鋼鐵工業(yè)是能源密集型產(chǎn)業(yè)，CO2排放量大。采用傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)工藝路線，無法避免CO2的大量排放。高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的CO2在整個聯(lián)合鋼廠生產(chǎn)工序中所占比例最大。自20世紀(jì)50年代，歐洲致力于改進(jìn)高爐煉鐵技術(shù)，還原劑比已由當(dāng)時大約1000kg/t降至現(xiàn)在的500kg/t左右。
由于高爐傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝操作受到熱力學(xué)制約，無論對高爐工藝路線做出多大的改進(jìn)，CO2減排的效果也并不明顯。因此，迫切要求開發(fā)出新的突破性煉鐵技術(shù)，以大幅度降低碳耗，從而減少CO2排放。
本文簡要介紹了ULCOS-BF(高爐爐頂煤氣循環(huán)利用)工藝的發(fā)展。該工藝使用氧氣和富集CO的高爐爐頂煤氣代替熱風(fēng)，將脫除CO2后的爐頂煤氣經(jīng)風(fēng)口吹入爐身下部，將分離的CO2儲存在地下(CCS工藝)。
1、ULCOS項目
歐盟正在開發(fā)超低CO2煉鋼(ULCOS)生產(chǎn)技術(shù)。該項目于2004年開始啟動，來自歐洲15個國家共48家企業(yè)和機構(gòu)參與到該項目中。
ULCOS項目主席由安賽樂?米塔爾公司擔(dān)任，指導(dǎo)委員會由歐洲主要鋼鐵公司組成，包括安賽樂?米塔爾公司、蒂森?克虜伯歐洲鋼鐵公司、塔塔歐洲鋼鐵公司、薩爾茨吉特-迪林根公司、里瓦公司、勞塔魯基鋼鐵公司、瑞典鋼鐵公司和LKAB。
ULCOS項目研發(fā)團隊制定的目標(biāo)是開發(fā)出比現(xiàn)在CO2排放量至少減少50%的鋼鐵生產(chǎn)突破性技術(shù)。為了找到最佳工藝路線，該團隊針對四種不同的ULCOS工藝進(jìn)行深入研究。這四種工藝分別是ULCOS高爐爐頂煤氣循環(huán)利用(ULCOS-BF)工藝、HISARNA熔融還原工藝、ULCORED直接還原工藝和ULCOWIN/ULCOLYSIS電解工藝。
2、ULCOS-BF工藝
在高爐煉鐵領(lǐng)域，開發(fā)出了能夠大幅度減排CO2的多項技術(shù)，如高爐爐頂煤氣CO/H2循環(huán)利用技術(shù)、生物能利用技術(shù)、H2替代CO技術(shù)、DRI應(yīng)用技術(shù)、低碳電能使用技術(shù)和CCS應(yīng)用技術(shù)。
經(jīng)過對上述技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真研究之后，ULCOS項目研發(fā)團隊最終決定深入研究爐頂煤氣循環(huán)利用(ULCOS-BF)技術(shù)結(jié)合CCS技術(shù)。ULCOS-BF技術(shù)主要特點如下：
1)循環(huán)利用含有CO和H2成分的高爐爐頂還原煤氣;
2)用低溫純氧代替熱風(fēng)從爐缸風(fēng)口吹入;
3)使用來自于焦炭和噴吹煤中的低碳燃料;
4)高爐爐頂煤氣中的CO2回收后存入地下。
根據(jù)這些特點，制定了四種高爐爐頂煤氣循環(huán)利用方案，并進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。為了判斷各種方案的節(jié)碳效果，進(jìn)行了多次計算，并在實驗室條件下進(jìn)行了冶金研究。該項目在瑞典LKAB廠實驗高爐獲得成功。
ULCOS-BF項目方案共有四種，方案一、方案三和方案四及其節(jié)碳情況見原創(chuàng)表1，表1中數(shù)值是以安賽樂?米塔爾公司比利時西德瑪廠A高爐為例計算得到的。由于方案二節(jié)碳效果不好，因此被ULCOS項目研發(fā)團隊否決了。
1)方案一
脫碳后的低溫高爐爐頂煤氣與氧氣、煤粉經(jīng)爐缸風(fēng)口吹入，脫碳后的高溫爐頂煤氣經(jīng)爐身風(fēng)口吹入。
采用該方案，能夠?qū)⒂山固亢兔悍蹘氲奶剂繙p少21%。在該方案中至關(guān)重要的一點是在風(fēng)口水平面上會殘留有少量煤氣，因此與傳統(tǒng)高爐工藝相比，回旋區(qū)較小，火焰溫度較高。此外，由于煤氣流速較慢及噴吹低溫煤氣，因此需要重新設(shè)計風(fēng)口。
2)方案三
僅將脫碳后的高溫爐頂煤氣與氧氣、煤粉經(jīng)風(fēng)口吹入。采用該方案最高節(jié)碳量能夠達(dá)到25%。為了達(dá)到這一目標(biāo)，必須同時在低RAFT和高噴煤比條件下操作高爐。
3)方案四
將脫碳后的高溫爐頂煤氣從兩個風(fēng)口噴吹。采用該方案帶入的碳量能夠減少26%。
針對三種方案進(jìn)行了非常全面的數(shù)學(xué)模擬，除了評價高爐內(nèi)部工況以外，還開展了大量實驗室試驗，以便評價在新型爐頂煤氣循環(huán)利用條件下不同含鐵爐料的性能，并研究了熱裂、軟化和熔化行為以及積碳的影響。此外，利用CFD模型模擬回旋區(qū)條件。根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計風(fēng)口的幾何形狀，以防止在操作期間出現(xiàn)過熱點及發(fā)生失效現(xiàn)象，并使氣流具有足夠的沖擊力，以形成大深度回旋區(qū)。此外，為了找到合適的加熱技術(shù)和絕緣材料，進(jìn)行了實驗室試驗，以便對富含CO/H2的煤氣進(jìn)行加熱。
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