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炉顶煤气循环 助推钢企铁前降本、低碳减排

?????? 来源: 中国冶金报 ???????发布时间:2021-03-25


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“扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。制定2030年前碳排放达峰行动方案。”今年两会,碳达峰、碳中和首次写入政府工作报告。钢铁行业作为碳排放大户,低碳绿色发展至关重要。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,故铁前降本和低碳等源头减排意义重大。

近年来,国内外专家对高炉炉顶煤气循环技术进行分析、研究,如欧洲ULCOS、日本COURSE50等,得出各技术的优缺点,从而助推钢企铁前降本、低碳减排。

高炉炉顶煤气循环有三种可行方法

把冷态高炉煤气直接从炉缸风口喷进高炉,且在不富氧的情况下,可使生产率下降、燃料比明显升高。其原因是从风口喷吹常温高炉炉顶煤气会导致理论燃烧温度降低,且高炉煤气中的二氧化碳在回旋区反应吸热,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,也会造成生产率降低、燃料比升高。一方面,由于高炉煤气中的二氧化碳在回旋区反应吸热,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,提高富氧率,这样热风中的氮气减少,造成煤气量减少,使炉身炉料预热不足。因此,目前业内人士认为高炉喷吹炉顶煤气可行的方法有以下三种:

一是把炉顶煤气经过脱二氧化碳处理后,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(日本钢铁工程控股公司)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,可减排二氧化碳量达25%。

二是炉缸风口喷吹100%经过脱二氧化碳处理的热态高炉煤气和冷态工业氧或高富氧风。此方法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,生产效率提升,焦比下降。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28.5%,因此高炉的二氧化碳产生量大幅降低。

三是高炉煤气经过脱二氧化碳处理,分别从炉缸风口和炉身风口喷进高炉。将从炉缸风口喷入的高炉煤气加热到1250℃、从炉身风口喷进的高炉煤气加热到900℃,且用冷态纯氧喷吹代替通常的鼓风操作。该方法经过ULCOS(超低二氧化碳排放项目)试验证明,可使炉况顺行、炉身工作效率稳定,最大将燃料比降低24%。如果加上脱除高炉煤气中的二氧化碳量,二氧化碳减排量可达76%。

有望推进富氧冶炼和氢冶金进程

欧洲ULCOS。欧洲钢铁业者在世界钢铁协会的协调下,由安赛乐米塔尔牵头对ULCOS项目进行研发。ULCOS旨在开发突破性的炼钢工艺,达到二氧化碳减排的目标。ULCOS的研究包括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。从所有可能减排二氧化碳的潜在技术中进行分析,选择出最有前景的技术。该研究以成本和技术可行性为基础进行选择,并对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试验高炉上进行,该高炉工作容积为8.2立方米,炉缸直径为1.4米。高炉设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。该研究将高炉炉顶煤气经过二氧化碳脱除处理,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℃,从炉身下部风口喷进高炉的炉顶煤气温度为900℃,并用冷态纯氧喷吹代替通常的鼓风操作。之后,采用VPSA(真空变压吸附)对炉顶煤气中的二氧化碳进行吸附分离,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%。

日本COURSE50。COURSE50目标是通过开发二氧化碳吸收液和利用废热的再生技术,实现高炉煤气的二氧化碳分离和回收,进而通过与地下、水下二氧化碳贮留技术革新相结合,将向大气排放的二氧化碳降至最低。COURSE50主要研发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;二氧化碳分离、回收技术开发;显热回收技术开发等。COURSE50减排目标是30%(使二氧化碳排放从1.64吨二氧化碳/吨钢降低到1.15吨二氧化碳/吨钢),但考虑需要以某种形式补充焦炉煤气的能量,因此业内专家考虑是否可应用核电等不产生二氧化碳的能源。

韩国FINEX。FINEX流化床由3级反应器组成,粉矿和粒度8毫米以下的添加剂由矿槽经提升进入流化床反应器R3,炉料在R3干燥预热,并按重力依次进入R2中进行预还原,最后在底部的R1反应器中还原。经R1出来的细颗粒状的直接还原铁,在热状态下被压制成热压块,然后装入熔融气化炉。煤将通过筛分,小于80毫米的煤直接装入熔融气化炉、小于8毫米的粉煤加入有机黏结剂后压成煤块入炉。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二氧化碳,使煤气中的二氧化碳从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。

FINEX煤气处理系统中,增加了二氧化碳脱除装置,用成熟的变压吸附法脱除煤气中的二氧化碳。脱除二氧化碳以后的煤气,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。POSCO在FINEX2000工艺上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1070千克/吨下降到830千克/吨,碳减排22.4%;POSCO在FINEX3000将4级流化床改为3级流化床后,煤耗降低到750千克/吨左右,达到其高炉的燃料消耗水平。

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

在分析业界主流技术方向,结合未来发展需要的基础上,业内人士计划建立具有多功能炉顶煤气循环氧气高炉工业化试验示范平台,形成炉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。

高炉炉顶煤气循环高富氧冶炼实践。宝武集团八钢以脱除二氧化碳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,煤气脱除二氧化碳和煤气加热后从炉身和风口喷入高炉。

高炉炉顶煤气循环高富氧应用前景。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。该公司在实现高富氧冶炼的同时,攻克了炉温不均衡的技术难关。其计划用3至4个月的时间,采用变压吸附技术脱除二氧化碳,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,二氧化碳排放量将削减50%。

根据日本JFE和日本东北大学理论计算以及俄罗斯土拉钢铁公司炉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。采用变压吸附脱除二氧化碳后碳减排效果更明显。

欧洲ULCOS采用高炉炉顶煤气循环二氧化碳减排24%,日本COURESE50采用炉顶煤气循环二氧化碳减排30%(含富氢气体碳减排10%左右)。FINEX炉顶煤气经变压吸附脱除二氧化碳后循环使用,煤耗下降22.4%,实现了碳减排,降低了生产成本。

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,二氧化碳减排潜力巨大。大多数钢铁企业建议将富余高炉煤气采用变压吸附脱除二氧化碳后进行炉顶煤气循环富氧冶炼,可降低入炉焦比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氧气高炉技术改造和推广应用或作为碳减排可行性储备技术。

 

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