高新運
（原濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠）
摘要：本文通過“等離子技術(shù)”在“電焰灶”領(lǐng)域的應(yīng)用，展望了“等離子技術(shù)”在高爐爐腰或爐身下部安裝應(yīng)用的可行性，并介紹了具體應(yīng)用方法和技術(shù)路線，即通過在高爐爐腰或爐身下部圓周上安裝若干“等離子炬”，并配合噴吹焦?fàn)t煤氣或氫氣的方法，利用“等離子炬”加熱氫氣或焦?fàn)t煤氣，并依此活化其中的分子并形成“等離子體”，使“等離子體”直接用于強(qiáng)化鐵礦石的還原，以便于提高還原效率，實現(xiàn)高爐的節(jié)能減排；還闡述了現(xiàn)有高爐所具有的優(yōu)勢及建議不要輕易放棄高爐這條技術(shù)路線的原因與理由。
關(guān)鍵詞：電焰灶 等離子炬 等離子體 高爐爐腰 爐身下部 焦?fàn)t煤氣 氫氣
1 問題的提出及高爐應(yīng)用“等離子技術(shù)”的展望
近期網(wǎng)上關(guān)于“電焰灶”又稱“點火灶”的報道很多，并且也有產(chǎn)品廣告（見右圖）。通過右圖可以看出，“電焰灶”（點火灶）是由多個“離子炬”或稱“等離子炬”構(gòu)成的，其原理就是“等離子技術(shù)”，即“電生火”技術(shù)。它通過電離空氣直接生成明火，它通過功率放大電路和升壓電路，將普通的家用220V交流電轉(zhuǎn)換為高電壓、高頻率的能量，這些能量被引導(dǎo)至灶具的離子針模塊（或稱發(fā)射極）和引弧離子頭之間，其強(qiáng)大的電能會電離空氣，使空氣分子失去電子，形成帶正電的離子和自由電子，也就是“等離子體”狀態(tài)。從當(dāng)前的“電焰灶”的推廣應(yīng)用情況看，似乎能夠說明該技術(shù)已經(jīng)比較成熟了，同時也說明該技術(shù)中制造“等離子炬”的關(guān)鍵材料及控制技術(shù)已基本過關(guān)，并且能夠保證一定的使用壽命。由此聯(lián)想認(rèn)為，假如將單個“離子炬”或稱“等離子炬”，以等距離的方式，安裝應(yīng)用在高爐爐體圓周，將很快就能夠使高爐煉鐵用上“等離子技術(shù)”，當(dāng)高爐用上“等離子技術(shù)”后，將會促進(jìn)高爐煉鐵技術(shù)的提升，因為它所具有的加熱和還原能力，不僅能夠有效保證高爐邊沿溫度，還會大幅度提高爐內(nèi)的還原效率；除此之外，它還具有非常靈活的調(diào)節(jié)功能，當(dāng)高爐工長能夠熟練地掌握該調(diào)節(jié)功能后，將能夠非常自由地調(diào)節(jié)并控制高爐邊沿溫度，依此保證高爐順行，甚至能夠從此讓高爐徹底告別高爐懸料。為此，筆者通過Deepseek進(jìn)行了深度查詢；提問：當(dāng)工藝不僅需要熱量，還需要等離子體中的活性粒子來引發(fā)或促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)時，比如經(jīng)離子炬加熱的氫氣連同“尾氣”一同進(jìn)入爐內(nèi)，并用于促進(jìn)鐵元素的還原是否可行？答案是：等離子體不僅提供熱量，更能活化氫氣分子，這對還原反應(yīng)是質(zhì)變級的提升。還說：您的設(shè)想——在進(jìn)入反應(yīng)爐的瞬間用緊湊的離子炬（等離子炬）加熱氫氣，并將活化后的氫等離子體直接用于強(qiáng)化鐵礦石的還原過程——不僅是可行的，而且這正是全球鋼鐵行業(yè)正在重點研發(fā)的、旨在實現(xiàn)“零碳煉鋼”的顛覆性技術(shù)路徑之一。通過上面的答復(fù)經(jīng)深入思考認(rèn)為：如果在高爐爐身下部或者爐腰圓周上均勻地安裝若干個“等離子炬”，并配合噴吹氫氣或其它還原氣，不僅能夠瞬間解決氫氣或其它還原氣的加熱問題，也能夠提高還原效率；除此之外，還能夠利用“等離子炬”的加熱功能解決一些爐況問題，比如爐墻粘接甚至爐墻結(jié)瘤等問題，還能夠有效避免爐況失常甚至徹底告別高爐懸料。由此看出高爐應(yīng)用等離子技術(shù)后，是完全能夠?qū)Ω郀t起到正向作用的。因此建議，所有具備資源條件的高爐都應(yīng)該積極采用，因為實施難度不大，并且投資少見效快。
2 在高爐爐身下部或爐腰安裝“等離子炬”實現(xiàn)從爐身下部或爐腰噴吹還原氣的可行性
近年來高爐從風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)已經(jīng)非常成功，并且已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。令人鼓舞的是，近期中鋼研又報道了晉南鋼鐵已經(jīng)在高爐成功地噴吹了氫氣（見下圖），由此可見，從高爐風(fēng)口噴吹氫氣的技術(shù)也已完全掌握。
從上面的報道看出，晉南鋼鐵仍然是從高爐風(fēng)口噴入氫氣的；業(yè)內(nèi)知道，理論上講，從高爐風(fēng)口噴入氫氣或焦?fàn)t煤氣要比從高爐爐身下部或從爐腰噴入效率低20%，其原因在于，其噴入的氫氣會首先參與燃燒反應(yīng)，其氫氣參與燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物是水，而水在高爐風(fēng)口前的高溫環(huán)境下是會迅速分解成氫和氧的，其水的分解是非常耗能的。既然如此，業(yè)內(nèi)為何不將噴吹位置設(shè)置在高爐爐身下部或爐腰呢？其原因應(yīng)該在于“預(yù)熱”，因為知道高爐內(nèi)特別是爐身下部部位的溫度是相對較低的，如果噴入不預(yù)熱的還原氣會使?fàn)t況難行甚至失常，因此才提出必須要進(jìn)行提前預(yù)熱；實際上多年前就有人提出了從“高爐爐身下部噴吹預(yù)熱后還原氣”觀點，并得到了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可；但由于還原氣特別是“焦?fàn)t煤氣或氫氣”其預(yù)熱難度極大，而且預(yù)熱后的高溫易燃易爆氣體，在輸送方面其安全性也難以保證；其原因在于：所需的即耐高溫又有較高密封性能的閥門目前還難以獲得，以至于在現(xiàn)有裝備條件下無法滿足預(yù)熱后高溫還原氣的輸送及噴吹；大概是這方面的原因，致使該項目一直未見實施；據(jù)有關(guān)資料顯示，八鋼實驗高爐雖然設(shè)計并配置為其預(yù)熱的系統(tǒng)，但最終還是選擇繼續(xù)從風(fēng)口噴入。
針對從“高爐爐身下部噴吹還原氣”其預(yù)熱關(guān)無法通過的問題，以及所遇到的難以解決的難題。筆者自2023年起提議從“高爐爐腰噴吹不預(yù)熱還原氣”，并提出其噸鐵噴吹量不超過60m3時可以不預(yù)熱的觀點；但未能形成共識，甚至有專家仍然認(rèn)為必須要進(jìn)行預(yù)熱。好在當(dāng)前以“電焰灶”為代表的“等離子技術(shù)”的推廣應(yīng)用，為“高爐爐腰或者爐身下部噴吹不預(yù)熱還原氣”帶來了一線希望，因為只要能夠在高爐爐腰或爐身下部圓周上安裝若干“等離子炬”，就能夠解決其噴入還原氣的預(yù)熱問題，而且還能夠大幅度提高還原氣的利用效率，而且還有利于高爐順行，甚至能夠完全避免高爐懸料。
雖然晉南鋼鐵仍然從高爐風(fēng)口噴入“焦?fàn)t煤氣或氫氣”，但其噴吹工藝和設(shè)備完全能夠用于從高爐爐腰或爐身下部噴入，只要將噴吹“支管”甚至利用“軟管”將噴吹“支管”引到高爐爐腰或爐身下部爐外的圓周區(qū)域，然后利用高爐大修或中修更換冷卻壁機(jī)會，在爐殼和冷卻壁上預(yù)留出能夠安裝“離子炬”的孔，并提前設(shè)計制造出高爐專用的“離子炬”，即可實現(xiàn)從高爐爐腰或爐身下部噴入“焦?fàn)t煤氣或氫氣”。
筆者通過檢索查詢得了到關(guān)于“離子炬”設(shè)計的一些參數(shù)，并將初步設(shè)計的安裝示意圖展示如下：
由上面的高爐用“離子炬”安裝示意圖可以看出，其結(jié)構(gòu)非常簡單，其最大的難點在于冷卻壁開孔。雖然上面提出了利用高爐大中修更換冷卻壁機(jī)會，在冷卻壁上設(shè)置預(yù)留孔的方法能夠解決冷卻壁開孔問題；但除此之外，還能夠采取在現(xiàn)有冷卻壁上鉆孔的方法實現(xiàn)冷卻壁開孔；因為通過查詢發(fā)現(xiàn)，單支功率小于50kW的“離子炬”，其外徑能夠做到60mm以內(nèi)，由此認(rèn)為，即使高爐沒有大中修機(jī)會，也能夠利用高爐計劃檢修休風(fēng)機(jī)會在爐殼和冷卻壁上實施鉆孔；因為調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高爐冷卻壁兩根冷卻水管之間的中心距最小的是180mm，假如減去一根水管的直徑，其兩根水管之間的凈距離至少還有100mm，由此可知，在高爐冷卻壁的兩根水管之間100mm的凈距離之中鉆出一個直徑60mm的孔是完全可行的，只要定位準(zhǔn)確，是不會鉆壞冷卻壁水管的；假如能夠進(jìn)一步與“離子炬”生產(chǎn)廠家溝通，并使其研制出直徑更小“離子炬”，也是完全存在可能性的，因此，高爐盡快應(yīng)用“等離子技術(shù)”是完全存在可能性的。
通過上面的敘述可知，只要在高爐爐腰或爐身下部安裝了“等離子炬”，從高爐爐腰或爐身下部噴入“不預(yù)熱焦?fàn)t煤氣或氫氣”就完全成為可能，并且是非常容易實現(xiàn)的，特別是晉南鋼鐵，只要認(rèn)識到從高爐爐腰或爐身下部安裝“離子炬”并噴入“焦?fàn)t煤氣或氫氣”的優(yōu)越性，只要利用高爐計劃檢修休風(fēng)機(jī)會能夠在爐殼和冷卻壁上開出“離子炬”安裝孔，并且把高爐風(fēng)口噴吹用的支管引到高爐爐腰或爐身下部區(qū)域，就很快能夠?qū)崿F(xiàn)“高爐等離子噴吹”。
關(guān)于高爐利用“等離子炬”噴吹“焦?fàn)t煤氣”問題，通過Deepseek又進(jìn)行了深度查詢；提問是：將焦?fàn)t煤氣通過等離子炬送入爐內(nèi)能夠產(chǎn)生什么效果？得到的答復(fù)是：將焦?fàn)t煤氣通過等離子炬送入爐內(nèi)，本質(zhì)上是對傳統(tǒng)煤氣利用方式的一次革命性升級。它不僅僅是簡單的“燃燒”，而是一個“預(yù)處理 + 強(qiáng)化燃燒”的復(fù)合過程。最終產(chǎn)生的綜合效果是：輸入物： 普通的、含有雜質(zhì)的焦?fàn)t煤氣。輸出效果： 高溫、穩(wěn)定、清潔、高效的燃燒過程，并產(chǎn)生高品質(zhì)的合成氣。這項技術(shù)特別適用于對溫度、環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量有嚴(yán)苛要求的工業(yè)領(lǐng)域，是實現(xiàn)節(jié)能減排和工藝升級的尖端技術(shù)路徑之一。
由上面的敘述看出，高爐通過安裝“等離子炬”，完全能夠?qū)崿F(xiàn)在高爐爐身下部或者爐腰噴吹不預(yù)熱焦?fàn)t煤氣或者氫氣；如果是處在綠電資源豐富地區(qū)的鋼鐵企業(yè)，其實施“高爐等離子噴吹”則更具優(yōu)勢，并且完全應(yīng)當(dāng)先行一步。
3 充分利用高爐優(yōu)勢實施“高爐等離子噴吹”應(yīng)該是大勢所趨
業(yè)內(nèi)均知：高爐煉鐵技術(shù)包括現(xiàn)有的高爐體系是人類不斷優(yōu)化結(jié)晶，發(fā)展到現(xiàn)在，其理論體系、工藝體系、裝備體系、管理體系均已非常完善，特別是在安全方面是非常值得信賴的；在能源效率方面高爐的表現(xiàn)也是明顯優(yōu)于其它冶煉設(shè)備；尤其在冶煉成本方面，到目前為止，還沒有其它任何一種煉鐵方法能夠與之相比。鑒于高爐已有的上述優(yōu)勢，如果再為其配備一些最新技術(shù)，比如“等離子噴吹技術(shù)”，將能夠使高爐主體裝備得到進(jìn)一步優(yōu)化提升，將能夠進(jìn)一步使其發(fā)揚(yáng)光大，從而使高爐能夠在降低生產(chǎn)成本和減少碳排放方面做出新的更大的貢獻(xiàn)。
現(xiàn)有高爐體系優(yōu)勢的特征體現(xiàn)在：能夠利用高爐的高度優(yōu)勢，使風(fēng)口區(qū)產(chǎn)生的高溫還原氣在沿爐內(nèi)高度方向向上流動的過程中，最大限度地與含鐵爐料接觸并發(fā)生還原反應(yīng)；能夠使高爐爐頂煤氣的排出溫度比較低到200℃左右，足以說明爐內(nèi)的熱能利用率是非常高的；能夠利用高爐自產(chǎn)煤氣為自身的熱風(fēng)爐燒爐，并且能夠把熱風(fēng)溫度提高到1200℃以上，再返供高爐，使高爐能夠進(jìn)一步提高能源利用效率；還能夠從高爐風(fēng)口噴吹煤粉和焦?fàn)t煤氣，實現(xiàn)節(jié)能降耗。由此看出，如果從高爐爐腰或爐身下部安裝“離子炬”并噴入“焦?fàn)t煤氣或氫氣”，將能夠使高爐進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，并能夠把高爐的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。
現(xiàn)有高爐與當(dāng)前在研的新型煉鐵技術(shù)對比，如“富氫碳循環(huán)氧氣高爐”原計劃是在高爐爐身下部噴入預(yù)熱后循環(huán)煤氣，后來又改為從風(fēng)口噴吹；該高爐2024年完成第二輪實驗；其公開的數(shù)據(jù)顯示：固體燃料消耗400Kg/t鐵,從風(fēng)口噴吹700m3/t鐵煤氣、200 m3/t鐵氧氣，還說鐵水成本比現(xiàn)有高爐低50元/t鐵？不知道該成本是怎么算出來的。“氫還原豎爐”100%使用球團(tuán)礦，僅從球團(tuán)礦的使用上就可以想象其成本有多高？“閃速煉鐵”其網(wǎng)上顯示的數(shù)據(jù)，是將鐵礦粉研磨到45µm（微米），不難看出把鐵礦粉研磨到這么細(xì)，其用電成本會有多高？其產(chǎn)能會有多大？
從上面的對比應(yīng)該能夠看出，所述的新型煉鐵技術(shù)均放棄了現(xiàn)有高爐的基本優(yōu)勢，因而其冶煉成本無法與現(xiàn)有高爐相比，同時還能夠想象，利用所述的新型煉鐵技術(shù)徹底取代現(xiàn)有高爐在短時間內(nèi)是不可能實現(xiàn)的；因此建議所有有高爐的鋼鐵企業(yè)，應(yīng)該充分利用好現(xiàn)有高爐這個體系非常完善的平臺，再為其添加上“等離子技術(shù)”，將會使高爐如虎添翼。如果把話再說白一點，就是高爐通過利用“等離子技術(shù)”，能夠在現(xiàn)有高爐和在研的新型煉鐵技術(shù)之間，走出一條比較折中的路線，以較快方式盡快實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減碳目標(biāo)。
以筆者之見，當(dāng)高爐用上“等離子技術(shù)”以后，其需要深入開發(fā)的課題還會不斷產(chǎn)生，其高爐發(fā)揮更大作用的前景還非常值得期待。
最后呼吁業(yè)內(nèi)，千萬不要輕易放棄高爐這條技術(shù)路線！