薛庆国等：氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 1581· 12实验性氧气高炉与氧气鼓风高炉炼铁工业实践 2氧气高炉在北京科技大学的主要研究进展 1.2.1日本NKK公司3.9m3实验性氧气高炉 日本NKK公司于1987年在3.9m3实验高炉上 北京科技大学早于1985年就已着手开展氧气 完成氧气高炉炼铁实验.结果表明：喷煤量最高可 高炉研究，研究范围涉及流程研究、炉内反应研 达每吨铁320kg(0.84kgm3O2(标况))，氧耗为每 究、全炉数值模拟研究、全流程碳素流变化及系 吨铁357m3(标况)，理论燃烧温度2839℃.生铁日 统节能减排研究，并开展了相应的工程技术开发. 产量由9.9t提高到20.0t,利用系数达到5.1tm3d, 2.1流程研究 每吨铁燃料比为647kg,高炉实现稳定生产，证明 流程确定与解析是氧气高炉研究最为重要的基 了氧气鼓风高炉炼铁工艺在技术上完全可行3，刘. 础工作，北京科技大学针对氧气高炉流程的研究工 1.2.2瑞典LKAB公司9m3实验性氧气高炉 作最早可以追溯到20世纪80年代.秦民生教授于 2004年，欧盟制定并实施了“超低CO2炼钢” 1985年提出了FOBF流程2,3)，如图1所示，该流程 项目(ULCOS计划)，该项目中高炉炉顶煤气循环- 通过炉缸及炉身同时喷吹炉顶煤气等技术措施解决 氧气高炉(TGR-OBF)是重点开发的工艺之一 “上凉”和“下热”问题.1994年，高征铠教授及其团 2007年，ULCOS项目组在瑞典LKAB的9m3实验 队提出OC℉氧气高炉工艺23,4-，如图2所示，采用 高炉进行了实验.在炉缸和炉身同时喷吹加热循 炉缸喷吹循环煤气解决“下热”问题.两种工艺为后 环煤气条件下，燃料比从基准期的每吨铁530kg 续科研工作者在氧气高炉工艺研究上指出了方向. 降低到400kg,碳输入从每吨铁470kg降低到 Top gas Output gas 350kg.实验结果显示每喷吹100m3C0+H2气体 Coke, iron ore 可以降低燃料比每吨铁17kg,炉顶煤气循环率达 03 D九Ist 到90%时，可以节碳24%，结合碳捕集与封存(CCS) 技术，C02排放最高可减少76%2s-2测 C02 1.2.3中国五矿营钢8m3实验性氧气高炉 2009年，北京钢铁研究总院与五矿营钢合作 Preheating gas 5 建立了一座8m3的氧气高炉，进行了国内第一次 氧气高炉工业实验.实验分三个阶段，在三个阶段 Circulating gas 中C0利用率分别为18.8%、22.3%和25.9%2四实 Slag, 02 Coal powder 验证明，氧气高炉可以实现大量喷煤，吨铁喷煤 molten iron 量最高可达到450kg.炉身喷吹预热的焦炉煤气 1-Blast furnace;2-Dust removal system;3-Pressurizing 以后，焦比和煤比大幅度下降，可以降低燃料消 device;4-Removal of CO,;5-Gas heating 耗.根据理论计算，炉身风口喷吹脱除CO2后的炉 图1FOBF氧气高炉工艺流程 顶煤气，可进一步提高间接还原度，燃料比大幅 Fig.1 FOBF oxygen blast furnace process flow 降低30-习 Top gas 2 Output gas 1.2.4前苏联RPA公司1033m3高炉氧气散风炼 Coke, iron ore 铁生产实践 0)3 h九Ist 前苏联RPA公司于1985~1990年间，在 Toulachermet工厂2号高炉（炉容1033m3)上开展 Circulating gas 了长时间的氧气鼓风喷吹热还原性气体的炼铁工 业实验.在1988年长达74d的实验期内，焦比降 低28.5%，最低可达每吨铁360~367kg,生产率提 高27.3%，日产铁最高达到1770吨.实验期鼓风氧 含量最高达到93%，氧耗为每吨铁251m3(标况)， 直接还原度由基准期的0.437降低到实验期的 Slag. O2 Coal Flux molten iron powder 0.08~0.19.在当时的生产条件下，实验无疑是取 1-Blast furnace;2-Dust removal system;3-Pressurizing device 得了成功，为氧气高炉操作提供了经验，也为今后 图2OCF氧气高炉工艺流程 氧气高炉技术的开发应用建立了信心 Fig.2 OCF oxygen blast fumace process flow1.2    实验性氧气高炉与氧气鼓风高炉炼铁工业实践 1.2.1    日本 NKK 公司 3.9 m3 实验性氧气高炉 日本 NKK 公司于 1987 年在 3.9 m3 实验高炉上 完成氧气高炉炼铁实验. 结果表明：喷煤量最高可 达每吨铁 320 kg（0.84 kg·m−3 O2（标况）），氧耗为每 吨铁 357 m3 （标况），理论燃烧温度 2839 ℃. 生铁日 产量由 9.9 t 提高到 20.0 t，利用系数达到 5.1 t·m−3·d−1 ， 每吨铁燃料比为 647 kg，高炉实现稳定生产，证明 了氧气鼓风高炉炼铁工艺在技术上完全可行[13, 24] . 1.2.2    瑞典 LKAB 公司 9 m3 实验性氧气高炉 2004 年，欧盟制定并实施了“超低 CO2 炼钢” 项目（ULCOS 计划），该项目中高炉炉顶煤气循环− 氧气高炉 （ TGR−OBF）是重点开发的工艺之一 . 2007 年，ULCOS 项目组在瑞典 LKAB 的 9 m3 实验 高炉进行了实验. 在炉缸和炉身同时喷吹加热循 环煤气条件下，燃料比从基准期的每吨铁 530 kg 降 低 到 400  kg，碳输入从每吨 铁 470  kg 降低到 350 kg. 实验结果显示每喷吹 100 m3 CO+H2 气体 可以降低燃料比每吨铁 17 kg，炉顶煤气循环率达 到 90% 时，可以节碳 24%，结合碳捕集与封存（CCS） 技术，CO2 排放最高可减少 76% [25−28] . 1.2.3    中国五矿营钢 8 m3 实验性氧气高炉 2009 年，北京钢铁研究总院与五矿营钢合作 建立了一座 8 m3 的氧气高炉，进行了国内第一次 氧气高炉工业实验. 实验分三个阶段，在三个阶段 中 CO 利用率分别为 18.8%、22.3% 和 25.9% [29] . 实 验证明，氧气高炉可以实现大量喷煤，吨铁喷煤 量最高可达到 450 kg. 炉身喷吹预热的焦炉煤气 以后，焦比和煤比大幅度下降，可以降低燃料消 耗. 根据理论计算，炉身风口喷吹脱除 CO2 后的炉 顶煤气，可进一步提高间接还原度，燃料比大幅 降低[30−32] . 1.2.4    前苏联 RPA 公司 1033 m 3 高炉氧气鼓风炼 铁生产实践 前 苏 联 RPA 公 司 于 1985～ 1990 年 间 ， 在 Toulachermet 工厂 2 号高炉（炉容 1033 m 3 ）上开展 了长时间的氧气鼓风喷吹热还原性气体的炼铁工 业实验. 在 1988 年长达 74 d 的实验期内，焦比降 低 28.5%，最低可达每吨铁 360～367 kg，生产率提 高 27.3%，日产铁最高达到 1770 吨. 实验期鼓风氧 含量最高达到 93%，氧耗为每吨铁 251 m3 （标况）， 直接还原度由基准期 的 0.437 降低到实验期 的 0.08～0.19. 在当时的生产条件下，实验无疑是取 得了成功，为氧气高炉操作提供了经验，也为今后 氧气高炉技术的开发应用建立了信心[15] . 2    氧气高炉在北京科技大学的主要研究进展 北京科技大学早于 1985 年就已着手开展氧气 高炉研究，研究范围涉及流程研究、炉内反应研 究、全炉数值模拟研究、全流程碳素流变化及系 统节能减排研究，并开展了相应的工程技术开发. 2.1    流程研究 流程确定与解析是氧气高炉研究最为重要的基 础工作，北京科技大学针对氧气高炉流程的研究工 作最早可以追溯到 20 世纪 80 年代. 秦民生教授于 1985 年提出了 FOBF 流程[20,33] ，如图 1 所示，该流程 通过炉缸及炉身同时喷吹炉顶煤气等技术措施解决 “上凉”和“下热”问题. 1994 年，高征铠教授及其团 队提出 OCF 氧气高炉工艺[23, 34−35] ，如图 2 所示，采用 炉缸喷吹循环煤气解决“下热”问题. 两种工艺为后 续科研工作者在氧气高炉工艺研究上指出了方向. Top gas 2 Coke, iron ore Dust Preheating gas Circulating gas O2 Coal powder Slag, molten iron 3 4 5 3 Output gas CO2 1 1—Blast furnace; 2—Dust removal system; 3—Pressurizing device; 4—Removal of CO2 ; 5—Gas heating 图 1    FOBF 氧气高炉工艺流程 Fig.1    FOBF oxygen blast furnace process flow O2 Slag, molten iron Coal powder Flux 1—Blast furnace; 2—Dust removal system; 3—Pressurizing device 1 Dust 3 Circulating gas Top gas Output gas 2 Coke, iron ore 图 2    OCF 氧气高炉工艺流程 Fig.2    OCF oxygen blast furnace process flow 薛庆国等： 氧气高炉的发展历程及其在北京科技大学的研究进展 · 1581 ·