鋼(gang)(gang)鐵(tie)工業(ye)是能源(yuan)密(mi)集型產業(ye)，CO2排(pai)放量(liang)大(da)(da)。采用(yong)傳統鋼(gang)(gang)鐵(tie)生產工藝(yi)路線，無法避免CO2的(de)大(da)(da)量(liang)排(pai)放。高(gao)爐煉(lian)鐵(tie)過程中(zhong)產生的(de)CO2在整(zheng)個聯合(he)鋼(gang)(gang)廠生產工序中(zhong)所占(zhan)比例最(zui)大(da)(da)。自20世紀(ji)50年(nian)代，歐洲致力于改進高(gao)爐煉(lian)鐵(tie)技術，還原劑比已(yi)由(you)當時大(da)(da)約(yue)1000kg/t降至現在的(de)500kg/t左右。
由于(yu)高爐傳統生產工藝操(cao)作受到熱力學制約，無論對(dui)高爐工藝路線做出多大的(de)改進，CO2減排(pai)(pai)的(de)效果也并不明顯。因此，迫切要求開發出新的(de)突(tu)破性(xing)煉鐵技術，以大幅度降(jiang)低(di)碳耗，從而減少CO2排(pai)(pai)放。
本文(wen)簡要介紹了ULCOS-BF(高(gao)爐(lu)(lu)爐(lu)(lu)頂(ding)煤氣(qi)循環(huan)利用)工(gong)藝的(de)發展(zhan)。該工(gong)藝使用氧氣(qi)和富集CO的(de)高(gao)爐(lu)(lu)爐(lu)(lu)頂(ding)煤氣(qi)代替熱風，將(jiang)脫除(chu)CO2后的(de)爐(lu)(lu)頂(ding)煤氣(qi)經風口吹入(ru)爐(lu)(lu)身下部(bu)，將(jiang)分離的(de)CO2儲存在地下(CCS工(gong)藝)。
1、ULCOS項目
歐盟(meng)正在開發(fa)超(chao)低CO2煉鋼(ULCOS)生(sheng)產技術。該(gai)項目于2004年開始啟動(dong)，來自歐洲(zhou)15個(ge)國家共48家企業和機(ji)構參與到該(gai)項目中。
ULCOS項目主(zhu)席(xi)由安(an)賽樂(le)?米(mi)塔(ta)(ta)爾(er)(er)公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)擔任，指導委員會由歐(ou)洲主(zhu)要鋼鐵公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)組成，包括安(an)賽樂(le)?米(mi)塔(ta)(ta)爾(er)(er)公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)、蒂森?克虜伯歐(ou)洲鋼鐵公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)、塔(ta)(ta)塔(ta)(ta)歐(ou)洲鋼鐵公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)、薩爾(er)(er)茨吉(ji)特-迪林根公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)、里瓦公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)、勞塔(ta)(ta)魯基鋼鐵公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)、瑞(rui)典鋼鐵公(gong)(gong)司(si)(si)(si)(si)(si)(si)和LKAB。
ULCOS項目研(yan)發團隊(dui)制定(ding)的目標是(shi)(shi)開發出(chu)比現在CO2排放量至(zhi)少減(jian)少50%的鋼鐵生產突(tu)破(po)性技術(shu)。為(wei)了(le)找到最佳工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)路線，該團隊(dui)針對四種不同的ULCOS工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)進行深(shen)入(ru)研(yan)究。這四種工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)分(fen)別是(shi)(shi)ULCOS高爐爐頂(ding)煤氣(qi)循環利用(ULCOS-BF)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)、HISARNA熔融(rong)還原工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)、ULCORED直接還原工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)和ULCOWIN/ULCOLYSIS電解工(gong)(gong)藝(yi)(yi)(yi)。
2、ULCOS-BF工藝
在高爐煉(lian)鐵領(ling)域，開發出了能(neng)夠大幅度減排CO2的多項(xiang)技術(shu)(shu)，如(ru)高爐爐頂煤氣CO/H2循環(huan)利用技術(shu)(shu)、生物能(neng)利用技術(shu)(shu)、H2替代CO技術(shu)(shu)、DRI應用技術(shu)(shu)、低碳(tan)電能(neng)使用技術(shu)(shu)和CCS應用技術(shu)(shu)。
經(jing)過(guo)對上述技(ji)術進行認真(zhen)研究之(zhi)后，ULCOS項(xiang)目研發團隊最終(zhong)決定(ding)深入研究爐頂煤氣循(xun)環利用(yong)(ULCOS-BF)技(ji)術結合(he)CCS技(ji)術。ULCOS-BF技(ji)術主(zhu)要(yao)特(te)點如下：
1)循(xun)環利用含(han)有CO和H2成分的高爐爐頂還原煤氣;
2)用(yong)低溫純氧代替熱風從爐缸風口吹入;
3)使用來自于(yu)焦炭(tan)和噴吹煤(mei)中(zhong)的低碳燃料;
4)高爐爐頂(ding)煤氣中的CO2回收后存入地下(xia)。
根據這些特(te)點，制定(ding)了(le)四種(zhong)高爐爐頂煤(mei)氣循環(huan)利(li)用方案，并進行數學模擬。為(wei)了(le)判斷各(ge)種(zhong)方案的(de)節碳效果，進行了(le)多次(ci)計算，并在實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)條件下(xia)進行了(le)冶金研究。該項目在瑞典LKAB廠實(shi)驗(yan)(yan)高爐獲(huo)得(de)成功。
ULCOS-BF項(xiang)目方案(an)(an)(an)共(gong)有四種(zhong)，方案(an)(an)(an)一、方案(an)(an)(an)三和方案(an)(an)(an)四及(ji)其節碳情況(kuang)見原創表(biao)1，表(biao)1中數值是(shi)以安賽樂?米塔爾公(gong)司比利(li)時西德瑪廠A高(gao)爐為(wei)例(li)計(ji)算(suan)得到(dao)的。由于方案(an)(an)(an)二節碳效果不好，因(yin)此被ULCOS項(xiang)目研(yan)發團隊否(fou)決(jue)了。
1)方案一
脫(tuo)碳后的低溫(wen)高爐爐頂煤氣與氧氣、煤粉(fen)經爐缸風口吹(chui)入，脫(tuo)碳后的高溫(wen)爐頂煤氣經爐身風口吹(chui)入。
采用該方(fang)案(an)(an)，能夠將(jiang)由焦(jiao)炭和煤粉帶(dai)入的碳量減少(shao)21%。在該方(fang)案(an)(an)中至關重(zhong)要的一點(dian)是在風口水平(ping)面上(shang)會殘留有(you)少(shao)量煤氣，因(yin)此與(yu)傳(chuan)統高(gao)爐工藝相比，回(hui)旋(xuan)區較(jiao)小，火焰溫(wen)度較(jiao)高(gao)。此外，由于煤氣流速較(jiao)慢(man)及噴吹低(di)溫(wen)煤氣，因(yin)此需要重(zhong)新設計風口。
2)方案三
僅將脫碳后(hou)的高(gao)(gao)溫(wen)爐頂煤氣(qi)與氧氣(qi)、煤粉(fen)經(jing)風口吹入。采用(yong)該方案(an)最高(gao)(gao)節碳量能夠達(da)到25%。為了達(da)到這一目標，必須同時(shi)在低RAFT和高(gao)(gao)噴煤比條(tiao)件下操作高(gao)(gao)爐。
3)方案四
將脫碳后的(de)(de)高溫(wen)爐頂煤氣從(cong)兩(liang)個(ge)風(feng)口噴吹。采(cai)用該(gai)方案帶入(ru)的(de)(de)碳量(liang)能夠減少26%。
針對(dui)三種(zhong)方(fang)案進行(xing)了(le)非常全面的數學模(mo)(mo)(mo)擬，除了(le)評價(jia)高爐內(nei)部(bu)工況(kuang)以(yi)(yi)外，還開展了(le)大量實驗室試驗，以(yi)(yi)便(bian)評價(jia)在(zai)新型(xing)爐頂煤(mei)氣循環利(li)用條(tiao)(tiao)件下不(bu)同含鐵爐料的性能，并研(yan)究了(le)熱(re)裂(lie)、軟化和熔(rong)化行(xing)為以(yi)(yi)及積碳的影響。此外，利(li)用CFD模(mo)(mo)(mo)型(xing)模(mo)(mo)(mo)擬回(hui)旋區(qu)條(tiao)(tiao)件。根(gen)據計算結果設計風口的幾何形(xing)狀，以(yi)(yi)防止在(zai)操作(zuo)期間出現(xian)過熱(re)點及發生失效現(xian)象，并使氣流具有足夠的沖擊力，以(yi)(yi)形(xing)成大深度回(hui)旋區(qu)。此外，為了(le)找到(dao)合適的加熱(re)技術(shu)和絕緣(yuan)材料，進行(xing)了(le)實驗室試驗，以(yi)(yi)便(bian)對(dui)富(fu)含CO/H2的煤(mei)氣進行(xing)加熱(re)。
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