和图7)。如果天然气预热或允许的RAFT可以降低，则操作窗口会扩大。因此，这种方法需要根据工艺操作条件并确定富氢条件下的最低可行RAFT才可应用。

3.3煤气热能和化学能

高炉炼铁的目标是生产合格的满足成分和温度要求的生铁。软熔带以下的高炉高温区域热量需要使铁水和炉渣温度达到出铁温度要求，同时满足直接还原热焓的需求，主要是FeO的直接还原。从热平衡角度考虑，煤气的体积(吨铁煤气量)以及煤气中的氢含量和温度(RAFT)同样重要。由于喷吹天然气等富氢气体或纯氢气降低了直接还原耗热,也降低了高温区最终熔化和达到出铁温度热量需求，在这种条件下RAFT就可以降低。根据北美高炉的操作实践，建议使用TCE(总煤气热和化学能)概念。TCE的计算公式见式(1)。

式(1)的第一部分是铁水温度以上的炉缸煤气热能，第二部分是炉缸煤气中含氢带来的当量热能变化，其中62.25 MJ /mol(H2)是碳直接还原和氢间接还原的热量需求之差。从热交换和高温区热平衡角度来看，这种方法的实质是基于高炉下部的高温区域热平衡，将氢气的效应折算为高炉下部的热量，保证平稳出铁所需的1 482 ℃以上温度的煤气具有的总能量，这是基本合理的处理方法。据文献，合理的TCE范围为740～750 MJ/t(铁)，而文献则报道为850～900 MJ/t(铁)。但是，单纯的TCE约束并不足以保证高炉稳定顺行。很明显，虽然喷吹富氢燃料或纯氢可以适当降低RAFT，但如果RAFT过低，按热平衡要求就需要增加煤气产生量和氢含量，即增加富氢燃料或纯氢气的喷吹。这一方面会由于RAFT过低导致传热驱动力不足或热交换过程很慢，另一方面会使炉腹煤气量过大。这两种情况都会影响高炉的稳定顺行。因此，使用TCE参数还需考虑炉腹煤气总流量不超过高炉压降——透气性约束，并且RAFT不能太低。

3.4其他约束因素考虑

根据高炉热交换的基本原理，合理的操作应使高炉存在一个热储备区(TRZ)，其温度约为700～1 100 ℃。低于或高于此温度区间意味着热储备区消失，炉料和煤气的热交换不充分。因此，RAFT降低不能使TRZ温度低于700 ℃。但是，TCE、 RAFT或TRZ温度及炉腹煤气量都是基于高炉下部高温区的热交换和顺行来考虑的。从高炉上部热交换和能量利用考虑，还必须考虑炉顶温度(TGT)处于合适的范围之内。

3.5小结

根据上述讨论，对于富氢燃料或纯氢喷吹，高炉可行的操作范围或约束条件的确定必须考虑RAFT、炉腹煤气量、TCE和TGT，对于操作良好的高炉还必须保证TRZ温度为 700～1 100 ℃。在工艺操作条件确定的情况下，可以通过物料平衡、热平衡联合计算来确定所有的操作参数。在实际操作中，以煤粉和纯氢气共同喷吹为例，比较简便的操作参数选择方法是借鉴天然气喷吹的经验和数据，先确定操作可行的RAFT的下限(保证TRZ温度和TGT分别不低于700和100 ℃)和炉腹煤气量的上限(保证高炉顺行)，然后根据下述定量关系：

(1)回旋区燃烧的碳量决定氧气需要量。

(2)燃烧的碳量既可来源于焦炭也可来源于喷吹的煤粉；氧气既可来源于鼓风也可来源于富氧。由于不同来源的碳和氧带入回旋区的热量不同，决定了不同的RAFT。

(3)根据要求的指标水平(产量、焦比、煤比)及合理的RAFT范围要求，在鼓风条件(风温、湿度)确定情况下，可以设定富氧量和喷煤量组合，炉缸和炉腹煤气的成分和数量也可以确定。

(4)由上面确定的RAFT、煤气成分和数量及根据RAFT和煤气成分确定的煤气比热容，就可确定炉腹煤气热流及TCE。

当氢气喷吹量确定后，选择不同的氧源(鼓风中氧及富氧量)及碳源(风口前燃烧的碳与喷入的煤粉碳)组合，煤气成分及氢含量、产生的煤气量、RAFT、TCE均会不同，由此，提供了可行的操作参数范围。在TCE的计算中，氢的利用率必须设定，一般为40%～45%，氢喷吹量较低时利用率可取较高。

此外，前述2.2节的模拟计算和文献研究是以高炉在富氢操作前后保持恒定的铁水温度及炉腹煤气热流来确定富氢燃料或纯氢喷吹时的操作参数。由于炉腹煤气组元的比热容基本相近，常用相同的炉腹煤气量与煤气温度RAFT作为恒定炉腹热流的条件。这种方法对比较研究不同喷吹量的富氢物质或纯氢的影响是可行的。喷吹相同氢气［260 m ³ (H2)/t(铁)］情况下，保持相同TCE(方法1)和相同炉腹煤气热流(方法2)确定的操作参数和指标比较见表3。由表3可以看出，方法2的TCE远大于方法1。如前所述，在富氢或纯氢喷吹情况下，碳直接还原被氢间接还原代替而减少，下部的热需求实际会减少。因此，用方法2，下部会过热(TCE太大)，得到的燃料比会较高。此外，煤气密度由于氢含量增加而减小，实际允许的炉腹煤气量比基准期不富氢增大。最后，由于保持相同的RAFT需要较高的热补偿，富氧量及风口前焦炭燃烧量会较高，不应超过工厂制氧能力和合适风口前焦炭燃烧比(纯喷煤高炉，风口前焦炭燃烧比一般为60%～70%）；对于氢气喷吹高炉，这个数据需要实际经验积累，可先假设。所以保持恒定的铁水温度及炉腹煤气热流作为条件只能用于相同条件下的理论比较研究，不能用于确定实际操作参数的范围。

综合考虑RAFT、炉腹煤气量(压降)、TCE和TGT确定的Ternium Siderar高炉天然气喷吹的可行操作参数范围(或约束条件)的实例如图8所示。设定焦比为510 kg/t，风口风量为105 m ³ /min,鼓风湿分为14 g/m ³ ,风温为1 050 ℃,顶压为50 kPa。

富氢操作回旋区大小的确定

有关回旋区的物理模型研究清楚地表明，回旋区的形成是鼓风、料层质量和摩擦力之间的力平衡的结果，并且已经根据一些因素(鼓风速度、焦粒直径、风口直径和料柱高度)导出了计算式来预测回旋区的大小和形状。尽管这些计算式定性地看是一致的，如随着风速增大和焦炭粒径的减小，回旋区尺寸会增加；但是，由于回旋区的工作条件极其复杂，以及这些研究大多数是在较小的矩形设备、使用有机玻璃或玻璃和石英，以聚丙烯、塑料、芥菜籽、大豆、沙子等作为焦炭模拟物，不考虑回旋区中的各种反应条件下进行的，与实际高炉的回旋区工作条件相差甚远，大多数导出的算式仍然停留在纸面上。仅文献根据试验高炉结果提出的算式，以及在此基础上得出的回旋区形状模型在实际高炉得到了广泛应用(文献的算式也被比斯瓦斯 A K的著作《高炉炼铁原理——理论与实践》引用)。在行业中，还使用了一些统计/经验公式，见式(2)～式(10)。

回旋区因子RF为

穿透因子PF为

回旋区体积为

穿透因子与回旋区因子的关系为

回旋区宽度与风口直径之比为

回旋区高度为

回旋区深度的统计、经验算式见式（8）和式（9）。

鼓风动能的计算式为

式中：g为重力加速度；St为风口面积； ρ0、vo分别为标准状况下炉腹煤气密度和流量；T0、P0分别为标准状况下温度与压力；TRAFT为炉缸理论燃烧温度；P为鼓风压力； ρs、ds分别为回旋区(焦炭)微粒的密度与直径；DR为回旋区深度；DT为风口直径；VR为回旋区体积； HR为回旋区高度；WR为回旋区宽度；E为鼓风动能；Vb、VO2、VNG分别为鼓风、富氧、天然气流量；T为风温; n为风口个数。

当喷吹H2而不是天然气时，式(10)中VNG可以VH2代替。在风口(直径DT及面积St)及焦炭条件 (ρs，ds)确定情况下，式(2)回旋区因子RF的值取决于第2项与第3项之积

, 也就是工况下的炉腹煤气密度与流量平方之积(ρv ² )(可稍加变换推出)。DR、VR、WR，HR实质上是由RF值确定的。所以回旋区大小的实质是由炉腹煤气密度与流量平方之积(ρv ² )，即鼓风操作参数确定的。保持相同的炉腹煤气密度与流量平方之积(ρv ² )，回旋区大小根据式(3)～式(7)实质上是相同的。保持相同的炉腹煤气密度与流量平方之积(ρv ² )，根据厄根方程，也就是保持相同的压差ΔP/L与透气性指数，这又意味着需要与上部布料与料柱特性相适应。从以上分析可知，回旋区大小是可以通过上下部操作参数调节来维持的。喷吹氢气或富氢燃料后，由于煤气密度减小，在不增加炉腹煤气量的情况下，回旋区大小确实会减小，如文献报道。所以，在喷吹氢气或富氢燃料后，为适应还原动力学条件改善、产量增加的变化，炉缸回旋区尺寸不应缩小，即应至少保持相同的炉腹煤气密度与流量平方之积(ρv ² )，即增加炉腹煤气量。表4和表5是与表3确定的参数一致的综合鼓风条件及鼓风动能、回旋区尺寸计算结果。

由表5可见，在保持相同的炉腹煤气密度与流量平方之积(ρv ² )条件下，计算所得的回旋区尺寸是相同的；在相同风口尺寸下，鼓风动能由于富氧及氢喷吹是增加的，根据鼓风动能计算的回旋区深度(统计式(8)和式(9))则是增加的。

因此，在富氢或纯氢喷吹条件下，由于煤气中氢含量增加，煤气密度减小，高炉应该增大炉腹煤气量；由于氢还原的动力学优势，高炉产量会增加，高炉炉缸下部应至少保持相同的回旋区尺寸以满足煤气和渣铁间的热交换。可以通过保持相同的回旋区因子(RF)值使回旋区尺寸不减小。在风口面积及焦炭条件不变时，可以通过保持ρv ² 值达到。如果炉腹煤气量增加太多,高炉难以接受，根据式(2)还可调节风口面积或改变焦炭直径和品种(密度)来保持合适的回旋区尺寸。

高炉富氢有关的一些问题

5.1高炉富氢有待研究的一些问题

高炉富氢除了上述影响和变化外，许多方面还需进一步研究。

(1)如何确定煤气中氢利用率、代替直接还原的程度即氢的反应机理或途径。有文献指出，高炉中氢只起加快还原的作用，因为在低温区，CO的还原作用更强；而高温区氢还原产生的水蒸气会立即与碳反应，氢只起加快反应或中介作用。文献应用FactSage热力学软件和数据库计算表明，温度1 000 ℃以上区域的碳直接还原，温度610～1 000 ℃之间碳直接和间接还原并存, 在上述两个温度区域的还原反应中，氢只起中介和加快还原速度的作用。根据计算，只有温度在550～610 ℃之间且炉腹煤气中氢体积分数至少是CO体积分数4倍以上时，氢在高炉内才有可能发生间接还原。但间接还原区域会随着CO和H ₂ 在炉腹煤气中的增加而增加。此外，大量氢气的存在会降低浮氏体间接还原起始温度并扩大间接还原区域。另外,水煤气置换反应(CO ₂ + H ₂ = CO + H ₂ O)为可逆，在高炉上部生成H ₂ 和CO ₂ , 这对高炉整体氢和CO利用率起关键作用，也影响氢利用的经济性、炉顶煤气成分和热值并进而影响全厂的能量平衡。

(2)氢气或富氢的天然气、焦炉煤气喷吹及与煤粉共喷吹时炉缸回旋区燃烧行为的变化及影响。喷吹氢气时，氧气是否先与氢燃烧，再与碳反应;与煤粉共喷吹时，煤粉的燃烧是否会延后并更加不完全;氢的燃烧温度可达3 000 ℃, 对喷吹设备和风口有何要求。

(3)由于氢气分子是最小的，煤气中氢比例增加，在保持相同RAFT和炉缸煤气量情况下，炉缸回旋区可能变小，但煤气扩散能力可能增加。因此，如何综合考虑其影响。

(4)炉料性质的变化及应对措施。如2.1节及2.2节所述，富氢时高炉上部温度降低，炉料上部还原粉化率、焦炭的气化会增加，需要考虑部分炉顶煤气燃烧并喷入炉身，但根据计算机模拟，喷入的气体可能达不到高炉中心。因此，更好的炉身喷吹方法以及有效提高炉身温度也需要进一步研究。

(5)各种铁矿、炉料氢还原的动力学数据远没有碳还原的数据丰富，而这对准确模拟和预测高炉过程及产量是非常重要的。

5.2高炉富氢后的一些影响和变化

5.2.1对高炉操作的影响

高炉富氢操作时，由于还原机理、炉内温度场、热交换和热状态都会发生变化，高炉操作的鼓风(回旋区)参数、炉缸热状态的控制、上部装料制度均需作相应的调整，需要通过实际操作和学习来检验理论研究的成果。如果采用风口喷吹氢气富氢的话，风口平台非常有限的操作空间会更紧张，必须对氢气安全喷吹所需要的一些设备方面进行必要的改进。工艺上必须考虑煤气在整个炉子径向断面的分布和打透中心。

5.2.2对炉顶煤气及相关的一些影响

高炉富氢后，炉顶煤气的氢含量会增加，热值也会增加，但煤气流量和密度会下降。因此，下游使用高炉煤气的工序预计可能需要改变，如烧嘴优化；高炉炉顶煤气生产化工产品的利用工艺也需要重新评估，并考虑炉顶煤气中氢的回收和循环及生产其他化工产品的可能性；长流程钢厂的能源平衡也需要重新评估。热风炉使用富氢煤气加热鼓风的方法和加热氢气的可行性需要进行评估，因为氢气的燃烧速度比CO快，火焰长度会缩短，对拱顶和格子砖的热交换会产生一定影响。

文献指出,压块和球团炉料中以OH ^- 存在的水分分解(450～500 ℃)可能影响炉内水煤气反应，进而影响炉顶煤气的成分和热值。

高炉富氢操作时，氢还原产生大量水，而高炉上部的水煤气反应(C+H ₂ O=CO+H ₂ )达不到热力学平衡，只能将部分水转换为氢气，从而炉顶煤气的水含量会增加、产生冷凝析出，这会对煤气处理系统有一定影响。

5.2.3安全方面影响

氢作为一种小分子的轻气体，需要特殊的设备和程序来处理。由于氢分子很小，可以扩散到某些材料中，包括某些类型的钢铁管道，并增加其失效的机会。与天然气等大分子相比，氢气更容易通过密封和连接件逸出。众所周知，氢气在空气中的着火浓度范围很大(4%～77%)，且可燃极限随着温度的升高而增大，在大气温度下，氢气在很大浓度范围(15%～59%)具有爆炸性。氢气作为一种易燃燃料，一旦泄漏到空气中时，就会与氧气快速混合。由于火源以火花、火焰或高热的形式广泛存在于高炉车间，因此，使用纯氢存在燃烧或爆炸危险，在高炉喷吹纯氢时必须格外小心。当使用纯氢时，由于氢气的点火能量较低、可燃烧范围较宽，设备(风口、喷枪、吹管等)容易着火；而且氢燃烧不产生烟灰，在白天几乎看不见；此外，当所述设备一旦点燃/燃烧纯氢时，热量释放很快，温度、热负荷会很高，因此，设备的可靠性会受到挑战，必须建立相关的安全程序。

如果高炉煤气中氢含量较高，炉顶煤气的氢含量也会较高，这样炉顶就有着火和自燃的可能，同时下游使用氢含量较高的炉顶煤气的设施也有一定安全风险。

因此，高炉喷吹氢气操作时，氢气喷吹的启动和停止以及喷吹量的变化必须有专门的操作和安全程序，因为氢喷吹量变化会引起炉顶煤气氢含量的变化，从而对炉顶、煤气系统和下游用户产生安全影响。

结语

本文介绍了氢的来源和成本，对高炉富氢或纯氢喷吹的理论研究和实际影响作了一些回顾和综述，阐明了高炉富氢还原的优点和不足，并对富氢高炉操作参数选择及合适回旋区尺寸确定进行了分析。

高炉富氢后，由于氢分子直径小，煤气的扩散、渗透和热交换能力明显改善，具有明显的反应动力学优势；有助于扩大间接还原度，从而降低碳直接还原和高温区热需求。但高炉富氢也存在一些问题，如炉身温度降低、对炉身上部还原粉化和炉料强度可能产生不利影响。高炉内氢的利用率、富氢后对炉缸燃烧的影响、炉顶煤气中氢和水含量升高对炉顶煤气利用及安全的影响以及氢喷吹的有关安全问题等还有待进一步研究。

富氢高炉RAFT可适当降低，操作参数选择应以保持一定的TCE并综合考虑炉腹许可通过的煤气量、炉顶煤气温度的要求等。高炉回旋区大小的确定应考虑高炉压差、透气性指数等，选择合适综合鼓风参数并综合炉料特征和布料。由于富氢后煤气密度变小，炉腹煤气量应增加，从而保持回旋区尺寸不缩小。

参考文献

略

引用本文

朱国海. 高炉富氢还原研究[J]. 钢铁, 2020, 55(10): 1-14. ZHU Guo-hai. A review on hydrogen-enriched reduction in blast furnace[J]. Iron and Steel, 2020, 55(10): 1-14.

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http://www.chinamet.cn/Jweb_gt/CN/Y2020/V55/I10/1

来源：《钢铁》2020年第10期

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