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1.采用高爐新工藝減少CO2排放

目前，高爐采取熱風熱送，熱風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度等條件的制約。

國外進行了一些氧氣高爐煉鐵的試驗，但都停留在理論研究。日本已采用試驗高爐進行了高爐吹氧煉鐵實驗和在實際高爐進行氧氣燃燒器的燃燒實驗。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口吹入，可提高還原能力。對未利用的還原氣體進行再利用，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70年代就進行技術(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對焦爐煤氣中的甲烷進行改質(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)方面有許多共同點和參考之處。已對高爐內(nèi)煤氣的滲透進行了廣泛的研究，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。總的來說，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。這相當于歐洲ULCOS的新型高爐（NBF）的目標。

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COURSE50項目。所謂COURSE50項目就是通過采用創(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爐煤氣中的甲烷進行水蒸汽改質(zhì)、使氫增加并利用這種氫進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爐煤氣的顯熱來補充水蒸汽改質(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大時高爐上部的熱平衡。根據(jù)理查德圖對從風口噴吹氫時的熱平衡進行了計算。結(jié)果可知，當從風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)和風口回旋區(qū)溫度保障需要而要求富氧鼓風的影響，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爐煤氣等氫系氣體，那么利用氣體中的C成分就能達到熱平衡，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)氣體的上下運動會使輸入碳減少，實現(xiàn)低碳煉鐵的目標。另外，當還原氣體都是從爐身部吹入時，其在爐內(nèi)的浸透和擴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年實現(xiàn)COURSE50項目后，為追求新的煉鐵工藝，還必須對熱風高爐的基礎(chǔ)概念做進一步的研究。

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。當前，在推進這些研究的同時，要全力做好未來削減CO2排放50%目標的***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種模型進行了研究。

作為NBF工藝的驗證，采用了瑞典的MEFOS試驗高爐（爐內(nèi)容積8m3），從2007年9月開始進行6周NBF實際操作試驗。在兩種模型條件下，用VPSA對爐頂煤氣中的CO2進行吸附分離，然后從高爐風口和爐身下部進行噴吹試驗，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。為驗證實際高爐中噴吹還原氣體的效果，下一步準備采用小型商業(yè)高爐進行爐頂煤氣循環(huán)試驗，但由于研究資金的問題，研究進度有些遲緩。

另外，荷蘭CORUS將開始進行HIsarna熔融還原工藝的中間試驗。該技術(shù)是將澳大利亞的HIsmelt技術(shù)與20世紀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，同時還涉及實施國的各種不同的實際工藝研究。

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)國在進口鐵礦石的同時也進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。雖然對煤進行了預(yù)處理，但從經(jīng)濟性方面來看，為實現(xiàn)削減CO2的低碳高爐操作，應(yīng)加強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。擴大廢鋼的使用，可以大幅度減少CO2的排放，但日本廢鋼的進口量有限，因此日本提出了實現(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，選擇的范圍會擴大，但在實現(xiàn)CCS方面還存在一些不確定的因素。尤其是，日本對CCS的實際應(yīng)用問題還需進行詳細的研究。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進行研究開發(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。

今后的問題是研究各種新工藝的驗證方法。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的試驗高爐上進行基礎(chǔ)研究，還處在工藝原理的認識階段，商用高爐的試驗還停留在計劃階段。日本沒有做驗證的設(shè)備。