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                  MPI专家观点│高炉炉顶煤气循环技术:助推钢企铁前降本和低碳减排

                    国家提出2030年碳排放达峰和2060年碳中和的目标,钢铁行业碳减排压力巨大。而铁前工序占钢铁企业全流程生产成本、能耗、二氧化碳和污染物排放量80%以上,铁前降本和低碳等源头减排意义重大。

                    在不改变现有高炉-转炉长流程或炉料结构情况下,以降低高炉燃料比为核心的铁前降本和低碳减排技术已有超高厚料层、强力混合和强化制粒、降低烧结综合漏风率、烧结烟气循环、余热回收和余热发电、熔剂性球团矿、高球团比冶炼等一系列有效实用技术;而突破性、前瞻性和颠覆性的铁前降本和低碳减排技术也有炉顶煤气循环氧气高炉、复合喷吹、新型炉料、氢冶金等已经初步应用或者正在研究突破之中。下面对高炉炉顶煤气循环技术进行探讨、分析和研究,为铁前降本和碳减排提供技术支撑,助推钢企铁前降本和低碳减排。

                    一、高炉炉顶煤气循环技术理论

                    把冷态高炉煤气直接从炉缸风口喷进高炉,且不富氧情况下,会造成生产率显著下降,导致燃料比明显升高。因为从风口喷吹常温高炉炉顶煤气会导致理论燃烧温度降低,且高炉煤气中的CO2在回旋区反应会吸热,从而使回旋区冷却。

                    把冷态高炉煤气加富氧从炉缸风口喷进高炉的情况,也会造成生产率降低,燃料比升高。一方面由于高炉煤气中的CO2在回旋区反应吸热造成回旋区冷却;另一方面,在保证一定理论燃烧温度的情况下,需要提高富氧率,这样热风中的氮气减少了,造成煤气量减少,使炉身炉料预热不足。因此,目前认为高炉喷吹炉顶煤气可行的方法有以下三种:

                    1. 把炉顶煤气经过脱CO2处理后,部分以冷态炉顶煤气加纯氧从炉缸风口喷进高炉,同时把另一部分经过加热到900℃后喷进炉身风口。这种方式只经过JFE理论研究认为可行,还没有经过试验验证。在JFE的研究中,该法与废塑料喷吹相结合,可减排CO2量达25%。

                    2. 炉缸风口喷吹100%经过脱CO2处理热态高炉煤气和冷态工业氧或高富氧风。这种情况经过日本东北大学理论计算是可行的,并且经过了俄罗斯土拉钢铁工业试验证实。土拉钢铁的工业试验表明,随着氧浓度提高越多,生产率提高越大,焦比降低越多。在氧浓度为87.7%的情况下,喷吹热高炉煤气时,随焦炭带入的碳素减少了28.5%,高炉的CO2产生量大幅度降低。

                    3. 把高炉煤气经过脱CO2处理,分别从炉缸风口和炉身风口喷进高炉。从炉缸风口喷入的高炉煤气要加热到1250℃,从炉身风口喷进的要加热到900℃,且用冷态纯氧喷吹代替通常的鼓风操作。这种方法经过ULCOS试验证明,可使炉况顺行,炉身工作效率稳定,最大可使燃料比减少24%。如果加上脱除高炉煤气中的CO2量,会使CO2减排量达到76%。

                    二、高炉炉顶煤气循环的应用和实践

                    1. 欧洲ULCOS

                    欧洲钢铁业者在国际钢铁协会的协调下,由安赛乐米塔尔公司牵头对“超低CO2排放(ULCOS)国项目进行研发。ULCOS旨在开发突破性的炼钢工艺,达到CO2减排的目标。研究包括了从基础性工艺的评估到可行性研究实验,最终实现商业化运作。从所有可能减排CO2的潜在技术中进行分析,选择出最有前景的技术。以成本和技术可行性为基础进行选择,对其工业化示范性水平进行评估,最后实现大规模工业化应用。

                    试验研究在瑞典律勒欧的LKAB试验高炉(工作容积为8.2m3),设3个炉缸风口,用于喷吹循环煤气、煤粉和氧气;设3个炉身风口,用于喷高炉炉顶循环煤气。把高炉炉顶煤气经过脱CO2处理,再加热到一定温度后喷入高炉。从主风口喷入的炉顶煤气温度为1250℃,从炉身下部的风口喷进高炉的炉顶煤气的温度为900℃。用冷态纯氧喷吹代替通常的鼓风操作。采用VPSA(真空变压吸附)对炉顶煤气中的CO2进行吸附分离,然后从高炉风口和炉身下部进行喷吹实验,结果表明可削减碳排放24%。

                    2. 日本COURSE50

                    2008年3月,日本经济产业省公布的“冷却地球-能源革新技术计划”中提出了“应当重点研究的能源革新技术”项目其中之一COURSE50技术。

                    COURSE50目标是通过开发CO2吸收液和利用废热的再生技术,实现高炉煤气的CO2分离和回收。进而通过与地下、水下CO2贮留技术革新相结合,将向大气排放的CO2减至最小。主要研发的技术包括用氢还原铁矿石的技术开发;焦炉煤气提高氢含量技术开发;CO2分离、回收技术开发;显热回收技术开发等。减排目标如果能够实现即可使CO2减排30%(使CO2排放从1.64tCO2/t粗钢降低到1.15tCO2/t粗钢)。但考虑此时需要以某种形式补充焦炉煤气的能量,因此考虑是否可应用核电等不产生CO2的能源。

                    3. 韩国FINEX

                    POSCO开发的FINEX流化床由3级反应器组成,熔融气化炉中产生的热还原气体通入R1并依次再通过R2、R3后排出,炉顶煤气经除尘净化后约41%通过加压变压吸附脱除CO2,使煤气中的CO2从33%降到3%,然后回到R1作为还原气体再利用,以降低煤的消耗。

                    在FINEX煤气处理系统中,增加了CO2脱除装置,用成熟的变压吸附法脱除煤气中的CO2。脱除CO2以后的煤气作为还原剂用于流态化床反应器,提高了铁矿粉的还原效率,使FINEX燃料消耗下降。FINEX2000工艺开发应用了炉顶煤气循环和氧气风口喷吹技术后,燃料消耗显著下降,煤耗从1070kg/t下降到830kg/t,碳减排22.4%;FINEX3000由4级流化床改为3级流化床后,煤耗降低到750kg/t左右,达到其同等规模高炉的燃料消耗水平。

                    FINEX炉顶煤气经变压吸附脱除CO2后循环使用,燃料比(煤比)下降明显,实现了低碳炼铁,节能减排,降低生产成本。

                    三、高炉炉顶煤气循环技术研发与应用前景

                    在分析业界主流技术方向,结合未来发展需要的基础上,建立具有多功能顶煤气循环氧气高炉工业化试验示范平台,期望形成顶煤气循环高富氧冶炼、氢冶金等独有的未来炼铁核心工艺技术,开展钢铁工业前瞻性、颠覆性、突破性等创新低碳炼铁技术研究,以科技创新打通钢铁行业低碳发展路径。

                    1. 高炉炉顶煤气循环高富氧冶炼实践

                    以脱除 CO2顶煤气循环氧气高炉工艺为核心,建设工业规模试验基地,探索还原剂利用率 100%、大幅降低碳排放的炼铁新工艺,主要内容包括:采用高富氧鼓风(富氧率最高可达到 100%);顶煤气自身循环利用,煤气脱除 CO2和煤气加热后从炉身和风口喷入高炉。

                    2. 高炉炉顶煤气循环高富氧应用前景

                    八钢氧气高炉工艺使用纯氧气代替热鼓风,与传统高炉相比,二氧化碳排放量明显降低,生产效率大幅提升。目前八钢改造后氧气高炉可减少碳排放40%以上,产能提升40%左右。在实现高富氧冶炼的同时,攻克了炉温不均衡的技术难关。计划用3至4个月的时间,采用变压吸附技术脱除CO2打通炉顶煤气循环工艺流程,将向着实现50%的富氧冶炼二期目标进军,最终实现全氧冶炼目标,并将积极策划推进富氢冶炼。届时焦比将大幅度降低,CO2排放将削减50%。

                    四、高炉炉顶煤气循环技术展望

                    1. 根据日本JFE、东北大学理论计算以及俄罗斯土拉钢铁公司顶煤气循环喷吹应用,高炉炉顶煤气循环氧气高炉技术理论和实践都是可行的。采用变压吸附脱除CO2后碳减排效果更明显。

                    2. 欧洲ULCOS采用高炉炉顶煤气循环CO2减排24%,日本COURESE50采用顶煤气循环CO2减排30%(含富氢气体碳减排10%左右)。FINEX炉顶煤气经变压吸附脱除CO2后循环使用,煤耗下降22.4%,实现了碳减排,降低生产成本。

                    3. 高炉顶煤气循环氧气高炉研发和实践表明该技术具有可行性和降焦降本效果,CO2减排潜力巨大。大多数钢铁企业建议将富余高炉煤气采用变压吸附脱除CO2后进行炉顶煤气循环高富氧冶炼,降低入炉焦比20%以上,实现低碳炼铁和节能减排;在不改变工艺流程结构或炉料结构情况下,现有高炉可规划采用炉顶煤气循环进行技术改造和推广应用或作为碳减排可行性储备技术。

                    五、冶金规划院开展铁前降本和低碳减排工作

                    1. 制定系列铁前降本和低碳减排的相关标准

                    铁前工序开展铁前一体化降本、低碳炼铁技术和相关标准化工作,助力钢铁行业低碳发展。行业标准《4000立方米及以上高炉入炉原燃料技术要求》(YB/T4803-2020)已发布;行业标准《烧结烟气循环利用技术规范》、《强逆流混合机》已报批;团体标准T/SSEA0092-2020《含氧化镁球团矿》、T/SSEA0093-2020《熔剂性球团矿》、T/SSEA0094-2020《高炉煤气精脱硫技术要求-水解转化法》、T/SSEA0095-2020《高炉喷吹兰炭技术要求》和T/SSEA0096-2020《高炉铁水包加盖保温技术要求》已发布;行业标准《物料刮板取料机》(2019-1730T-YB)、《高炉铁水罐加盖保温技术规范》(2020-0426T-YB)、《高炉炉顶均压煤气及休风煤气回收利用技术要求》(2020-0438T-YB)和《水封式烧结环冷机》(2020-0667T-YB)等已完成立项和正在进行征求行业标准参编单位。

                    2. 为企业提供铁前降本和低碳炼铁技术服务

                    冶金规划院长期以来根据铁前工序生产特点,重点开展了铁前降本、低碳炼铁等技术应用研究和诊断评估咨询服务,对以铁前工序一体化系统性降本增效和突破性、前瞻性、颠覆性的低碳冶炼技术进行了多年储备、跟踪和研究,并能针对不同企业和不同情况提出可实施和可操作性的铁前降本和低碳冶炼完整解决方案,助力钢铁行业绿色低碳发展,助推钢铁企业提高市场竞争力和绿色低碳高质量发展能力。

                    冶金规划院丨冶炼原料处降本增效咨询业务

                    冶金工业规划研究院冶炼原料处已承担完成政府课题研究、行业和企业规划等各类钢铁行业咨询项目达千余项,涉及冶炼工艺优化建议、冶炼工艺装备方案设计、冶炼产能置换方案建议、工艺流程比选方案、电炉炉型比选方案、冶炼工序典型指标对标、冶炼工序节能环保诊断等,拥有成熟的降本增效研究方案与丰富的诊断优化经验。

                    降本增效咨询业务以大宗原燃料、工序节能、物流优化、冶炼智能化为挖潜方向,开展冶炼工艺技术方案研究与评估、原料场物流优化与工艺节能、烧结球团配矿模型、高炉成本预测模型及标准化操作、炼钢工艺优化与节能、全面对标等全方位多角度的诊断与梳理,旨在为钢铁企业制定科学、合理、可操作的降本增效方案,助推钢铁企业显著提升盈利能力和竞争力。

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