陶海银
日前，由中冶赛迪设计、施工、建设的河北纵横集团丰南钢铁有限公司2座2300立方米高效还原3R（减量化、再利用和再循环）碳氢高炉经过1年的连续稳定运行，取得了显著的经济和社会生态效益：相较于同等规模的传统高炉，固体燃料消耗下降20千克/吨铁水~30千克/吨铁水，碳氢混合煤气置换比达0.50千克/标准立方米~0.57千克/标准立方米，实现高炉减碳5%~10%，冶炼成本降低10元/吨铁水~30元/吨铁水。
得益于该技术实施的良好效果，今年7月份，纵横集团另外2座2000立方米级高炉开始建设，远在1000公里以外的华东某千万吨级钢铁企业，3座2000立方米级大型碳氢高炉也已破土动工。
针对我国钢铁行业90%为高炉—转炉长流程，且降低高炉碳素消耗一直是困扰钢铁行业的世界性难题这一实际，中冶赛迪在低碳冶炼工艺领域大胆创新，经过多年研究攻关，成功打造了适合我国国情且兼具减碳与经济性的碳氢高炉技术路线，为规模化大型高炉实现经济稳定减碳提供了新路径和新动能。
突破碳氢耦合增强还原理论研究
取得效率和效益的重大突破
2023年底，中冶赛迪与纵横集团共同打造的全球首例大型碳氢高炉示范项目成功投运，标志着大型高炉大幅减碳的低碳冶炼新工艺正式迈入工业化应用阶段。
中冶赛迪在低碳炼铁领域长期探索，掌握了氢气与一氧化碳在高炉内的协同行为，形成碳氢耦合增强还原理论。相较于一氧化碳，氢气具有更强的扩散能力，以使氢气能够促进铁矿石还原后期或难还原矿石的还原，同时富氢煤气进入高炉后促使炉内煤气流的还原势大幅增强，有助于发展间接还原、降低直接还原，从而减少固体碳素消耗。但氢还原过程为吸热反应，大量氢气还原铁矿石过程将导致矿石周围反应温度急剧降低，进而改变炉内温度分布状态。高炉内合理的氢气浓度对于高炉稳定顺行至关重要。
中冶赛迪攻关团队从炼铁基础理论、气固两相流出发，在铁氧化物高效还原、低碳高炉操作等方面开展了大量理论分析、仿真计算和实验研究，获得了高炉冶炼过程中炉内最佳氢气浓度，进而得到富氢气煤气与富一氧化碳煤气的最佳配比，并提出将富氢气煤气、富一氧化碳煤气按特定比例混合后经喷吹系统喷入高炉的碳氢高炉技术。
其间，中冶赛迪联合纵横集团在钢厂分别投运了焦炉煤气喷吹和碳氢混合煤气喷吹两种低碳冶炼模式。实践表明，混合煤气置换固体燃料的能力较焦炉煤气更强，体现出碳氢耦合增强还原特性。
安全可靠的设备与数字化技术应用，解决了低碳高炉稳定顺行的世界性难题
中冶赛迪3R碳氢高炉技术除依托碳氢耦合增强还原理论外，还搭载了煤气加压与深度脱碳、煤气与煤粉协同喷吹、炉况智能调控等多项新技术，保障了碳氢高炉稳定顺行。
中冶赛迪攻关团队基于煤气脱除二氧化碳的理论分析、性能评估及经济测算，提出了满足高炉生产冶炼的高效低成本煤气脱碳系统，煤气经脱碳处理后满足高炉循环喷吹的冶炼要求，并成功攻克了碳循环造成的煤气处理与炉况调节相互干扰从而影响高炉长期稳定顺行的世界性难题。
另外，攻关团队通过大量实验与仿真模拟研究，揭示了煤气与煤粉的协同燃烧机制，针对煤气喷吹工况设计了全新喷吹系统和煤气喷枪，不仅有效提升了煤粉燃烧效率，还降低了煤气与煤粉协同燃烧时的相互干扰，保障了高炉炉况稳定、送风系统与喷吹系统的安全可靠。新煤气喷枪可安全、稳定地连续生产超4个月。
针对高炉冶炼、煤气处理、煤气喷吹等工艺设备产生的大量操作参数，该团队搭建了低碳高炉大数据中心，实现对所有操作数据的管控，并研发了基于AI（人工智能）控制的多介质喷出模型，实现对富氢低碳冶炼的稳定操作。在这些技术的加持下，3R碳氢较同时期具有相同炉料结构的常规高炉，具有更强的抗原燃料波动的能力，高炉炉况更稳定。
实现钢产副厂煤气循环利用
构建长流程钢厂低碳冶炼新模式
从高炉—转炉冶炼流程来看，在生产钢铁产品的同时将产生大量副产煤气。在当前冶炼模式下，这些副产煤气主要被用于燃烧加热和燃烧发电。煤气燃烧存在两个主要问题：一是用于燃烧的煤气仅利用了煤气的热值，未利用煤气的化学还原功能；二是煤气用于发电的能量转化效率较低，当前最先进的煤气发电机组能量转化效率也仅有40%左右。
中冶赛迪经对钢铁企业厂内煤气平衡计算与系统分析，提出应逐渐减少副产煤气作为发热剂用于燃烧，而是尽量将煤气用作还原剂，以替代部分高炉冶炼消耗的固体碳素，从源头降低钢铁冶炼全流程的碳素消耗。基于此，中冶赛迪在行业内首次提出高炉—焦炉—转炉进行联合碳氢循环的新工艺流程，实现从高炉工序碳循环向流程碳循环的转变，为长流程低碳冶炼提供新模式。
3R碳氢高炉技术是一次钢铁长流程稳定、经济减碳的有益探索，其工业应用表明了传统钢铁工业具备深度减碳的能力。中冶赛迪将继续践行“双碳”目标，聚焦高炉绿色低碳冶炼，基于3R碳氢高炉技术进一步开发高炉、焦炉、转炉副产煤气的高效利用技术和核心装备，打造Super 3R碳氢高炉，从源头实现高炉大幅度减碳和超低碳排放冶炼，为钢铁工业以高质量发展推进中国式现代化贡献力量。
