冶金企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果 | 大冶特殊鋼：基于氫能全氧燃燒技術的低碳綠色管理創(chuàng)新與實踐

申報單位：大冶特殊鋼有限公司

成果創(chuàng)造人：汪有源、程衛(wèi)國、高坤、樊瑩、王靖宇、樊平江、鄧小利、陳義、藍松軍、董清曄、李輝、尹禮忠、吳麗榮、黎仕森、舒神州

大冶特鋼具備年產(chǎn)特殊鋼420萬噸，材400萬噸的生產(chǎn)能力，是目前全國規(guī)模最大的“精品特殊鋼棒材”“精品特種無縫鋼管”“精品特殊鋼鍛材” 生產(chǎn)基地之一。

（一）國家發(fā)展的趨勢所在

1、30/60 國家戰(zhàn)略：第七十五屆聯(lián)合國大會國家主席習近平做出中國在2030年前碳達峰,2060年碳中和的莊嚴承諾。

2、全面深化改革要求提出“推動能耗雙控逐步轉(zhuǎn)向碳排放雙控”。

3、國家產(chǎn)業(yè)調(diào)整導向提出“富氧/全氧燃燒” 技術為鋼鐵行業(yè)鼓勵類項目。

4、新燃料應用識別提出，要將氫氣作為高端制造業(yè)燃料。

（二）行業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展要求

1.鋼鐵工業(yè)總能耗占全國工業(yè)總能耗的20%~25%，碳排放占全國碳排放總量的15%，是制造業(yè)31個門類中碳排放最大的行業(yè)。

2.國務院制定《2030年前碳達峰行動方案》，明確提出要推動工業(yè)領域綠色低碳發(fā)展，推動鋼鐵行業(yè)碳達峰，并強調(diào)要深化鋼鐵行業(yè)供給側結構性改革。

3.現(xiàn)有加熱爐使用常規(guī)化石能源，很難滿足節(jié)能減排以及高端產(chǎn)品持續(xù)開發(fā)的要求?！半p碳”背景下，開發(fā)和應用低碳氫冶金技術已成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的共識。

（三）建設綠色特鋼集團的戰(zhàn)略要求

集團663總戰(zhàn)略中“綠色發(fā)展規(guī)劃”總體目標：中信泰富集團努力爭取2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，確保2060年實現(xiàn)“碳中和”，實現(xiàn)經(jīng)濟增長與能源資源使用高質(zhì)脫鉤發(fā)展、低碳經(jīng)濟與發(fā)展競爭力達到國際領先水平，成為全球特鋼企業(yè)集團低碳轉(zhuǎn)型的引領者。

具體目標：

1、碳排放總量在2030年前實現(xiàn)達峰，CO2排放峰值控制在3000萬噸以內(nèi)，爭取峰值年碳排放強度降至1.65t CO2/t鋼。

2、到2035年，碳排放強度較峰值年下降20%。

3、到碳中和年，碳排放強度較峰值年下降80%。

（四）企業(yè)發(fā)展的管理要求

大冶特鋼2022年發(fā)布了綠色低碳行動方案,規(guī)劃了五大路徑和十大工程，即“5+10”行動計劃：在“節(jié)能與能效提升”、“優(yōu)化用能及流程結構”、“構建循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈”、“推動綠色布局”、“突破性技術應用”等五個方面，通過實施“系統(tǒng)能效提升降碳工程”“數(shù)字化改造降碳工程”“工藝流程優(yōu)化降碳工程”“可再生能源利用降碳工程”“循環(huán)經(jīng)濟協(xié)同降碳工程” “綠色物流升級改造降碳工程”“減污協(xié)同降碳工程”“低碳意識及行為”“提升降碳工程氫能利用”“降碳工程低碳冶金示范降碳工程”推進降碳工作落地實施。

具體目標：到碳達峰年，碳排放總量控制在825萬噸以內(nèi)，碳排放強度1.65tCO2/t以內(nèi)。

（五）項目難點及實施價值

行業(yè)內(nèi)沒有現(xiàn)成的應用案例可借鑒。國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)均在開展氫冶金研究與試驗，但目前主流的氫冶金技術路線為高爐富氫冶煉與氫基直接還原豎爐煉鐵兩種：采用氫氣和一氧化碳還原鐵礦豎爐工藝和焦爐煤氣循環(huán)利用工藝。

打造全國首例氫能全氧加熱爐應用示范項目。大冶特鋼原創(chuàng)性將“低碳氫能全氧燃燒技術”應用于加熱爐，賦能全流程鋼鐵制造深度降碳，以實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和目標。無論從經(jīng)濟效益還是社會效益，氫氧燃燒技術均符合企業(yè)自身可持續(xù)發(fā)展的需要。

（一）成果創(chuàng)建的理論依據(jù)

1.氫能的優(yōu)越性①環(huán)保減碳：氫燃燒后生成物只有水，不會對環(huán)境造成污染；②能量密度非常高：是汽油的 3 倍，酒精的 3.9 倍，焦炭的 4.5 倍；③發(fā)熱值高：除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的；

2.新型氫能全氧燒嘴

新型氫能全氧燒嘴為無焰燃燒，其輻射能力更強，熱量密度更大，傳熱效率更高。

3.傾角切線旋流燃燒

燒嘴在安裝上雙側各2只燒嘴以高溫煙氣在切向節(jié)圓內(nèi)卷吸著煙氣在爐膛內(nèi)循環(huán),火焰通過氧氣高速射流，使火焰長度達到2米以上，在高溫情況下，實現(xiàn)無焰燃燒，同時產(chǎn)生卷吸作用，充分調(diào)動爐內(nèi)氣氛，燃燒效果更佳是更為理想的燃燒方式。

4.智能燃燒系統(tǒng)

系統(tǒng)設計時參考國內(nèi)外燃氣、氧氣相關標準和先進案例，雙套氣動切斷保證安全無泄漏。啟動前自動進行泄露檢測，融合了加熱爐上常用且久經(jīng)考驗過的控制方式，如雙交叉限幅、PID及模糊控制。這種控制方式可有效地提高系統(tǒng)的響應速度3~5倍，使之適應均熱爐熱負荷周期、快速變化的需要，保證爐溫、爐壓控制的穩(wěn)定高效。

5.全氧燃燒技術在加熱爐上的專利應用

《一種全氧加熱爐組合式燃燒系統(tǒng)》、《一種用于軋鋼加熱爐的全氧燃燒系統(tǒng)》。

（1）安全環(huán)保為基礎。嚴格貫徹國家安全、環(huán)保方針政策，減少對環(huán)境影響及員工危害。

（2）經(jīng)濟節(jié)能為導向。節(jié)省投資、節(jié)約能源、保證工程質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益。

（3）國產(chǎn)轉(zhuǎn)化為支撐。充分發(fā)揮國內(nèi)技術裝備優(yōu)勢，將國外技術國產(chǎn)化，實現(xiàn)裝備的自主化制造。

（4）先進技術為抓手。通過采用先進技術，實現(xiàn)操作方便、安全可靠的生產(chǎn)控制，確保生產(chǎn)高效、平穩(wěn)運行。

（5）綠色發(fā)展為牽引。以綠色發(fā)展理念為引導，采用清潔生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)“三廢”治理的資源化、減量化、無害化的目的。

（三）成果創(chuàng)建的目標方案

氫能全氧燃燒技術為新型低碳加熱技術，全國首例低碳加熱爐應用實踐，具備較好推廣價值，可提升全國鋼鐵行業(yè)的技術水平，促進行業(yè)整體節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展。

其目標旨在：創(chuàng)新性、經(jīng)濟性、示范性、推廣性。

其方案為：系統(tǒng)分析：對目前的現(xiàn)狀進行系統(tǒng)診斷，針對痛點“對癥下藥”；科學規(guī)劃：組建氣體供應商、爐窯設計團隊與大冶特鋼合作開發(fā)的架構，建立團隊；硬件改型：針對燃燒介質(zhì)變化，對燒嘴形式，燒嘴布局，煙道設計等進行全面改型重建，保證設備先進性及可持續(xù)性；軟件升級：程序設計“推陳出新”，從火焰控制，燃料配比，安全保護等方面進行完善優(yōu)化，確保操作方便，運行可靠；總結推廣：總結經(jīng)驗，形成最佳改善案例，在后續(xù)爐子改造上持續(xù)優(yōu)化。

（四）成果的創(chuàng)新點

1.低碳：氫能全氧燃燒燃燒介質(zhì)由混合煤氣改為焦爐煤氣，燃料主要成分為H2含量占比60%，煙氣成份以H2O為主，最大限度地減排排CO2。

2.節(jié)能：氫能全氧燃燒技術促進氫能燃料完全燃燒，提高火焰溫度；同時減少燃燒后的排廢煙氣量，具有優(yōu)越的節(jié)能性。

3.高效：使用REBOX無焰全氧燃燒燒嘴，火焰長度達到2米以上，在高溫情況下，實現(xiàn)無焰燃燒，高密度、高強度燃燒，提升加熱效率。

4.均勻：創(chuàng)新燒嘴角度布局，爐膛雙側各2只燒嘴，以切線旋流燃燒，高溫煙氣沿切向節(jié)圓在爐膛內(nèi)循環(huán)，充分攪動爐內(nèi)氣氛，提高對流傳熱效果，爐溫更均勻。

5.精準：氧氣+氫燃料閥組包括各4個支路控制4個加熱區(qū)域，閥組包括：過濾裝置、減壓裝置、阻火、安全切斷裝置、流量計量及控制裝置等，安全可靠，功能完善，控制精準。

6.智能：根據(jù)不同溫度段加熱工藝對升溫速度需求不同，智能切換燒嘴中心氧及環(huán)氧，科學加熱。

7.安全：設置智能檢漏功能，點火前檢測主閥架上快切閥是否泄漏，保證安全可靠。

三、成果的實施過程

（一）設備現(xiàn)狀 系統(tǒng)分析

1.燃料：使用燃料高焦轉(zhuǎn)混合煤氣，燃料熱值低，且主要成分為CO和N2，燃燒生成CO2和NOx，不利于節(jié)能減排。

2.燒嘴布局：燒嘴正對布置，爐膛內(nèi)燃燒氣氛相向?qū)α?，設計落后，爐內(nèi)氣氛流動性差，爐溫不均勻。

3.燒嘴類型：采用8套亞高速燒嘴，脈沖火焰燃燒，在有限爐膛空間內(nèi)，8個燒嘴燃燒火焰升溫過于浪費，造成了煤氣消耗量的大大增加，升溫不理想。

4.煙道：煙道采用無縫鋼管內(nèi)襯澆筑料的形式，煙道內(nèi)耐材易脫落，壽命不長，造成煙氣的泄漏等。

5.點火方式：采用時序脈沖式控制方式，燒嘴不斷啟停，故障率高，不易更換。

6.換熱器：煙道溫度高，摻冷風機的頻繁啟動，且由于煤氣換熱器設計換熱面積小，縱使煙氣的溫度極高，煤氣的溫度只能預熱到150℃左右，造成極熱量損失及能源浪費。

7.控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)簡單粗放，無法精準控制爐溫，造成加熱不均勻和煤氣消耗量大。

（二）項目實施 科學規(guī)劃

由世界知名氣體供應商技術支撐（全氧燃燒技術、燃燒模擬技術、閥組智能控制），國內(nèi)一流爐窯公司設計制造（爐窯設計、資源整合、技術轉(zhuǎn)化），世界一流特鋼企業(yè)工藝實踐（施工管理、工藝實踐、成果驗證）三方聚焦共同攻關。

（三）硬件結構 改型重建

1.優(yōu)化燒嘴設計 提高升溫速率

設計4個燒嘴布置在爐墻兩側上部位置，雙側各2只燒嘴。斜對角的一對燒嘴為45°布置，以燃燒火焰帶動高溫煙氣在切向節(jié)圓內(nèi)卷吸著煙氣在爐膛內(nèi)循環(huán)。

2.優(yōu)化煙道設計 提高爐溫均勻性

采用下排煙方式在兩側中部外排，煙氣從上而下貫穿整個爐膛，高效加熱且煙氣減排明顯。物料沿爐墻四周靠墻斜放，確保物料安放的穩(wěn)固。在保證不影響爐墻強度的情況下在爐墻下部墻內(nèi)形成匯集煙氣火道，集中在側墻中心外排。

煙道增加抽煙風機，加強煙道抽力，使爐內(nèi)煙氣更好循環(huán)。

每個燒嘴配備流量調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)火焰精準控制；每個燒嘴配備切斷閥，

實現(xiàn)單燒嘴的切斷控制；優(yōu)化管道管徑，管路清晰，維護方便。

（四）控制系統(tǒng) 升級完善

1.氧燃比控制

每個燒嘴具備單獨的氧燃比控制功能，實現(xiàn)對單個燒嘴的氫氧精準控制。

2.火焰自動切換

低溫和超溫時四個燒嘴可以自動打開和關閉；保溫時可以自動關閉部分燒嘴，節(jié)約能源。

3.數(shù)據(jù)監(jiān)測

閥門開閉狀態(tài)、流量、壓力、溫度的數(shù)據(jù)統(tǒng)一呈現(xiàn)，快速發(fā)現(xiàn)問題根源。

4.智能檢漏

智能檢漏功能，檢測主閥架上快切閥是否泄漏，保證安全可靠。

5.智能投料

通過提前在系統(tǒng)中儲存的鋼錠加熱曲線，實現(xiàn)不同鋼錠的一鍵快速投料。

6.報警快速查詢

操作臺設聲光報警，可以快速查看報警詳細信息，快速處理故障。

四、成果取得的效益

（一）推進了生產(chǎn)效益持續(xù)提升

1.溫度更均勻

爐溫均勻性由±40℃提升至±28℃。改常規(guī)燃燒為無焰燃燒系統(tǒng)，采用高速卷吸燃燒方式，促進煙氣的循環(huán)量，減少上下面的溫差。同時由于取消了換熱器以及蓄熱體，爐壓更易管控，綜合因素促使其爐溫均勻性更優(yōu)。

2.生產(chǎn)效能更高

生產(chǎn)效能提升20%以上。富氫燃料全氧燃燒后，火焰的形狀及成分與常規(guī)燃燒不同，輻射能力更強，熱量密度更大，傳熱效率更高。其效能主要從兩個方面體現(xiàn)：1.輻射系數(shù)增加約20%；2.高溫火焰區(qū)域增加約30%；3.氧化損失更少。

降低氧化燒損0.15% 。富氫全氧燃燒，實現(xiàn)氧氣和燃氣的精確管控，對氧氣的流量自動調(diào)控，采用精確燃燒控制方法。同時富氫燃燒在全氧氣的燃燒工況下，其燃燒速率更快，從而實現(xiàn)爐膛內(nèi)高效快速燃燒，減少殘氧的滯留。

（二）推動了綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展

1.更節(jié)能

節(jié)能率：20%以上。富氫燃料全氧燃燒提高區(qū)域輻射系數(shù)，煙氣帶走熱量減少，提高加熱爐熱效率，降低噸鋼燃料消耗。

2.更降碳

綜合降碳＞80%。

源頭降碳，氫基燃料取代碳基燃料。

過程降碳。

末端降碳。

3.更低氮

NOx總量降低＞15%。富氫全氧燃燒技術屬于低氮燃燒技術，火焰由明火升級為無焰燃燒，中心火焰減弱，從基礎上降低NOx的生成量。

（三）成果實施的效果

1、創(chuàng)新性：采用最先進的氫能燃燒技術，達到四個目標：降碳、節(jié)能、提產(chǎn)、環(huán)保。

2、經(jīng)濟性：

增產(chǎn)效益：496.8萬元。

節(jié)能效益：63.36萬元。

減碳效益：133.34萬元。

合計年創(chuàng)效益：693.5萬元。

3、示范性: 實現(xiàn)碳排放降低80%、能耗節(jié)能20%、降低氧化燒損0.15%、NOx排放濃度降低15%。

4、推廣性：全國首例低碳加熱爐應用實踐，具備較好推廣價值，可提升全國鋼鐵行業(yè)的技術水平，促進行業(yè)整體節(jié)能減排的發(fā)展。

（四）成果產(chǎn)生的 經(jīng)濟效益

1.年增產(chǎn)效益

13#爐9月26日至10月25日全月產(chǎn)量1332噸，達到月產(chǎn)量由1000噸提升20%（200噸）的立項目標；14#爐9月26日至10月25日全月產(chǎn)量1326.5噸，達到月產(chǎn)量由1000噸提升20%（200噸）的立項目標。以此類推兩臺爐子可實現(xiàn)年增量7200噸（按月增量600噸算）。

創(chuàng)效：7200噸*690元/噸=496.8萬元

按噸鋼利潤690元/噸測算

2.節(jié)能效益

13#爐焦爐煤氣單耗96.52m3/t,氧氣單耗86.03m3/t，噸鋼燃料消耗96.52*0.75+86.03*0.5=115.4元；14#爐焦爐煤氣單耗102m3/t,氧氣單耗91m3/t，噸鋼燃料消耗102*0.75+91*0.5=122元；改造前兩爐噸鋼燃料消耗450*0.32=144元；改造后兩爐噸鋼燃料消耗比改造前降低22元以上。

年創(chuàng)效：22元/噸*1.44萬噸*2=63.36萬元

3. 社會、生態(tài)效益——降碳效益

改造前噸鋼碳排放450*52.89*0.0625*0.99*44/12/10000*1000=540kg

改造后噸鋼碳排102*60/10000*173.54*0.0121*99/100*44/12/60*1000=77kg

噸鋼降碳540-77=463kg，效益463/1000*100=46.3元（按照碳稅100元/噸碳），

降碳年創(chuàng)效46.3元/噸*1.44萬噸*2=133.34萬元

4. 合計年創(chuàng)效

496.8+63.36+133.34=693.5萬元

（五）成果產(chǎn)生的社會效益

6月25日，中信泰富特鋼低碳項目發(fā)布暨特鋼技術降碳方案研討會在大冶特鋼召開，重點用戶對與公司的戰(zhàn)略合作充滿信心。大冶特鋼將堅定不移走好綠色低碳發(fā)展道路，始終圍繞‘綠色制造 制造綠色’低碳發(fā)展綱領，在技術研究的道路上不斷探索，在降本降碳工作上持續(xù)發(fā)力，在綠色精品特鋼升級項目上加大投入，以綠色的工藝、綠色的制造，生產(chǎn)出綠色的產(chǎn)品，為用戶創(chuàng)造價值。

（六）榮譽展示

（1）2023年榮獲“鋼鐵綠色發(fā)展標桿企業(yè)”稱號。

（2）2023年榮獲“雙碳最佳實踐能效標桿示范廠培育企業(yè)”稱號。

（3）2023年獲碳信息披露項目（Carbon Disclosure Project，簡稱CDP）評級B級。

（4）榮獲國家節(jié)能中心頒發(fā)的“中國能效之星四星級企業(yè)”稱號（特鋼行業(yè)唯一一家獲此殊榮的鋼鐵企業(yè)）。

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