未来的低碳炼铁工艺
1 未来的低碳炼铁工艺
(1) 高炉发展系列工艺减排CO2
现有高炉所送热风中的氮承担热输送的角色而不参与炉内还原反应，而氧气高炉则是从风口送进冷氧气的工艺。吹氧而不鼓风就会因气体单耗的减少而可以提高生产率，并因还原气体浓度的上升而可强化高炉还原功能。若产量一定，可以期待将高炉内部容积减至现在的2/3，且可缓解对原料强度等条件的制约。只有日本采用试验炉进行了吹氧高炉的验证，并在实际高炉上进行了氧气喷嘴试验。大量制造氧气虽会增大电耗，但因高炉内循环气量的减少而使其中的CO2分压增高，从而使CO2分离比现行高炉更容易。而且在制氧工艺方面，能源利用效率比现行深冷分离更优良的制氧方法开发必会受到高度重视。
将吹氧高炉的基本形式和以此为基础外加CO2分离的吹氧高炉还吹入粉煤作为辅助还原材；且在炉身上部吹入经预热的循环气体，以补充因无氮进行热输送而引起的热量不足。在此基础上，右边的吹氧高炉是将炉顶废气中的CO2分离后再将之喷入炉内。因对原未利用的还原气体（含CO、H2）进行了循环再利用，故可期待大幅度减少向高炉的碳输入，并使大幅度减排CO2变得更容易了。
高炉内的还原反应分为CO还原、氢还原和固体碳的直接还原。一般高炉的上述还原比率分别为60％、10％和30％；若在炉顶气体中分离CO2并循环利用原未利用的CO，因强化了气体还原而促使吸热反应的直接还原比率降至10％，自然也就降低了作为固体碳来源的还原材比率。
在外部制造还原气体并吹入高炉的工艺原先就有，如日本就有将重油部分氧化而制成的还原气体吹入高炉炉身的FTG法，利用炉顶煤气中的CO2将焦炉煤气中的甲烷改质而向高炉吹入高温还原气体的NKG法等，这些工艺的目标是大幅降低高炉炼铁的焦比，但却与炉顶煤气的循环利用有不少共同点。
(2) 炉顶煤气循环和氢利用的强化
作为日本政府持续推进的COURSE50，是对焦炉煤气中的甲烷进行水蒸汽改质而增加氢量，以用氢还原铁矿石的方法，由从高炉顶的排出气体中分离CO2后，送回高炉再循环的工艺构成。所利用的氢在制造时需消耗较多能量，但在本工艺中却因焦炉煤气的显热利用而弥补了水蒸汽改质所需热量。因此，初步测算表明，利用脱碳和炉顶气循环而形成了高炉炼铁及分离回收系统的低碳运转，从而较之现有高炉炼铁可减排30％的CO2；并且还有一大优点，就是较之原来的CO还原，该系统用氢还原铁矿石的速度更快。然而与CO还原的不同之处在于氢还原是吸热反应，扩大使用时须注意高炉上部的热平衡。
(3) 欧洲ULCOS研究课题
ULCOS是由欧洲15国的48家企业和研究机构参与并以EU的RFCS（煤钢研究资金）进行的研究课题，由8个子课题构成，大的支柱是以上述的高炉炉顶煤气循环作为特征的NBF（新高炉），是以NBF为核心的进行熔融还原（ISARNA）和直接还原的工艺，根据还原气体再加热和还原气体喷吹位置的不同而研究了4种形式。根据计算预测该系统可使向炉内输入碳的削减率达28％。而且该系统也考虑了生物能量的利用，综合计算，较之常规高炉炼铁，可将CO2排放减少50％。
2006年采用瑞典的8m3 MEFOS试验高炉，对该课题进行了为期6周的实证试验操作，结果表明可使新高炉的碳输入降低24％。另外，前不久还在德国以Hismelt技术为基础，进行了熔融还原装置试验，其特点是对煤预热，将产生的气体二次燃烧转化富集成高浓度的CO2后再将之分离，然后将反应热转换成电能。
关于氢的利用也是该课题的研究对象之一，但其主要目的是利用天然气的改质，将氢用作铁矿石的直接还原。
2 对CCS的期待
在考虑大幅减排CO2方面，引进CCS（即CO2的捕集和封存）技术是不可缺少的，且对此进行技术可靠性和经济性的评价也很重要。
CO2的分离技术可分为吸收（含物理吸收与化学吸收）及吸附、膜分离、深冷分离。ULCOS研究课题一直在检讨吸附法的使用，但利用胺液的化学化工厂也有应用实绩，技术完成度高。深冷分离是低温操作，在CO2浓度高的条件下，可确保邻近LNG等冷热源时，也有使用的可能性。
将胺液吸收用于钢铁生产工艺的大课题虽也受到炼铁厂气体中所含微量成分的影响，但主要还是CO2放散时的反应热和伴随水蒸汽放散的能耗的影响。根据RITE（地球环境产业技术研究机构）的报告称，试算分离CO2的能耗为4GJ/tCO2，但最近的研究中因吸收液的改善而将此能耗降至2.8GJ/tCO2～2.9GJ/tCO2。
炼铁厂的排气量不仅大，且CO2排放源分散，故对相应处理量的吸收装置的设计与配套，吸收材料再生时必要的能源供给，以及CO2的输送、封存等技术和设备都应给予重点关注。较之欧美，日本的CO2输送、封存还处于调查阶段。在吹氧高炉形式中，由于气体的单耗小，高炉顶部气体中的CO2浓度比一般高炉的要高，故即使常压吸收而分离CO2也是容易的。在炼铁工艺中正式引进CCS技术时，必须进行可减轻CO2分离负荷的炼铁工艺设计和向与CCS采用一致的工艺转换。
3 结语
针对今后的CO2削减，当前进行的低碳和脱碳多角系统设计组合与改善炼铁原料的功能是重要的。应采用以吹氧高炉为基础，以减少CO2排放为目标的几个主要工艺，如引进和组合大规模的CO2分离工艺以充分发挥其优越性等。
在设备使用寿命长的钢铁生产工艺中，既需考虑到2050年的长远环保目标，还应考虑到与现在的衔接性及相关技术的开发。这些也是世界钢铁业共同探讨的课题，新工艺不仅需在日本具有实效性，而且必须达到世界标准。
(来源：炼钢)
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|---|---|---|---|---|---|---|
| 螺纹钢 | 12*9 | HRB400E | 山东新石特工程材料有限公司 | 石横(厂提) | 3380 | 详情 |
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