爐頂煤氣循環 助推鋼企鐵前降本、低碳減排

?????? 來源: 中國冶金報 ???????發布時間:2021-03-25


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“扎實做好碳達峰、碳中和各項工作。制定2030年前碳排放達峰行動方案。”今年兩會,碳達峰、碳中和首次寫入政府工作報告。鋼鐵行業作為碳排放大戶,低碳綠色發展至關重要。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,故鐵前降本和低碳等源頭減排意義重大。

近年來,國內外專家對高爐爐頂煤氣循環技術進行分析、研究,如歐洲ULCOS、日本COURSE50等,得出各技術的優缺點,從而助推鋼企鐵前降本、低碳減排。

高爐爐頂煤氣循環有三種可行方法

把冷態高爐煤氣直接從爐缸風口噴進高爐,且在不富氧的情況下,可使生產率下降、燃料比明顯升高。其原因是從風口噴吹常溫高爐爐頂煤氣會導致理論燃燒溫度降低,且高爐煤氣中的二氧化碳在回旋區反應吸熱,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,也會造成生產率降低、燃料比升高。一方面,由于高爐煤氣中的二氧化碳在回旋區反應吸熱,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,提高富氧率,這樣熱風中的氮氣減少,造成煤氣量減少,使爐身爐料預熱不足。因此,目前業內人士認為高爐噴吹爐頂煤氣可行的方法有以下三種:

一是把爐頂煤氣經過脫二氧化碳處理后,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(日本鋼鐵工程控股公司)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,可減排二氧化碳量達25%。

二是爐缸風口噴吹100%經過脫二氧化碳處理的熱態高爐煤氣和冷態工業氧或高富氧風。此方法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,生產效率提升,焦比下降。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28.5%,因此高爐的二氧化碳產生量大幅降低。

三是高爐煤氣經過脫二氧化碳處理,分別從爐缸風口和爐身風口噴進高爐。將從爐缸風口噴入的高爐煤氣加熱到1250℃、從爐身風口噴進的高爐煤氣加熱到900℃,且用冷態純氧噴吹代替通常的鼓風操作。該方法經過ULCOS(超低二氧化碳排放項目)試驗證明,可使爐況順行、爐身工作效率穩定,最大將燃料比降低24%。如果加上脫除高爐煤氣中的二氧化碳量,二氧化碳減排量可達76%。

有望推進富氧冶煉和氫冶金進程

歐洲ULCOS。歐洲鋼鐵業者在世界鋼鐵協會的協調下,由安賽樂米塔爾牽頭對ULCOS項目進行研發。ULCOS旨在開發突破性的煉鋼工藝,達到二氧化碳減排的目標。ULCOS的研究包括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。從所有可能減排二氧化碳的潛在技術中進行分析,選擇出最有前景的技術。該研究以成本和技術可行性為基礎進行選擇,并對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試驗高爐上進行,該高爐工作容積為8.2立方米,爐缸直徑為1.4米。高爐設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。該研究將高爐爐頂煤氣經過二氧化碳脫除處理,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℃,從爐身下部風口噴進高爐的爐頂煤氣溫度為900℃,并用冷態純氧噴吹代替通常的鼓風操作。之后,采用VPSA(真空變壓吸附)對爐頂煤氣中的二氧化碳進行吸附分離,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%。

日本COURSE50。COURSE50目標是通過開發二氧化碳吸收液和利用廢熱的再生技術,實現高爐煤氣的二氧化碳分離和回收,進而通過與地下、水下二氧化碳貯留技術革新相結合,將向大氣排放的二氧化碳降至最低。COURSE50主要研發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;二氧化碳分離、回收技術開發;顯熱回收技術開發等。COURSE50減排目標是30%(使二氧化碳排放從1.64噸二氧化碳/噸鋼降低到1.15噸二氧化碳/噸鋼),但考慮需要以某種形式補充焦爐煤氣的能量,因此業內專家考慮是否可應用核電等不產生二氧化碳的能源。

韓國FINEX。FINEX流化床由3級反應器組成,粉礦和粒度8毫米以下的添加劑由礦槽經提升進入流化床反應器R3,爐料在R3干燥預熱,并按重力依次進入R2中進行預還原,最后在底部的R1反應器中還原。經R1出來的細顆粒狀的直接還原鐵,在熱狀態下被壓制成熱壓塊,然后裝入熔融氣化爐。煤將通過篩分,小于80毫米的煤直接裝入熔融氣化爐、小于8毫米的粉煤加入有機黏結劑后壓成煤塊入爐。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二氧化碳,使煤氣中的二氧化碳從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。

FINEX煤氣處理系統中,增加了二氧化碳脫除裝置,用成熟的變壓吸附法脫除煤氣中的二氧化碳。脫除二氧化碳以后的煤氣,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。POSCO在FINEX2000工藝上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1070千克/噸下降到830千克/噸,碳減排22.4%;POSCO在FINEX3000將4級流化床改為3級流化床后,煤耗降低到750千克/噸左右,達到其高爐的燃料消耗水平。

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

在分析業界主流技術方向,結合未來發展需要的基礎上,業內人士計劃建立具有多功能爐頂煤氣循環氧氣高爐工業化試驗示范平臺,形成爐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。

高爐爐頂煤氣循環高富氧冶煉實踐。寶武集團八鋼以脫除二氧化碳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,煤氣脫除二氧化碳和煤氣加熱后從爐身和風口噴入高爐。

高爐爐頂煤氣循環高富氧應用前景。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。該公司在實現高富氧冶煉的同時,攻克了爐溫不均衡的技術難關。其計劃用3至4個月的時間,采用變壓吸附技術脫除二氧化碳,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,二氧化碳排放量將削減50%。

根據日本JFE和日本東北大學理論計算以及俄羅斯土拉鋼鐵公司爐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。采用變壓吸附脫除二氧化碳后碳減排效果更明顯。

歐洲ULCOS采用高爐爐頂煤氣循環二氧化碳減排24%,日本COURESE50采用爐頂煤氣循環二氧化碳減排30%(含富氫氣體碳減排10%左右)。FINEX爐頂煤氣經變壓吸附脫除二氧化碳后循環使用,煤耗下降22.4%,實現了碳減排,降低了生產成本。

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,二氧化碳減排潛力巨大。大多數鋼鐵企業建議將富余高爐煤氣采用變壓吸附脫除二氧化碳后進行爐頂煤氣循環富氧冶煉,可降低入爐焦比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氧氣高爐技術改造和推廣應用或作為碳減排可行性儲備技術。

 

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