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50年代,歐洲致力于改進高爐煉鐵技術(shù),還原劑比已由當時大約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,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,將脫除CO2后的爐頂煤氣經(jīng)風口吹入爐身下部,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)進行認真研究之后,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從爐缸風口吹入;

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,并進行數(shù)學(xué)模擬。為了判斷各種方案的節(jié)碳效果,進行了多次計算,并在實驗室條件下進行了冶金研究。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)爐缸風口吹入,脫碳后的高溫爐頂煤氣經(jīng)爐身風口吹入。

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)風口吹入。采用該方案最高節(jié)碳量能夠達到25%。為了達到這一目標,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,進行了實驗室試驗,以便對富含CO/H2的煤氣進行加熱。

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