降低高爐排放的新技術(shù):高爐爐頂煤氣循環(huán)利用ULCOS技術(shù)研究

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(wú)法避免CO2的大量排放。高爐煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的CO2在整個(gè)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(shí)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(wú)論對(duì)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(kāi)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(jiǎn)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(chǔ)存在地下(CCS工藝)。

1、ULCOS項(xiàng)目

歐盟正在開(kāi)發(fā)超低CO2煉鋼(ULCOS)生產(chǎn)技術(shù)。該項(xiàng)目于2004年開(kāi)始啟動(dòng),來(lái)自歐洲15個(gè)國(guó)家共48家企業(yè)和機(jī)構(gòu)參與到該項(xiàng)目中。

ULCOS項(xiàng)目主席由安賽樂(lè)?米塔爾公司擔(dān)任,指導(dǎo)委員會(huì)由歐洲主要鋼鐵公司組成,包括安賽樂(lè)?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(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)制定的目標(biāo)是開(kāi)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(tuán)隊(duì)針對(duì)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(kāi)發(fā)出了能夠大幅度減排CO2的多項(xiàng)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(guò)對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真研究之后,ULCOS項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(lái)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(diǎn),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(jì)算,并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了冶金研究。該項(xiàng)目在瑞典LKAB廠實(shí)驗(yàn)高爐獲得成功。

ULCOS-BF項(xiàng)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(jiàn)原創(chuàng)表1,表1中數(shù)值是以安賽樂(lè)?米塔爾公司比利時(shí)西德瑪廠A高爐為例計(jì)算得到的。由于方案二節(jié)碳效果不好,因此被ULCOS項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(diǎn)是在風(fēng)口水平面上會(huì)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(jì)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(shí)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(gè)風(fēng)口噴吹。采用該方案帶入的碳量能夠減少26%。

針對(duì)三種方案進(jìn)行了非常全面的數(shù)學(xué)模擬,除了評(píng)價(jià)高爐內(nèi)部工況以外,還開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),以便評(píng)價(jià)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(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)風(fēng)口的幾何形狀,以防止在操作期間出現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),以便對(duì)富含CO/H2的煤氣進(jìn)行加熱。

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