低碳和脱碳炼铁工艺研究进展

目前，高炉采取热风热送，热风中的氮起热传递的作用，但对还原不起作用。氧气高炉炼铁工艺是从风口吹入冷氧气，随着还原气体浓度的升高，能够提高高炉的还原功能。由于气体单耗的下降和还原速度的提高，因此如果产量一定，高炉内容积就可比目前高炉减小1/3，还有助于缓解原料强度等条件的制约。

国外进行了一些氧气高炉炼铁的试验，但都停留在理论研究。日本已采用试验高炉进行了高炉吹氧炼铁实验和在实际高炉进行氧气燃烧器的燃烧实验。大量的制氧会增加电耗，这也是一个需要研究的课题。但是，由于炉顶气体中的氮是游离氮，有助于高炉内气体的循环，且由于气体量少、CO2分压高，因此CO2的分离比目前的高炉容易。将来在可进行工业规模CO2分离的情况下，可以大幅度减少CO2的排放。如果能开发出能源效率比目前的深冷分离更好的制氧方法，将会得到更高的好评。

对氧气高炉炼铁工艺、以氧气高炉为基础再加上CO2分离及炉顶气体循环的炼铁工艺进行了比较。两种工艺都喷吹大量的粉煤作为辅助还原剂。由于高炉上部没有起热传递作用的氮，热量不足，因此要喷吹循环气体。以氧气高炉为基础再加上CO2分离及炉顶气体循环的炼铁工艺，在去除高炉炉顶气体中的CO2后，再将其从炉身上部或风口吹入，可提高还原能力。对未利用的还原气体进行再利用，可大幅度削减输入碳的量，可大幅度减少CO2排放。高炉内的还原变化，可分为CO气体还原、氢还原和固体碳的直接还原，在普通高炉中它们的还原率分别为60%、10%和30%。如果对炉顶气体进行CO2分离，并循环利用CO气体，就能提高气体的还原功能，使直接还原比率降至10%左右，从而降低还原剂比。

为降低焦比，在外部制造还原气体再吹入高炉内的想法很早就有，日本从20世纪70年代就进行技术开发，主要有FTG法和NKG法。前者是通过重油的部分氧化制造还原气体再从高炉炉身上部吹入；后者是用高炉炉顶煤气中的CO2对焦炉煤气中的甲烷进行改质后作为高温还原气体吹入高炉。这些工艺技术的原本目的就是要大幅度降低焦比，它们与炉顶煤气循环在技术方面有许多共同点和参考之处。已对高炉内煤气的渗透进行了广泛的研究，如模型计算和炉身煤气喷吹等。

在以氧气高炉外加CO2分离并进行炉顶煤气循环工艺为基础的整个炼铁厂的CO2产生量中，根据模型计算可知利用炉顶煤气循环可将高炉还原剂比降到434kg/t。由于不需要热风炉，因此可减少该工序产生的CO2。但另一方面，由于制氧消耗的电力会使电厂增加CO2的产生量。总的来说，可以减少CO2排放9%。如果在制氧过程中能使用外部产生的清洁能源，削减CO2的效果会进一步增大。

这些技术的发展趋势因循环煤气量的分配和供给下道工序能源设定的不同而不同，其中还包括了其它的条件。

采用模拟模型求出的CO2削减率的变化。

上部基准线为输入碳的削减率。如果能排除因CO2分离而固定的CO2，作为出口侧基准线的CO2就能减少大约50%。也就是说，如果能从单纯的CO2分离向CO2的输送、存贮和固定进行展开，就能大幅度削减CO2。但是，为同时减少供给下道工序的能源，因此同时对下道工序进行节能是很重要的。在一般炼铁厂的下道工序中需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在考虑补充能源的情况下，最好使用与碳无关的能源。如果能忽略供给下道工序的能源，最大限度地使用生产中所产生的气体，如炉顶煤气的循环利用等，就可以减少大约25%的输入碳。这相当于欧洲ULCOS的新型高炉（NBF）的目标。

2 炉顶煤气循环利用和氢气利用的评价

为减少CO2排放，日本政府正在积极推进COURSE50项目。所谓COURSE50项目就是通过采用创新技术减少CO2排放，并分离、回收CO2，50指目标年是2050年。

炉顶煤气循环利用和氢气利用的工艺是由对焦炉煤气中的甲烷进行水蒸汽改质、使氢增加并利用这种氢进行还原的方法和从高炉炉顶煤气中分离CO2再将炉顶煤气循环利用于高炉的工艺构成。在利用氢时由于制氢需要消耗很多的能源，因此总的工艺评价产生了问题，但该工艺能通过利用焦炉煤气的显热来补充水蒸汽改质所需的热能。计算结果表明，由于CO2的分离、固定和氢的利用，高炉炼铁可减少CO2排放30%。氢还原的优点是还原速度快。但由于氢还原是吸热反应，与CO还原不同，因此必须注意氢还原扩大时高炉上部的热平衡。根据理查德图对从风口喷吹氢时的热平衡进行了计算。结果可知，当从风口喷吹的氢还原率比普通操作倍增时，由于氢还原的吸热反应和风口回旋区温度保障需要而要求富氧鼓风的影响，高炉上部气体的供给热能和固体侧所需的热能没有多余，接近热能移动的操作极限，因此难以大量利用氢。如果高炉具备还原气体的制造功能，并能使用天然气或焦炉煤气等氢系气体，那么利用气体中的C成分就能达到热平衡，还能分享到氢还原的好处。在各种气体中，天然气是最好的气体。在一面从外部补充热能，一面制氢的工艺研究中还包含了优化喷吹量和优化喷吹位置等课题。

高炉内的还原可分为CO气体间接还原、氢还原和直接还原，根据其还原的分配比可以明确还原平衡控制、炉顶煤气循环或氢还原强化的方向。根据模型计算可知，在普通高炉基本条件下，CO间接还原为62%、氢还原为11%、直接还原为27%。

在氧气高炉的基础上对炉顶煤气进行CO2分离，由此可提高返回高炉内的CO气体的还原能力，此时虽然CO气体的还原能力会因循环气体量分配的不同而不同，但CO还原会提高到大约80%，直接还原会下降到10%以下。根据喷吹的氢系气体如COG、天然气和氢的计算结果可知，在氢还原加强的情况下，会出现氢还原增加、直接还原下降的情况。另一方面，循环气体的上下运动会使输入碳减少，实现低碳炼铁的目标。另外，当还原气体都是从炉身部吹入时，其在炉内的浸透和扩散会影响到还原效果。根据模型计算可知，气体的渗透受动量平衡的控制。采用CH4对CO2进行改质，并以炉顶煤气中的CO2作为改质源，还原气体的性状不会偏向氢。

从CO2总产生量最小的观点来看，在炉顶煤气循环和氧气高炉的基础上，还要考虑喷吹还原气体时的工艺优化。在2050年实现COURSE50项目后，为追求新的炼铁工艺，还必须对热风高炉的基础概念做进一步的研究。

3 欧洲ULCOS

ULCOS是一个由欧洲15国48家企业和研究机构共同参与的研究课题，始于2004年，它以欧盟旗下的煤与钢研究基金（RFCS基金）推进研究。

该研究课题由9个子课题构成，技术研究范围很广，甚至包括了电解法炼铁工艺研究。重点是高炉炉顶煤气循环为特征的新型高炉（NBF）、熔融还原（HIsarna）和直接还原工艺的研究。当前，在推进这些研究的同时，要全力做好未来削减CO2排放50%目标的最佳工艺的研究。目前，研究的核心课题是NBF。根据还原气体的再加热、还原气体的喷吹位置，对4种模型进行了研究。

作为NBF工艺的验证，采用了瑞典的MEFOS试验高炉（炉内容积8m3），从2007年9月开始进行6周NBF实际操作试验。在两种模型条件下，用VPSA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试验，结果表明可削减输入碳24%。今后，加上可再生物的利用，能够实现削减CO2排放50%左右的目标。为验证实际高炉中喷吹还原气体的效果，下一步准备采用小型商业高炉进行炉顶煤气循环试验，但由于研究资金的问题，研究进度有些迟缓。

另外，荷兰CORUS将开始进行HIsarna熔融还原工艺的中间试验。该技术是将澳大利亚的HIsmelt技术与20世纪90年代CORUS开发的CCF（气体循环式转炉）结合的工艺。该工艺的特征是，先将煤进行预处理，炭化后作为熔融还原炉的碳材，通过二次燃烧使熔融还原炉产生的气体变成高浓度CO2，然后对CO2进行分离，并将产生的热能变换成电能。氢的利用也是ULCOS研究的课题之一，主要目的是利用天然气的改质，将氢用于矿石的直接还原。这不仅仅是针对高炉的研究课题，同时还涉及实施国的各种不同的实际工艺研究。

4 与资源国的合作和分散型炼铁厂的构想

钢铁生产国从资源国进口了大量的煤和铁矿石，从物流方面来看，钢铁生产是从资源国的开采就开始了。从削减CO2的观点来看，并没有从开采、输送和钢铁生产的全过程来研究最佳的CO2减排办法。就铁矿石而言，它是产生CO2的物质根源，钢铁生产国在进口铁矿石的同时也进口了铁矿石中的氧和铁，因此钢铁生产国几乎统包了CO2产生的全过程。虽然对煤进行了预处理，但从经济性方面来看，为实现削减CO2的低碳高炉操作，应加强与之相符的原料性状的管理，如原料的品位等。同时应在大量处理原料的资源国加强对原料性状的改善，研究减少CO2排放的方法。铁矿石中的氧、脉石、水分和煤中的灰分与高炉还原剂比有直接的关系，在钢铁生产中因脉石和灰分而产生的高炉渣会增加CO2的产生量。因此，如果资源国能进一步提高铁矿石和煤的品位，就能改善焦炭和烧结矿的性状、降低焦比，从而有助于高炉实现低还原剂比操作。根据计算可知，煤灰分减少2%，可降低还原剂比10kg/t铁水。另外，从削减CO2排放的观点来看，还应该考虑从资源开采到钢铁产品生产全过程的各种CO2减排方法。

日本田中等人提出了以海外资源国生产还原铁为轴线的分散型炼铁厂的构想。目前，人们重视大型高炉的生产率，追求集中式的生产工艺，但对于资源问题和削减CO2的问题缺乏应对能力。从这些观点来看，应把作为粗原料的铁的生产分散到资源国，通过合作来解决目前削减CO2的课题。扩大废钢的使用，可以大幅度减少CO2的排放，但日本废钢的进口量有限，因此日本提出了实现清洁生产应将生产地域分散，确保铁源的构想。

还原铁的生产方法有许多种，下面只介绍可使用普通煤的转底炉生产法的ITmk3和FASTMET。它们不受原料煤的制约，采用简单的方法就能生产还原铁。还原铁可大幅度提高铁含量，它可以加入高炉。虽然在使用煤基的高炉上削减CO2的效果不明显，但在使用天然气生产还原铁时可以大幅度减少CO2的产生。还原铁和废钢的混合使用可以削减CO2。目前一座回转炉年生产还原铁的最大量为100万t左右，如果能与盛产天然气的国家合作，也有助于日本削减CO2的产生。欧洲的ULCOS工艺在利用还原铁方面也引人关注。

5 结束语

对于今后削减CO2的要求，应通过改善工艺功能实现低碳和脱碳炼铁。在这种情况下，将低碳和脱碳组合的多角度系统设计以及改善炼铁原料功能很重要。作为高炉的未来发展，可以考虑几种以氧气高炉为基础的低CO2排放工艺，通过与喷吹还原气体用的CO2分离工艺的组合，就能显示出其优越性。如果能以CO2的分离、存贮为前提，选择的范围会扩大，但在实现CCS方面还存在一些不确定的因素。尤其是，日本对CCS的实际应用问题还需进行详细的研究。以CCS为前提的工艺设计还存在着危险性，需要将其作为未来的目标进行研究开发，但必须冷静判断。钢铁生产设备的使用年限长，2050年并不是遥远的未来，应考虑与现有高炉的衔接性，明确今后的技术开发目标。

今后的问题是研究各种新工艺的验证方法。商用高炉为5000m3，要在大型高炉应用目前还是个问题。欧洲的ULCOS只在8m3的试验高炉上进行基础研究，还处在工艺原理的认识阶段，商用高炉的试验还停留在计划阶段。日本没有做验证的设备。

(来源:宝钢集团八钢公司炼铁分公司焦化分厂新区)