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未來的低碳煉鐵工藝

時間:2015-4-10 13:43:43

 1 未來的低碳煉鐵工藝 

(1)  高爐發展係列工藝減排CO2
  現有高爐所送熱風中的氮承擔熱輸送的角色而不參與爐內還原反應,而氧氣高爐則是從風口送進冷氧氣的工藝。吹氧而不鼓風就會因氣體單耗的減少而可以提高生產率,並因還原氣體濃度的上升而可強化高爐還原功能。若產量一定,可以期待將高爐內部容積減至現在的2/3,且可緩解對原料強度等條件的製約。隻有日本采用試驗爐進行了吹氧高爐的驗證,並在實際高爐上進行了氧氣噴嘴試驗。大量製造氧氣雖會增大電耗,但因高爐內循環氣量的減少而使其中的CO2分壓增高,從而使CO2分離比現行高爐更容易。而且在製氧工藝方麵,能源利用效率比現行深冷分離更優良的製氧方法開發必會受到高度重視。
  將吹氧高爐的基本形式和以此為基礎外加CO2分離的吹氧高爐還吹入粉煤作為輔助還原材;且在爐身上部吹入經預熱的循環氣體,以補充因無氮進行熱輸送而引起的熱量不足。在此基礎上,右邊的吹氧高爐是將爐頂廢氣中的CO2分離後再將之噴入爐內。因對原未利用的還原氣體(含CO、H2)進行了循環再利用,故可期待大幅度減少向高爐的碳輸入,並使大幅度減排CO2變得更容易了。
  高爐內的還原反應分為CO還原、氫還原和固體碳的直接還原。一般高爐的上述還原比率分別為60%、10%和30%;若在爐頂氣體中分離CO2並循環利用原未利用的CO,因強化了氣體還原而促使吸熱反應的直接還原比率降至10%,自然也就降低了作為固體碳來源的還原材比率。
  在外部製造還原氣體並吹入高爐的工藝原先就有,如日本就有將重油部分氧化而製成的還原氣體吹入高爐爐身的FTG法,利用爐頂煤氣中的CO2將焦爐煤氣中的甲烷改質而向高爐吹入高溫還原氣體的NKG法等,這些工藝的目標是大幅降低高爐煉鐵的焦比,但卻與爐頂煤氣的循環利用有不少共同點。
(2)  爐頂煤氣循環和氫利用的強化
  作為日本政府持續推進的COURSE50,是對焦爐煤氣中的甲烷進行水蒸汽改質而增加氫量,以用氫還原鐵礦石的方法,由從高爐頂的排出氣體中分離CO2後,送回高爐再循環的工藝構成。所利用的氫在製造時需消耗較多能量,但在本工藝中卻因焦爐煤氣的顯熱利用而彌補了水蒸汽改質所需熱量。因此,初步測算表明,利用脫碳和爐頂氣循環而形成了高爐煉鐵及分離回收係統的低碳運轉,從而較之現有高爐煉鐵可減排30%的CO2;並且還有一大優點,就是較之原來的CO還原,該係統用氫還原鐵礦石的速度更快。然而與CO還原的不同之處在於氫還原是吸熱反應,擴大使用時須注意高爐上部的熱平衡。
(3)  歐洲ULCOS研究課題
  ULCOS是由歐洲15國的48家企業和研究機構參與並以EU的RFCS(煤鋼研究資金)進行的研究課題,由8個子課題構成,大的支柱是以上述的高爐爐頂煤氣循環作為特征的NBF(新高爐),是以NBF為核心的進行熔融還原(ISARNA)和直接還原的工藝,根據還原氣體再加熱和還原氣體噴吹位置的不同而研究了4種形式。根據計算預測該係統可使向爐內輸入碳的削減率達28%。而且該係統也考慮了生物能量的利用,綜合計算,較之常規高爐煉磷鐵球,可將CO2排放減少50%。
  2006年采用瑞典的8m3 MEFOS試驗高爐,對該課題進行了為期6周的實證試驗操作,結果表明可使新高爐的碳輸入降低24%。另外,前不久還在德國以Hismelt技術為基礎,進行了熔融還原裝置試驗,其特點是對煤預熱,將產生的氣體二次燃燒轉化富集成高濃度的CO2後再將之分離,然後將反應熱轉換成電能。
關於氫的利用也是該課題的研究對象之一,但其主要目的是利用天然氣的改質,將氫用作鐵礦石的直接還原。