优化高炉炼铁：喷吹煤(PCI)的关键作用
喷吹煤高炉炼铁认知
高炉喷吹煤(PCI)最初由高油价驱动，现已成高炉标准作业，因满足降低原料成本、污染、延长老化焦炉寿命要求。喷吹煤入高炉带来：(i)提高高炉产量(日产铁水量)，(ii)用廉价弱焦/热力煤替代昂贵焦煤降焦耗，(iii)助维持炉况稳定，(iv)改善铁水(HM)质量一致性降硅(Si)含量，(v)减温室气体排放。此外PCI成炉工调节炉子热状况有力工具，比调整顶部负担快得多。
喷吹煤在高炉两基本角色：不仅提供部分铁矿还原所需热量，也提供部分还原气体。理解PCI高炉生铁生产，须了解高炉内发生过程、化学反应、透气性重要性及原料如何影响此参数。
高炉结构与物料流动
高炉本质是逆流移动床炉：固体(铁矿、焦炭、熔剂)后为熔融液体下降炉腹。喷吹煤和富氧热风在接近炉底风口水平喷吹。各反应生成气体上升炉腹，随下降铁矿还原。
高炉装料：(i)含铁原料(块矿、球团、烧结矿)和熔剂(石灰石、白云石、石英)；(ii)焦炭。交替装入炉顶。装入后经出炉煤气干燥预热。
负担下降过程中加热，~500°C上升气体中CO、H₂间接还原铁矿始。高价铁氧化物向FeO转化始于此区。继续下降加热至~900–950°C，固体焦炭直接还原铁氧化物。矿石被CO、H₂还原，生成CO₂即被焦炭还原回CO。净效果焦炭还原矿石。焦炭对CO₂反应性是重要参数，决定间接向直接还原过渡温度范围。
炉下部有粘结带。~1100°C渣始生成，初期粘稠包裹铁氧化物阻碱还原。温升至~1400–1450°C熔融，还原继续。此区对负担透气性关键。
下一区为流动/活性焦区。温升至~1500°C，铁矿渣熔融继续。区内大量移动，焦炭由此供入竖井。竖井是高炉最热部位，温度达2200°C。热风经风口喷吹形成。喷吹煤随热风直接喷吹入竖井。煤、焦炭燃烧气化，生成还原气体(CO、H₂)和熔化铁矿渣、驱动吸热反应所需热量。
热风富氧为维持所需火焰温度、改善燃烧效率。高炉有多风口(数量视炉腹直径)，各有竖井，对称分布炉腹周边。竖井深度通常1–2m，视热风动能。
未燃物料离竖井上移入炉腕和炉腹区。熔融金属渣经“死人”(滞留焦床)至炉底集合，定期铁口放出。渣从液铁表面刮除。部分炉分离渣铁铁口。原料降至炉底约6–8小时，焦炭死人区可停留数天甚至数周。液铁称铁水(HM)送炼钢。炼钢要求铁水质量一致、温度尽可能高。
炉顶排出热脏高炉煤气称顶煤气。经冷却、净化，作钢厂燃料气，大部分用热风炉加热。图1示高炉剖面及各区温度。
高炉内化学反应
高炉可视为逆流传热传质炉：热量从上升煤气传降下负担，O₂从降下负担传煤气。逆流性质使整体过程高效。炉内化学反应复杂。主要反应述下。
主反应是铁矿负担还原为金属铁。即系列化学反应称气体还原或间接还原移除矿石负担铁氧化物中O₂：
3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ (~500°C始) 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ (600–900°C) Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O FeO + CO = Fe + CO₂ (900–1100°C) FeO + H₂ = Fe + H₂O
上述反应放热生成热。同时铁氧化物经这些反应也开始软化熔融。流动区附近高温下焦炭C还原FeO生成Fe和CO。此称“直接还原”，高吸热，驱动热由热竖井气体显热提供。
FeO + C = Fe + CO
煤、焦炭燃烧气化生成还原气体(CO、H₂)上升炉腹。煤焦炭入竖井被热风点燃即燃烧生成CO₂和热：
C + O₂ = CO₂
因过量C高温下反应，CO₂经“布多反应”或“溶损反应”还原为CO，吸热：
CO₂ + C = 2CO
此外燃烧生成水蒸气(H₂O)按下式还原，吸热：
H₂O + C = CO + H₂
喷吹含H₂煤增强间接还原。H₂比C(直接还原)更有效还原气。H₂再生反应(H₂O+C=CO+H₂)比CO再生(布多反应)吸热少、进行快。高炉上升煤气高H₂含量促进铁矿还原速率、增高炉产量。但高H₂浓度也可致炉腹焦粉增、降透气性。
石灰石白云石下降炉腹经焙烧反应保持固态：
CaCO₃ = CaO + CO₂ (Ca,Mg)CO₃ = (Ca,Mg)O + CO₂
吸热反应~870°C始。CaO、MgO助除矿石负担S和酸性杂质成液渣。也可除焦炭煤释放S。
工艺问题
高炉稳定操作依赖上升气流均匀分布和铁水渣畅通流向炉底。故维持炉内透气性对稳定操作和产量重要。高喷吹率相关技术问题多为响应透气性要求。高喷吹率本质相关问题见图2。
炉内透气性受矿石负担、焦炭、煤性质影响。这些物料生成细粉可积聚阻塞气液流。如煤焦炭未燃焦炭、焦粉可积聚“鸟巢”(竖井与死人间相对紧凑区)和粘结带底部。致气流波动、操作不稳。周边气流可发生，增下部炉壁热负荷，缩短耐火衬里寿命、加速大修需求。
高炉工艺效率依赖气体从矿石负担移除O₂速率。气体移除O₂越多过程越高效。故气体与矿石负担紧密接触重要。优化此接触，矿层透气性应尽可能高。流经矿石负担气体量与负担待移除O₂量比也应平衡。
矿层透气性主要由其中细粉(<5mm)量决定。细粉多来自烧结矿(若装入负担)或块矿。两细粉来源：(i)属铁矿装料一部分，(ii)负担物料运输、装料、炉腹内降解生成。故装入高炉前筛分除细粉重要。各物料首选粒度典型：烧结矿5–30mm、球团8–16mm、块矿10–30mm。现高喷吹率高炉多用>80%制备矿石负担(烧结矿/球团)。
细粉由负担物料运输装料和炉腹内降解生成时，控制负担物料降解特性重要。有标准测定铁负担物料抗冲击磨损物理降解、低温还原解离。高还原性矿石负担优选。有标准法测定矿石负担构成物料还原性。遗憾的是提高还原性可增矿石物料降解解离。低SiO₂、CaO、高碱含量增还原性但也增解离。
负担物料始软化熔融即降气流透气性。故负担物料应在相对高温始熔融，免高炉腹软化熔融阻气流。快速固-液转变也需。熔融性质由渣组成决定。球团块矿熔融典型始1000–1100°C，碱性烧结矿更高温始熔。
负担物料质量须一致保证高炉稳定操作。也须按方式分配入高炉实现高产量平稳操作。
焦炭三大功能
焦炭高炉三主功能：(i)化学，(ii)热力，(iii)物理。化学功能作还原剂。燃烧提供气体还原铁氧化物、其他氧化物如SiO₂。也供C渗碳铁水。热力功能：竖井燃烧供热熔化铁渣、驱动吸热过程。物理功能：焦炭在透气基质上支撑铁负担，气体液态铁渣可流通。
煤贡献前两功能不贡献第三“物理”功能。焦炭须保证粘结带上方、粘结带内、炉腕炉底区气体熔融产物透气性。焦炭角色在粘结带特别重要：铁矿软化熔融可形成不透气层，由透气焦层/焦窗分隔。此区焦炭形成强网格支撑部分上覆负担重量。因焦炭物理功能，喷吹煤量有极限。
高且一致焦炭质量需减少细粉生成致差透气性、不稳定操作、低产量。焦炭下降炉腹降解生成细粉速率主要受布多反应、热应力、机械应力、碱积累控制，视其炉内位置和操作条件。故下列焦炭主要性质受关注：
- 冷强度(炉内)：决定搬运抗破碎磨损。碎裂磨损主导炉腹上部/炉腹细粉生成，常关联焦炭冷强度。有标准测试评估焦炭机械降解(冷强度)。
- 热强度：焦炭高温与CO₂反应保持结构完整性。竖井焦炭-CO₂反应(布多)促进降解生成细粉。高速热风冲击降解也可发生。低热强度焦炭致竖井粘结带变形、死人焦粉积聚透气性问题。故高温与CO₂反应后焦炭结构强度稳定性是重要参数。两指标指示焦炭高温潜在行为：(i)焦炭反应性指数(CRI)，(ii)反应后焦炭强度(CSR)。标准测试测定。
- 化学组成：灰分、S(影响铁水S)、碱含量重要。碱(及其他碱性氧化物如铁氧化物)催化增焦炭对CO₂反应性、降耐磨性。焦炭更易降解。焦炭灰分通常对高炉性能不利。
- 平均粒度和粒度分布：下限物料装炉前须筛除防透气性问题。粒度分布直接影响炉腹区和下部透气性。装入焦炭平均粒度典型20–50mm。稳定操作下，大部分需焦粉经布多反应、铁水渗碳、渣反应在炉内消耗，仅少量随顶煤气排出。
现代高炉PCI实践焦比<300 kg/tHM成最先进实践。最低焦比达~240 kg/tHM。球团焦使用成常态，量视当地条件。球团焦增高炉总C得率。保护粗焦免过度尺寸降解，因其在炉腹优先气化。
排放与环境关注
全球钢铁业占制造业CO₂排放最高份额(~27%)，因高能耗生产、依赖煤主能源、巨大钢产量。~60%全球钢产高炉路线，高炉炼铁是钢厂主要排放源，因大部分需能关联高炉过程~2.4–3.1 Gcal/t粗钢(含热风炉)。CO₂关联气候变化，减排重要。述顶煤气量组成热值、大气排放、CO₂排放减量、简述液固废物。
顶煤气
热脏顶煤气带压离炉顶，经煤气净化厂(GCP)除颗粒物(主未燃焦炭、烟灰、焦粉)和水、冷却。除尘量随喷吹煤率增而增。现代GCP多级：粗颗粒重力分离(集尘器/旋风分离器)先除，湿式洗涤器/湿式静电除尘器除细粉达粉尘<10 mg/m³。部分高炉干法袋式除尘除细粉。现代GCP甚至允许提取粉尘分类有效再利用。
顶煤气含H₂~4%、CO~25%、CO₂~20%，余多N₂。热值~810 kcal/m³，即煤焦炭能量35–40%经高炉煤气提取。净化煤气厂内多处用含热风炉加热。顶煤气热值影响下游利用。
现代高炉通常高压操作增产量。多高炉用顶压回收透平利用顶煤气余压发电。透平功率可覆盖高炉全设备(含鼓风机)用电~30%。顶煤气量组成热值受煤性质和操作条件影响。如高挥发分煤典型高H₂低CV，生成高H₂低CV顶煤气。喷吹高挥发分煤典型增顶煤气粉尘。极高VM煤喷吹时顶煤气细粉尘通常更高。细粉尘中增碳质物料鉴定为烟灰，源煤VM不完全燃烧。
大气排放
喷吹煤大气排放变化信息少。喷吹S~0.8%煤不增顶煤气S含量。高炉全寿命周期清单研究显：喷吹率从16→116 kg/tHM时SO₂、NO₂排放分别降~22%、16%。
煤Cl限制(典型<0.05%)因生成Cl化合物腐蚀性，特别HCl。竖井喷吹煤生成Cl与气态碱(煤焦灰)反应生成碱氯化物(NaCl、KCl)。部分HCl和少量其他Cl化合物生成。部分HCl被炉内石灰石除去。碱氯化物(铁矿也生成)可炉腹循环致烧结矿解体、增细粉、降炉透气性。Cl化合物腐蚀耐火衬里和GCP管道。洗涤器洗涤水除去。
高炉热力学冶金学将煤、焦炭、铁矿源痕量元素富集不同输出流。高挥发元素Cd、Hg吸附细粉随顶煤气排出。GCP除去(~75% Cd、90% Hg)。Cd、Hg不入铁水渣。低挥发元素Zn、Cu在液态金属渣间分配。所有输入源Zn多数溶入铁水(高炉高压)，~70%随铁水渣排出。Pb蒸发温度
CO₂排放与减量
高炉CO₂排放受多因素影响。小高炉因低效率单位铁水CO₂排放>大高炉。大高炉通常更高效：热损失低、通常更经济装节能设备。高效高炉能损<总能量输入10%。原料质量影响能耗故CO₂排放。如低灰煤产渣<高灰煤，热效率更好(熔灰需能少)。喷吹煤灰分每增1%需额外~1.5 kg/tHM焦炭，增C输入增CO₂。
焦炭质量影响高炉所需还原剂(焦炭、煤)量故CO₂排放。焦炭灰增1%增渣率10–12 kg/tHM，每10 kg/tHM渣需能~15 Mcal/tHM。焦炭质量取决于炼焦煤质量和焦化工艺。
铁矿质量化学组成铁含量异，影响还原反应生铁需能、熔化矿石需能。脉石化学组成影响需加石灰石/石灰达渣碱度。总计这些因素可致高炉需能差~240–480 Mcal/t。但高品质矿床枯竭致铁矿质量恶化，此因素致炼铁需能增加。
PCI比全焦操作降钢厂总CO₂排放。主因PCI减焦炭需求、降能耗和焦炉CO₂排放。节约能量平均~840 Mcal/t替代焦炭。PCI也可降高炉内能耗。
全寿命周期评价(LCA)评估产品材料从开采原料至报废废弃处置环境性能。LCA初期涉及全寿命周期清单，量化特定系统物料、能量、排放。钢铁业能量物料流复杂，厂内外均有。多产品可“过篱笆”售、长距离调拨。故全生产能耗CO₂排放可能显著高于或低于厂界足迹。如购焦炭/电力降厂内排放但增他处排放。LCA结果依赖系统边界设定。
世界钢铁协会(WSA)用LCA法量化14钢铁产品从原料开采至钢厂大门“摇篮到大门”资源利用、能量、环境排放。全寿命周期清单含高炉/转炉和电弧炉路线。高炉全寿命周期清单显：喷吹率16→116 kg/tHM时CO₂减~6.5%。喷吹煤量有极限。研究指示最大喷吹率~250 kg/tHM。但WSA称喷吹率>180 kg/tHM不再减焦炭量，额外煤仅气化生成更多高炉煤气。
一LCA方法研究估算PCI CO₂减排效应：喷吹率0.1 kg/kg铁水时CO₂减0.07 kg。
多LCA研究显喷吹含H₂还原剂(如煤)降CO₂排放(比全焦操作，因焦炭H₂仅~0.5%)。降C输入(焦炭、煤)可进一步减CO₂。措施分两组：
- 促进高效高炉操作：高热风温度、改善炉腹效率、降热储备区温度。但这些也减顶煤气供下游。最小化顶煤气生产减CO₂但下游利用顶煤气重要厂可能不可行。
- 促进炼铁节能：减高炉热损、装入金属铁、降渣率、低烧结比或预还原烧结矿操作。
此外，脱碳顶煤气回收高炉降CO₂。称顶煤气回收(TGR)，先商业法如“Selexol”除CO₂，再加热喷吹顶煤气入炉腹和/或风口。需纯O₂风防N₂累积。捕获CO₂可地下封存。主含CO、H₂顶煤气减C消耗、增高炉产量。ULCOS(超低CO₂炼钢)，48欧洲公司组织联盟开创此技术。六周中试达76% CO₂减排(前提捕获CO₂封存)。
废水与副产品
炼钢耗水大，~180–200 m³/t钢。高炉耗水~14–17.5 m³/t铁水，多用冷却(炉壁、风口)、淬渣。水也用高炉GCP。废水处理后回用，>90%回收。废水量组成部分取决高炉原料质量。如高盐原料需顶煤气洗涤器显著更大洗涤水量。水处理可除废水Cd等重金属后回用或排放。
一体化炼铁炼钢生成~450–500 kg/t粗钢残渣副产品。其中>375 kg/t渣、~60–65 kg/t烟气净化粉尘泥和氧化铁皮。~86%残渣副产品经处理内外部回收。顶煤气干法除粗粉可内部回收。GCP细粉泥典型填埋。部分厂烧结厂回收。
渣冷却法不同产生不同形态：风冷渣、膨胀/发泡渣、球团渣、水淬渣。大部分销售、仅少量填埋(<10%)。故高炉渣视为副产品非废物。渣用水泥生产、筑路、建材、特殊用途。用途视渣性质形态。
渣组成取决高炉原料质量。由铁矿脉石、焦炭煤灰形成。主含Ca、Mg硅酸盐铝硅酸盐，含S、Fe、Mn、其他痕量元素化合物。
渣量随喷吹率增、还原剂灰S增而增。渣S主源煤。但S有效捕获渣内。仅表面S潜在可浸出。痕量元素也可能捕获渣内。
制造工艺