高炉顶煤气回收循环：提效降碳的关键技术

高炉顶煤气回收循环（TGR-BF）工艺

在高炉（BF）生铁生产领域，显著降低CO₂排放最有前景的技术是回收利用高炉顶部煤气中的CO和H₂。顶煤气CO、H₂具还原性，循环回高炉可改善高炉性能，提升碳（C）和H₂利用率，降低CO₂排放。这种“顶煤气回收”（TGR）技术核心：经顶煤气除CO₂后，重新利用还原剂CO和H₂，降低化石碳（焦炭、煤）用量，从而降低能耗。凭借高生产率、高PCI（喷吹煤粉）率、低燃料比、低CO₂排放等优势，TGR-BF被视为未来最有前景的炼铁工艺之一。

TGR-BF中，高炉吹入氧气（O₂）代替热风，消除顶煤气中氮气（N₂）。部分含CO、H₂的顶煤气作为还原剂重返高炉。顶煤气CO₂捕集封存。针对不同目标已提出、评估或实践多种回收工艺，区别在于：① 是否除CO₂；② 是否预热；③ 喷吹位置。

TGR-BF概念（图1）涉及多项技术：① 还原性顶煤气成分CO、H₂喷吹入炉腹和炉腰风口；② 降低焦比减少化石碳投入；③ 炉腰风口用纯氧代替热风（移除工艺N₂）；④ 从顶煤气回收纯CO₂地下封存。

图1 TGR-BF概念

顶煤气回收概念在瑞典吕勒奥LKAB实验高炉（EBF）经实验验证。EBF改造并就近建成基于VPSA（真空变压吸附）技术的气体分离装置。

高炉顶煤气回收历史

为降低还原剂用量、提高高炉生产率，20世纪基于常规高炉工艺提出多新概念。

1920年代即有向高炉喷吹热还原气概念。需用1000°C预热还原气（27% CO、33% H₂、26% N₂）喷吹下部炉身区，补偿风口气量减少。结果仅需30%焦炭（当时345 kg/tHM）。1960年代中期比利时重启该思路，1970年代初比利时Cockerill-Seraing 4.6m炉腰直径高炉首次试验。向下部炉身喷吹400 Nm³/tHM预热至1000°C重整气，观测到0.22~0.26 kg焦炭/Nm³还原气替代比。因天然气高昂成本，经济原因未深入研究。

1970年代末德国启动新工艺开发：两排风口喷吹冷纯氧、燃料和循环气。1984年加拿大基于此开发无第二排风口常规高炉工艺，核心喷吹煤粉替代焦炭。两概念均止步研究。

同期日本NKK在炉身中部加装第二排风口，喷吹经氧气部分燃烧加热的无除CO₂循环顶煤气。炉腰风口喷吹冷氧、煤粉、冷循环顶煤气。NKK用3风口、3.9m³内积、0.95m炉腰直径实验高炉测试。煤粉喷吹率达320 kg/tHM，焦比降至350 kg/tHM。因日本电价和天然气价高，循环顶煤气导致厂内燃气短缺，开发停止。

1980年代末俄罗斯RPA Toulachermet 1033m³有效容积2号高炉首次商业化运行顶煤气回收高炉，历经12次作业周期。全焦高炉概念中，近乎无CO₂的热顶煤气与纯氧共吹炉腰风口。脱碳顶煤气在热风炉加热至1200°C。新工艺生产近25万吨铁水。最低焦比367 kg/tHM，较基准606 kg/tHM降低239 kg（39%）。作业中出现严重风口烧蚀，致风口设计变更。CO₂净化系统困难最终终止工艺。综合这些背景研究，ULCOS（超低碳炼钢）TGR-BF概念于2004年形成。

ULCOS TGR-BF开发历程

开发分两阶段。第一阶段2004-2009年，项目名“ULCOS新高炉工艺”，开发测试三新工艺概念。第二阶段2009年起，命名“ULCOS顶煤气回收高炉工艺”，实施两次额外ULCOS TGR-BF作业周期。

开发中利用热质量平衡模型和高炉3D轴对称模型计算主数据和内部状态，筛选最佳操作参数。定义四备选方案并评估可达化石碳节省量及新概念运行可行性。结论：方案1、3、4在高PCI水平下可达21%以上化石碳节省。方案2因预期碳节省低、需两级加热（先再生器后部分氧化）技术挑战大而被否决。所有方案含：除CO₂、CO富集产品气喷吹炉腰风口、纯氧使用、煤粉与还原气共吹。所有方案均考虑未来生物质、部分铁还原料、富氢气可能性。

方案1（图2）：脱碳产品气冷态随纯氧、煤粉喷吹炉腰风口，热态喷吹炉身风口。关键问题：炉腰风口冷气流量小导致风口前赛璐珞区尺寸缩小、火焰温度升高。需新风口设计应对小气流量。

图2 ULCOS顶煤气回收高炉——方案1

方案3（图3）：脱碳产品气热态随氧气、煤粉喷吹常规炉腰风口。为达高碳节省，需低RAFT（风口前绝热火焰温度）下高煤粉喷吹率运行。

图3 ULCOS顶煤气回收高炉——方案3

方案4（图4）：脱碳产品气热态喷吹炉腰风口和下部炉身。循环气温度常温~1250°C可变。

图4 ULCOS顶煤气回收高炉——方案4

方案1和4均喷吹炉身风口。差异在于喷吹气温度和喷吹位置。所有方案中，循环气至少部分在再生系统加热。预期化石碳节省：方案1在170 kg/tHM煤率下21%，方案3在180 kg/tHM煤率下24%，方案4在150 kg/tHM煤率下25%。

随后开展赛璐珞区条件数学模拟和气化试验，开展实验室和中试规模研究，设计工程同时喷吹循环气、纯氧、煤粉的风口。基于计算结果改进风口几何，避免热点和运行失效，保证气流冲量形成足够深度赛璐珞区。

实验高炉TGR-BF工艺作业周期

试验目标：在纯氧和炉腰PCI条件下，按三既定方案演示EBF完整TGR模式运行。铁质负荷：30%球团+70%烧结矿。铁水产率恒定1.5 t/h，PCI率130~170 kg/tHM变化。各试验期最大化循环顶煤气量以获最大化石碳节省。试验结果与模型计算对比。

方案3和4于2007年常规启动后首个周期测试。方案3于2009年秋季二周期优化测试，后测试方案1。2010年三周期聚焦900°C方案4。方案4被视为后续ULCOS高炉工业示范项目首选。循环气温度上限900°C，为避免H₂还原耐火材料中SiO₂引发问题。

各周期中，利用两支炉内探针实测温度、气体组成并采集负荷物料样。为研究新工况下负荷物料行为，周期停炉前向EBF装入不同烧结矿/球团料篮，氮气淬火解体炉后回收料篮。2007和2010周期执行。2009二周期因EBF装料系统故障意外结束，仅淬火未装料篮。

作业中回收粘结带样本、测量赛璐珞区尺寸形状供后续研究。各周期先常规高炉正常操作（热风）烧结矿运行一周，先升温热稳定，后建立常规高炉基准。基准后停炉断开鼓风机、接通产品气至卵石加热器（蓄热器）。TGR-BF模式启动：冷氧人工风+卵石加热器热氮气。逐步用脱碳顶煤气（产品气）替代卵石加热器氮气。

ULCOS TGR-BF作业周期结果

首要结论：ULCOS TGR-BF工艺可行运行。新工艺周期中零安全事故。VPSA装置（第二关键设施）运行平稳无重大故障。EBF与VPSA耦合运行良好。

但须注意：VPSA运行受EBF顶煤气组成和气量变化影响，两装置须紧密协同运行。周期中达成最大顶煤气回收比约90%。

TGR-BF周期中高炉运行稳定，负荷下降顺畅，易维持热稳定。不同方案下炉身气体利用率稳定，炉内探针测量显示良好气体分布。但因设备故障导致数次新工况下停炉。长停需恢复“常规操作”步骤（冷氧+热氮人工风）。短停仅停气喷吹并增补焦炭/煤粉。

氮气启动无顶煤气时，约1小时内可重新循环产品气。所有问题按预期解决，高炉热稳定性未严重受威胁。随作业积累经验增强信心，EBF恢复逐步加快（达产水平）。每次方案切换（3→4、3→1）停炉约8小时，完成炉身风口气路连接和炉腰风口更换。

实验室实验表明常规负荷物料适应新工艺，作业验证此结论。无特定工艺问题关联负荷物料性质。两探针和解体样本结果显示中心作业高炉还原剖面：炉壁低还原度、炉心高还原度（烧结矿和球团均如此）。掉落试验显示解体样本解离行为类似常规高炉，对应实验室测试。负荷测试表明：现行常规高炉烧结矿、球团、焦炭适用ULCOS TGR-BF工艺。

三周期结果在节约碳（煤、焦）方面极具鼓舞性。三周期试验均显示注入脱碳顶煤气显著降低还原剂率。三周期煤焦投入从~530 kg/tHM降至400 kg/tHM，大幅节碳。碳投入从470 kg/tHM降至~350 kg/tHM，碳节约~25%。

方案1因二周期早停未充分探索，较常规基准期焦炭碳投入最大降幅21%。该方案开发新风口技术：同轴双管，内管喷吹煤粉、外管喷吹氧气。三风口运行良好，拆检无损伤磨损。VPSA回收顶煤气达88%。

方案3首周期顶煤气回收比~72%下碳消耗降15%，低于热质量平衡预期24%（因首次TGR模式经验未优化）。二周期显著改善，顶煤气回收比达90%时碳投入最大降幅~25%。

方案4顶煤气回收比90%下碳节省24%。焦煤消耗新工艺（方案4）较基准期节省达123 kg/tHM。结果确立注入气量（CO+H₂）与还原剂率降低良好相关性：平均每100 Nm³注入气（CO+H₂）可降低17 kg碳投入（焦+煤）。

EBF作业证明：高炉工艺可在远低于现代最佳高炉的化石碳消耗水平运行。注入脱碳还原顶煤气实现碳节省达25%，较当今最佳高炉显著下降。实际上，BF-TGR技术应用于现代高炉预期可将碳消耗从现~405 kg C/tHM降至~295 kg C/tHM。

VPSA稳定运行。处理高炉97%顶煤气。注入气平均CO₂体积分数~2.67%，CO回收率88%，满足量质要求。结合VPSA和CCS，TGR-BF工艺CO₂减排达1270 kg/tHM，占炼铁总CO₂排放76%。其中24%靠气体回收，52%靠CCS地下封存输运。

工艺视角：ULCOS运行比常规高炉更稳定（铁水温度和质量）。本质因直接还原率（DRR）大幅降低（最低观测5%），溶解损失反应影响降低。无迹象表明5%为ULCOS TGR-BF可达最低值。铁水质量显著受ULCOS TGR-BF影响：硅含量大幅下降（>1%绝对值），碳含量相应上升。但常规高炉硅含量远低（常规~0.5% vs EBF~2.0%），工业规模应用不应预期如此大变化。

ULCOS TGR-BF试验证明：新工艺可行、易操作、安全高效稳定。可在4模式（常规、方案1、3、4）间切换EBF运行。可闭环运行高炉工艺和VPSA气体分离装置。碳节省与流程计算预测一致。测试表明常规负荷烧结矿、球团、焦炭适用ULCOS TGR-BF。

基于EBF作业经验，ULCOS TGR-BF工业安全可持续应用需关注：① 风口级气体泄漏风险需物理隔离风口铁口防火；② 高温法兰弯曲泄漏风险；③ 热风炉/加热器烟囱加高避免周边有毒气；④ 启动阶段避免故障，操作人员需人工气功能测试培训；⑤ 优化喷吹参数防风口鼻部堆积/堵塞；⑥ 单风口风量独立控制重要，防堵塞时过量氧气和煤粉堆积；⑦ 耐火材料选型制造需修改，尽量避免碳钢锚固件，或用其他材料/镀铝钢；⑧ 谨慎选材防金属粉化。

测试结果显示方案4减排效果最佳，入选下阶段工业高炉试验首选方案。