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1.采用高爐新工藝減少CO2排放

目前，高爐采取熱風(fēng)熱送，熱風(fēng)中的氮起熱傳遞的作用，但對還原不起作用。氧氣高爐煉鐵工藝是從風(fēng)口吹入冷氧氣，隨著還原氣體濃度的升高，能夠提高高爐的還原功能。由于氣體單耗的下降和還原速度的提高，因此如果產(chǎn)量一定，高爐內(nèi)容積就可比目前高爐減小1/3，還有助于緩解原料強(qiáng)度等條件的制約。

國外進(jìn)行了一些氧氣高爐煉鐵的試驗(yàn)，但都停留在理論研究。日本已采用試驗(yàn)高爐進(jìn)行了高爐吹氧煉鐵實(shí)驗(yàn)和在實(shí)際高爐進(jìn)行氧氣燃燒器的燃燒實(shí)驗(yàn)。大量的制氧會增加電耗，這也是一個需要研究的課題。但是，由于爐頂氣體中的氮是游離氮，有助于高爐內(nèi)氣體的循環(huán)，且由于氣體量少、CO2分壓高，因此CO2的分離比目前的高爐容易。將來在可進(jìn)行工業(yè)規(guī)模CO2分離的情況下，可以大幅度減少CO2的排放。如果能開發(fā)出能源效率比目前的深冷分離更好的制氧方法，將會得到更高的好評。

對氧氣高爐煉鐵工藝、以氧氣高爐為基礎(chǔ)再加上CO2分離及爐頂氣體循環(huán)的煉鐵工藝進(jìn)行了比較。兩種工藝都噴吹大量的粉煤作為輔助還原劑。由于高爐上部沒有起熱傳遞作用的氮，熱量不足，因此要噴吹循環(huán)氣體。以氧氣高爐為基礎(chǔ)再加上CO2分離及爐頂氣體循環(huán)的煉鐵工藝，在去除高爐爐頂氣體中的CO2后，再將其從爐身上部或風(fēng)口吹入，可提高還原能力。對未利用的還原氣體進(jìn)行再利用，可大幅度削減輸入碳的量，可大幅度減少CO2排放。高爐內(nèi)的還原變化，可分為CO氣體還原、氫還原和固體碳的直接還原，在普通高爐中它們的還原率分別為60%、10%和30%。如果對爐頂氣體進(jìn)行CO2分離，并循環(huán)利用CO氣體，就能提高氣體的還原功能，使直接還原比率降至10%左右，從而降低還原劑比。

為降低焦比，在外部制造還原氣體再吹入高爐內(nèi)的想法很早就有，日本從20世紀(jì)70年代就進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，主要有FTG法和NKG法。前者是通過重油的部分氧化制造還原氣體再從高爐爐身上部吹入；后者是用高爐爐頂煤氣中的CO2對焦?fàn)t煤氣中的甲烷進(jìn)行改質(zhì)后作為高溫還原氣體吹入高爐。這些工藝技術(shù)的原本目的就是要大幅度降低焦比，它們與爐頂煤氣循環(huán)在技術(shù)方面有許多共同點(diǎn)和參考之處。已對高爐內(nèi)煤氣的滲透進(jìn)行了廣泛的研究，如模型計算和爐身煤氣噴吹等。

在以氧氣高爐外加CO2分離并進(jìn)行爐頂煤氣循環(huán)工藝為基礎(chǔ)的整個煉鐵廠的CO2產(chǎn)生量中，根據(jù)模型計算可知利用爐頂煤氣循環(huán)可將高爐還原劑比降到434kg/t。由于不需要熱風(fēng)爐，因此可減少該工序產(chǎn)生的CO2。但另一方面，由于制氧消耗的電力會使電廠增加CO2的產(chǎn)生量?？偟膩碚f，可以減少CO2排放9%。如果在制氧過程中能使用外部產(chǎn)生的清潔能源，削減CO2的效果會進(jìn)一步增大。

這些技術(shù)的發(fā)展趨勢因循環(huán)煤氣量的分配和供給下道工序能源設(shè)定的不同而不同，其中還包括了其它的條件。

采用模擬模型求出的CO2削減率的變化。

上部基準(zhǔn)線為輸入碳的削減率。如果能排除因CO2分離而固定的CO2，作為出口側(cè)基準(zhǔn)線的CO2就能減少大約50%。也就是說，如果能從單純的CO2分離向CO2的輸送、存貯和固定進(jìn)行展開，就能大幅度削減CO2。但是，為同時減少供給下道工序的能源，因此同時對下道工序進(jìn)行節(jié)能是很重要的。在一般煉鐵廠的下道工序中需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在考慮補(bǔ)充能源的情況下，***好使用與碳無關(guān)的能源。如果能忽略供給下道工序的能源，***大限度地使用生產(chǎn)中所產(chǎn)生的氣體，如爐頂煤氣的循環(huán)利用等，就可以減少大約25%的輸入碳。這相當(dāng)于歐洲ULCOS的新型高爐（NBF）的目標(biāo)。

2.爐頂煤氣循環(huán)利用和氫氣利用的評價

為減少CO2排放，日本政府正在積極推進(jìn)COURSE50項(xiàng)目。所謂COURSE50項(xiàng)目就是通過采用創(chuàng)新技術(shù)減少CO2排放，并分離、回收CO2，50指目標(biāo)年是2050年。

爐頂煤氣循環(huán)利用和氫氣利用的工藝是由對焦?fàn)t煤氣中的甲烷進(jìn)行水蒸汽改質(zhì)、使氫增加并利用這種氫進(jìn)行還原的方法和從高爐爐頂煤氣中分離CO2再將爐頂煤氣循環(huán)利用于高爐的工藝構(gòu)成。在利用氫時由于制氫需要消耗很多的能源，因此總的工藝評價產(chǎn)生了問題，但該工藝能通過利用焦?fàn)t煤氣的顯熱來補(bǔ)充水蒸汽改質(zhì)所需的熱能。計算結(jié)果表明，由于CO2的分離、固定和氫的利用，高爐煉鐵可減少CO2排放30%。氫還原的優(yōu)點(diǎn)是還原速度快。但由于氫還原是吸熱反應(yīng)，與CO還原不同，因此必須注意氫還原擴(kuò)大時高爐上部的熱平衡。根據(jù)理查德圖對從風(fēng)口噴吹氫時的熱平衡進(jìn)行了計算。結(jié)果可知，當(dāng)從風(fēng)口噴吹的氫還原率比普通操作倍增時，由于氫還原的吸熱反應(yīng)和風(fēng)口回旋區(qū)溫度保障需要而要求富氧鼓風(fēng)的影響，高爐上部氣體的供給熱能和固體側(cè)所需的熱能沒有多余，接近熱能移動的操作極限，因此難以大量利用氫。如果高爐具備還原氣體的制造功能，并能使用天然氣或焦?fàn)t煤氣等氫系氣體，那么利用氣體中的C成分就能達(dá)到熱平衡，還能分享到氫還原的好處。在各種氣體中，天然氣是***好的氣體。在一面從外部補(bǔ)充熱能，一面制氫的工藝研究中還包含了優(yōu)化噴吹量和優(yōu)化噴吹位置等課題。

高爐內(nèi)的還原可分為CO氣體間接還原、氫還原和直接還原，根據(jù)其還原的分配比可以明確還原平衡控制、爐頂煤氣循環(huán)或氫還原強(qiáng)化的方向。根據(jù)模型計算可知，在普通高爐基本條件下，CO間接還原為62%、氫還原為11%、直接還原為27%。

在氧氣高爐的基礎(chǔ)上對爐頂煤氣進(jìn)行CO2分離，由此可提高返回高爐內(nèi)的CO氣體的還原能力，此時雖然CO氣體的還原能力會因循環(huán)氣體量分配的不同而不同，但CO還原會提高到大約80%，直接還原會下降到10%以下。根據(jù)噴吹的氫系氣體如COG、天然氣和氫的計算結(jié)果可知，在氫還原加強(qiáng)的情況下，會出現(xiàn)氫還原增加、直接還原下降的情況。另一方面，循環(huán)氣體的上下運(yùn)動會使輸入碳減少，實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵的目標(biāo)。另外，當(dāng)還原氣體都是從爐身部吹入時，其在爐內(nèi)的浸透和擴(kuò)散會影響到還原效果。根據(jù)模型計算可知，氣體的滲透受動量平衡的控制。采用CH4對CO2進(jìn)行改質(zhì)，并以爐頂煤氣中的CO2作為改質(zhì)源，還原氣體的性狀不會偏向氫。

從CO2總產(chǎn)生量***小的觀點(diǎn)來看，在爐頂煤氣循環(huán)和氧氣高爐的基礎(chǔ)上，還要考慮噴吹還原氣體時的工藝優(yōu)化。在2050年實(shí)現(xiàn)COURSE50項(xiàng)目后，為追求新的煉鐵工藝，還必須對熱風(fēng)高爐的基礎(chǔ)概念做進(jìn)一步的研究。

3.歐洲ULCOS

ULCOS是一個由歐洲15國48家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)共同參與的研究課題，始于2004年，它以歐盟旗下的煤與鋼研究基金（RFCS基金）推進(jìn)研究。

該研究課題由9個子課題構(gòu)成，技術(shù)研究范圍很廣，甚至包括了電解法煉鐵工藝研究。重點(diǎn)是高爐爐頂煤氣循環(huán)為特征的新型高爐（NBF）、熔融還原（HIsarna）和直接還原工藝的研究。當(dāng)前，在推進(jìn)這些研究的同時，要全力做好未來削減CO2排放50%目標(biāo)的***佳工藝的研究。目前，研究的核心課題是NBF。根據(jù)還原氣體的再加熱、還原氣體的噴吹位置，對4種模型進(jìn)行了研究。

作為NBF工藝的驗(yàn)證，采用了瑞典的MEFOS試驗(yàn)高爐（爐內(nèi)容積8m3），從2007年9月開始進(jìn)行6周NBF實(shí)際操作試驗(yàn)。在兩種模型條件下，用VPSA對爐頂煤氣中的CO2進(jìn)行吸附分離，然后從高爐風(fēng)口和爐身下部進(jìn)行噴吹試驗(yàn)，結(jié)果表明可削減輸入碳24%。今后，加上可再生物的利用，能夠?qū)崿F(xiàn)削減CO2排放50%左右的目標(biāo)。為驗(yàn)證實(shí)際高爐中噴吹還原氣體的效果，下一步準(zhǔn)備采用小型商業(yè)高爐進(jìn)行爐頂煤氣循環(huán)試驗(yàn)，但由于研究資金的問題，研究進(jìn)度有些遲緩。

另外，荷蘭CORUS將開始進(jìn)行HIsarna熔融還原工藝的中間試驗(yàn)。該技術(shù)是將澳大利亞的HIsmelt技術(shù)與20世紀(jì)90年代CORUS開發(fā)的CCF（氣體循環(huán)式轉(zhuǎn)爐）結(jié)合的工藝。該工藝的特征是，先將煤進(jìn)行預(yù)處理，炭化后作為熔融還原爐的碳材，通過二次燃燒使熔融還原爐產(chǎn)生的氣體變成高濃度CO2，然后對CO2進(jìn)行分離，并將產(chǎn)生的熱能變換成電能。氫的利用也是ULCOS研究的課題之一，主要目的是利用天然氣的改質(zhì)，將氫用于礦石的直接還原。這不僅僅是針對高爐的研究課題，同時還涉及實(shí)施國的各種不同的實(shí)際工藝研究。

4.與資源國的合作和分散型煉鐵廠的構(gòu)想

鋼鐵生產(chǎn)國從資源國進(jìn)口了大量的煤和鐵礦石，從物流方面來看，鋼鐵生產(chǎn)是從資源國的開采就開始了。從削減CO2的觀點(diǎn)來看，并沒有從開采、輸送和鋼鐵生產(chǎn)的全過程來研究***佳的CO2減排辦法。就鐵礦石而言，它是產(chǎn)生CO2的物質(zhì)根源，鋼鐵生產(chǎn)國在進(jìn)口鐵礦石的同時也進(jìn)口了鐵礦石中的氧和鐵，因此鋼鐵生產(chǎn)國幾乎統(tǒng)包了CO2產(chǎn)生的全過程。雖然對煤進(jìn)行了預(yù)處理，但從經(jīng)濟(jì)性方面來看，為實(shí)現(xiàn)削減CO2的低碳高爐操作，應(yīng)加強(qiáng)與之相符的原料性狀的管理，如原料的品位等。同時應(yīng)在大量處理原料的資源國加強(qiáng)對原料性狀的改善，研究減少CO2排放的方法。鐵礦石中的氧、脈石、水分和煤中的灰分與高爐還原劑比有直接的關(guān)系，在鋼鐵生產(chǎn)中因脈石和灰分而產(chǎn)生的高爐渣會增加CO2的產(chǎn)生量。因此，如果資源國能進(jìn)一步提高鐵礦石和煤的品位，就能改善焦炭和燒結(jié)礦的性狀、降低焦比，從而有助于高爐實(shí)現(xiàn)低還原劑比操作。根據(jù)計算可知，煤灰分減少2%，可降低還原劑比10kg/t鐵水。另外，從削減CO2排放的觀點(diǎn)來看，還應(yīng)該考慮從資源開采到鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的各種CO2減排方法。

日本田中等人提出了以海外資源國生產(chǎn)還原鐵為軸線的分散型煉鐵廠的構(gòu)想。目前，人們重視大型高爐的生產(chǎn)率，追求集中式的生產(chǎn)工藝，但對于資源問題和削減CO2的問題缺乏應(yīng)對能力。從這些觀點(diǎn)來看，應(yīng)把作為粗原料的鐵的生產(chǎn)分散到資源國，通過合作來解決目前削減CO2的課題。擴(kuò)大廢鋼的使用，可以大幅度減少CO2的排放，但日本廢鋼的進(jìn)口量有限，因此日本提出了實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)應(yīng)將生產(chǎn)地域分散，確保鐵源的構(gòu)想。

還原鐵的生產(chǎn)方法有許多種，下面只介紹可使用普通煤的轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)法的ITmk3和FASTMET。它們不受原料煤的制約，采用簡單的方法就能生產(chǎn)還原鐵。還原鐵可大幅度提高鐵含量，它可以加入高爐。雖然在使用煤基的高爐上削減CO2的效果不明顯，但在使用天然氣生產(chǎn)還原鐵時可以大幅度減少CO2的產(chǎn)生。還原鐵和廢鋼的混合使用可以削減CO2。目前一座回轉(zhuǎn)爐年生產(chǎn)還原鐵的***大量為100萬t左右，如果能與盛產(chǎn)天然氣的國家合作，也有助于日本削減CO2的產(chǎn)生。歐洲的ULCOS工藝在利用還原鐵方面也引人關(guān)注。

5.結(jié)束語

對于今后削減CO2的要求，應(yīng)通過改善工藝功能實(shí)現(xiàn)低碳和脫碳煉鐵。在這種情況下，將低碳和脫碳組合的多角度系統(tǒng)設(shè)計以及改善煉鐵原料功能很重要。作為高爐的未來發(fā)展，可以考慮幾種以氧氣高爐為基礎(chǔ)的低CO2排放工藝，通過與噴吹還原氣體用的CO2分離工藝的組合，就能顯示出其優(yōu)越性。如果能以CO2的分離、存貯為前提，選擇的范圍會擴(kuò)大，但在實(shí)現(xiàn)CCS方面還存在一些不確定的因素。尤其是，日本對CCS的實(shí)際應(yīng)用問題還需進(jìn)行詳細(xì)的研究。以CCS為前提的工藝設(shè)計還存在著危險性，需要將其作為未來的目標(biāo)進(jìn)行研究開發(fā)，但必須冷靜判斷。鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備的使用年限長，2050年并不是遙遠(yuǎn)的未來，應(yīng)考慮與現(xiàn)有高爐的銜接性，明確今后的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)。

今后的問題是研究各種新工藝的驗(yàn)證方法。商用高爐為5000m3，要在大型高爐應(yīng)用目前還是個問題。歐洲的ULCOS只在8m3的試驗(yàn)高爐上進(jìn)行基礎(chǔ)研究，還處在工藝原理的認(rèn)識階段，商用高爐的試驗(yàn)還停留在計劃階段。日本沒有做驗(yàn)證的設(shè)備。