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      通知公告

      MPI專家觀點│高爐爐頂煤氣循環技術:助推鋼企鐵前降本和低碳減排

        國家提出2030年碳排放達峰和2060年碳中和的目標,鋼鐵行業碳減排壓力巨大。而鐵前工序占鋼鐵企業全流程生產成本、能耗、二氧化碳和污染物排放量80%以上,鐵前降本和低碳等源頭減排意義重大。

        在不改變現有高爐-轉爐長流程或爐料結構情況下,以降低高爐燃料比為核心的鐵前降本和低碳減排技術已有超高厚料層、強力混合和強化制粒、降低燒結綜合漏風率、燒結煙氣循環、余熱回收和余熱發電、熔劑性球團礦、高球團比冶煉等一系列有效實用技術;而突破性、前瞻性和顛覆性的鐵前降本和低碳減排技術也有爐頂煤氣循環氧氣高爐、復合噴吹、新型爐料、氫冶金等已經初步應用或者正在研究突破之中。下面對高爐爐頂煤氣循環技術進行探討、分析和研究,為鐵前降本和碳減排提供技術支撐,助推鋼企鐵前降本和低碳減排。

        一、高爐爐頂煤氣循環技術理論

        把冷態高爐煤氣直接從爐缸風口噴進高爐,且不富氧情況下,會造成生產率顯著下降,導致燃料比明顯升高。因為從風口噴吹常溫高爐爐頂煤氣會導致理論燃燒溫度降低,且高爐煤氣中的CO2在回旋區反應會吸熱,從而使回旋區冷卻。

        把冷態高爐煤氣加富氧從爐缸風口噴進高爐的情況,也會造成生產率降低,燃料比升高。一方面由于高爐煤氣中的CO2在回旋區反應吸熱造成回旋區冷卻;另一方面,在保證一定理論燃燒溫度的情況下,需要提高富氧率,這樣熱風中的氮氣減少了,造成煤氣量減少,使爐身爐料預熱不足。因此,目前認為高爐噴吹爐頂煤氣可行的方法有以下三種:

        1. 把爐頂煤氣經過脫CO2處理后,部分以冷態爐頂煤氣加純氧從爐缸風口噴進高爐,同時把另一部分經過加熱到900℃后噴進爐身風口。這種方式只經過JFE理論研究認為可行,還沒有經過試驗驗證。在JFE的研究中,該法與廢塑料噴吹相結合,可減排CO2量達25%。

        2. 爐缸風口噴吹100%經過脫CO2處理熱態高爐煤氣和冷態工業氧或高富氧風。這種情況經過日本東北大學理論計算是可行的,并且經過了俄羅斯土拉鋼鐵工業試驗證實。土拉鋼鐵的工業試驗表明,隨著氧濃度提高越多,生產率提高越大,焦比降低越多。在氧濃度為87.7%的情況下,噴吹熱高爐煤氣時,隨焦炭帶入的碳素減少了28.5%,高爐的CO2產生量大幅度降低。

        3. 把高爐煤氣經過脫CO2處理,分別從爐缸風口和爐身風口噴進高爐。從爐缸風口噴入的高爐煤氣要加熱到1250℃,從爐身風口噴進的要加熱到900℃,且用冷態純氧噴吹代替通常的鼓風操作。這種方法經過ULCOS試驗證明,可使爐況順行,爐身工作效率穩定,最大可使燃料比減少24%。如果加上脫除高爐煤氣中的CO2量,會使CO2減排量達到76%。

        二、高爐爐頂煤氣循環的應用和實踐

        1. 歐洲ULCOS

        歐洲鋼鐵業者在國際鋼鐵協會的協調下,由安賽樂米塔爾公司牽頭對“超低CO2排放(ULCOS)國項目進行研發。ULCOS旨在開發突破性的煉鋼工藝,達到CO2減排的目標。研究包括了從基礎性工藝的評估到可行性研究實驗,最終實現商業化運作。從所有可能減排CO2的潛在技術中進行分析,選擇出最有前景的技術。以成本和技術可行性為基礎進行選擇,對其工業化示范性水平進行評估,最后實現大規模工業化應用。

        試驗研究在瑞典律勒歐的LKAB試驗高爐(工作容積為8.2m3),設3個爐缸風口,用于噴吹循環煤氣、煤粉和氧氣;設3個爐身風口,用于噴高爐爐頂循環煤氣。把高爐爐頂煤氣經過脫CO2處理,再加熱到一定溫度后噴入高爐。從主風口噴入的爐頂煤氣溫度為1250℃,從爐身下部的風口噴進高爐的爐頂煤氣的溫度為900℃。用冷態純氧噴吹代替通常的鼓風操作。采用VPSA(真空變壓吸附)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實驗,結果表明可削減碳排放24%。

        2. 日本COURSE50

        2008年3月,日本經濟產業省公布的“冷卻地球-能源革新技術計劃”中提出了“應當重點研究的能源革新技術”項目其中之一COURSE50技術。

        COURSE50目標是通過開發CO2吸收液和利用廢熱的再生技術,實現高爐煤氣的CO2分離和回收。進而通過與地下、水下CO2貯留技術革新相結合,將向大氣排放的CO2減至最小。主要研發的技術包括用氫還原鐵礦石的技術開發;焦爐煤氣提高氫含量技術開發;CO2分離、回收技術開發;顯熱回收技術開發等。減排目標如果能夠實現即可使CO2減排30%(使CO2排放從1.64tCO2/t粗鋼降低到1.15tCO2/t粗鋼)。但考慮此時需要以某種形式補充焦爐煤氣的能量,因此考慮是否可應用核電等不產生CO2的能源。

        3. 韓國FINEX

        POSCO開發的FINEX流化床由3級反應器組成,熔融氣化爐中產生的熱還原氣體通入R1并依次再通過R2、R3后排出,爐頂煤氣經除塵凈化后約41%通過加壓變壓吸附脫除CO2,使煤氣中的CO2從33%降到3%,然后回到R1作為還原氣體再利用,以降低煤的消耗。

        在FINEX煤氣處理系統中,增加了CO2脫除裝置,用成熟的變壓吸附法脫除煤氣中的CO2。脫除CO2以后的煤氣作為還原劑用于流態化床反應器,提高了鐵礦粉的還原效率,使FINEX燃料消耗下降。FINEX2000工藝開發應用了爐頂煤氣循環和氧氣風口噴吹技術后,燃料消耗顯著下降,煤耗從1070kg/t下降到830kg/t,碳減排22.4%;FINEX3000由4級流化床改為3級流化床后,煤耗降低到750kg/t左右,達到其同等規模高爐的燃料消耗水平。

        FINEX爐頂煤氣經變壓吸附脫除CO2后循環使用,燃料比(煤比)下降明顯,實現了低碳煉鐵,節能減排,降低生產成本。

        三、高爐爐頂煤氣循環技術研發與應用前景

        在分析業界主流技術方向,結合未來發展需要的基礎上,建立具有多功能頂煤氣循環氧氣高爐工業化試驗示范平臺,期望形成頂煤氣循環高富氧冶煉、氫冶金等獨有的未來煉鐵核心工藝技術,開展鋼鐵工業前瞻性、顛覆性、突破性等創新低碳煉鐵技術研究,以科技創新打通鋼鐵行業低碳發展路徑。

        1. 高爐爐頂煤氣循環高富氧冶煉實踐

        以脫除 CO2頂煤氣循環氧氣高爐工藝為核心,建設工業規模試驗基地,探索還原劑利用率 100%、大幅降低碳排放的煉鐵新工藝,主要內容包括:采用高富氧鼓風(富氧率最高可達到 100%);頂煤氣自身循環利用,煤氣脫除 CO2和煤氣加熱后從爐身和風口噴入高爐。

        2. 高爐爐頂煤氣循環高富氧應用前景

        八鋼氧氣高爐工藝使用純氧氣代替熱鼓風,與傳統高爐相比,二氧化碳排放量明顯降低,生產效率大幅提升。目前八鋼改造后氧氣高爐可減少碳排放40%以上,產能提升40%左右。在實現高富氧冶煉的同時,攻克了爐溫不均衡的技術難關。計劃用3至4個月的時間,采用變壓吸附技術脫除CO2打通爐頂煤氣循環工藝流程,將向著實現50%的富氧冶煉二期目標進軍,最終實現全氧冶煉目標,并將積極策劃推進富氫冶煉。屆時焦比將大幅度降低,CO2排放將削減50%。

        四、高爐爐頂煤氣循環技術展望

        1. 根據日本JFE、東北大學理論計算以及俄羅斯土拉鋼鐵公司頂煤氣循環噴吹應用,高爐爐頂煤氣循環氧氣高爐技術理論和實踐都是可行的。采用變壓吸附脫除CO2后碳減排效果更明顯。

        2. 歐洲ULCOS采用高爐爐頂煤氣循環CO2減排24%,日本COURESE50采用頂煤氣循環CO2減排30%(含富氫氣體碳減排10%左右)。FINEX爐頂煤氣經變壓吸附脫除CO2后循環使用,煤耗下降22.4%,實現了碳減排,降低生產成本。

        3. 高爐頂煤氣循環氧氣高爐研發和實踐表明該技術具有可行性和降焦降本效果,CO2減排潛力巨大。大多數鋼鐵企業建議將富余高爐煤氣采用變壓吸附脫除CO2后進行爐頂煤氣循環高富氧冶煉,降低入爐焦比20%以上,實現低碳煉鐵和節能減排;在不改變工藝流程結構或爐料結構情況下,現有高爐可規劃采用爐頂煤氣循環進行技術改造和推廣應用或作為碳減排可行性儲備技術。

        五、冶金規劃院開展鐵前降本和低碳減排工作

        1. 制定系列鐵前降本和低碳減排的相關標準

        鐵前工序開展鐵前一體化降本、低碳煉鐵技術和相關標準化工作,助力鋼鐵行業低碳發展。行業標準《4000立方米及以上高爐入爐原燃料技術要求》(YB/T4803-2020)已發布;行業標準《燒結煙氣循環利用技術規范》、《強逆流混合機》已報批;團體標準T/SSEA0092-2020《含氧化鎂球團礦》、T/SSEA0093-2020《熔劑性球團礦》、T/SSEA0094-2020《高爐煤氣精脫硫技術要求-水解轉化法》、T/SSEA0095-2020《高爐噴吹蘭炭技術要求》和T/SSEA0096-2020《高爐鐵水包加蓋保溫技術要求》已發布;行業標準《物料刮板取料機》(2019-1730T-YB)、《高爐鐵水罐加蓋保溫技術規范》(2020-0426T-YB)、《高爐爐頂均壓煤氣及休風煤氣回收利用技術要求》(2020-0438T-YB)和《水封式燒結環冷機》(2020-0667T-YB)等已完成立項和正在進行征求行業標準參編單位。

        2. 為企業提供鐵前降本和低碳煉鐵技術服務

        冶金規劃院長期以來根據鐵前工序生產特點,重點開展了鐵前降本、低碳煉鐵等技術應用研究和診斷評估咨詢服務,對以鐵前工序一體化系統性降本增效和突破性、前瞻性、顛覆性的低碳冶煉技術進行了多年儲備、跟蹤和研究,并能針對不同企業和不同情況提出可實施和可操作性的鐵前降本和低碳冶煉完整解決方案,助力鋼鐵行業綠色低碳發展,助推鋼鐵企業提高市場競爭力和綠色低碳高質量發展能力。

        冶金規劃院丨冶煉原料處降本增效咨詢業務

        冶金工業規劃研究院冶煉原料處已承擔完成政府課題研究、行業和企業規劃等各類鋼鐵行業咨詢項目達千余項,涉及冶煉工藝優化建議、冶煉工藝裝備方案設計、冶煉產能置換方案建議、工藝流程比選方案、電爐爐型比選方案、冶煉工序典型指標對標、冶煉工序節能環保診斷等,擁有成熟的降本增效研究方案與豐富的診斷優化經驗。

        降本增效咨詢業務以大宗原燃料、工序節能、物流優化、冶煉智能化為挖潛方向,開展冶煉工藝技術方案研究與評估、原料場物流優化與工藝節能、燒結球團配礦模型、高爐成本預測模型及標準化操作、煉鋼工藝優化與節能、全面對標等全方位多角度的診斷與梳理,旨在為鋼鐵企業制定科學、合理、可操作的降本增效方案,助推鋼鐵企業顯著提升盈利能力和競爭力。

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