高新運
（原濟南鋼鐵集團煉鐵廠）
摘要：本文通過“等離子技術(shù)”在“電焰灶”領(lǐng)域的應用，展望了“等離子技術(shù)”在高爐爐腰或爐身下部安裝應用的可行性，并介紹了具體應用方法和技術(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”，并配合噴吹焦爐煤氣或氫氣的方法，利用“等離子炬”加熱氫氣或焦爐煤氣，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 焦爐煤氣 氫氣
1 問題的提出及高爐應用“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)。從當前的“電焰灶”的推廣應用情況看，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)”，當高爐用上“等離子技術(shù)”后，將會促進高爐煉鐵技術(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進行了深度查詢；提問：當工藝不僅需要熱量，還需要等離子體中的活性粒子來引發(fā)或促進化學反應時，比如經(jīng)離子炬加熱的氫氣連同“尾氣”一同進入爐內(nèi)，并用于促進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，這對還原反應是質(zhì)變級的提升。還說：您的設(shè)想——在進入反應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。通過上面的答復經(jīng)深入思考認為：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
近年來高爐從風口噴吹焦爐煤氣技術(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口噴入氫氣的；業(yè)內(nèi)知道，理論上講，從高爐風口噴入氫氣或焦爐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，其氫氣參與燃燒反應的產(chǎn)物是水，而水在高爐風口前的高溫環(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？其原因應該在于“預熱”，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，如果噴入不預熱的還原氣會使爐況難行甚至失常，因此才提出必須要進行提前預熱；實際上多年前就有人提出了從“高爐爐身下部噴吹預熱后還原氣”觀點，并得到了業(yè)內(nèi)的普遍認可；但由于還原氣特別是“焦爐煤氣或氫氣”其預熱難度極大，而且預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)計并配置為其預熱的系統(tǒng)，但最終還是選擇繼續(xù)從風口噴入。
針對從“高爐爐身下部噴吹還原氣”其預熱關(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“高爐爐腰噴吹不預熱還原氣”，并提出其噸鐵噴吹量不超過60m3時可以不預熱的觀點；但未能形成共識，甚至有專家仍然認為必須要進行預熱。好在當前以“電焰灶”為代表的“等離子技術(shù)”的推廣應用，為“高爐爐腰或者爐身下部噴吹不預熱還原氣”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口噴入“焦爐煤氣或氫氣”，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會，在爐殼和冷卻壁上預留出能夠安裝“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“焦爐煤氣或氫氣”。
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會，在冷卻壁上設(shè)置預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)，由此認為，即使高爐沒有大中修機會，也能夠利用高爐計劃檢修休風機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，只要定位準確，是不會鉆壞冷卻壁水管的；假如能夠進一步與“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“不預熱焦爐煤氣或氫氣”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，只要認識到從高爐爐腰或爐身下部安裝“離子炬”并噴入“焦爐煤氣或氫氣”的優(yōu)越性，只要利用高爐計劃檢修休風機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“焦爐煤氣”問題，通過Deepseek又進行了深度查詢；提問是：將焦爐煤氣通過等離子炬送入爐內(nèi)能夠產(chǎn)生什么效果？得到的答復是：將焦爐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“預處理 + 強化燃燒”的復合過程。最終產(chǎn)生的綜合效果是：輸入物： 普通的、含有雜質(zhì)的焦爐煤氣。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熱焦爐煤氣或者氫氣；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，并且完全應當先行一步。
3 充分利用高爐優(yōu)勢實施“高爐等離子噴吹”應該是大勢所趨
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一步優(yōu)化提升，將能夠進一步使其發(fā)揚光大，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。
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；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)煤氣為自身的熱風爐燒爐，并且能夠把熱風溫度提高到1200℃以上，再返供高爐，使高爐能夠進一步提高能源利用效率；還能夠從高爐風口噴吹煤粉和焦爐煤氣，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“焦爐煤氣或氫氣”，將能夠使高爐進一步降低生產(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熱后循環(huán)煤氣，后來又改為從風口噴吹；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%使用球團礦，僅從球團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，其用電成本會有多高？其產(chǎn)能會有多大？
從上面的對比應該能夠看出，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。
以筆者之見，當高爐用上“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！