日本钢铁技术现状及二氧化碳减排发展

日本钢铁技术现状及二氧化碳减排发展

来源：王小天 文章发表时间：2010-04-06

全球变暖是世界各国面临的一个严峻问题。气候变暖影响着人类的生存和发展，应对这一难题是世界各国共同的责任，因此必须站在新的高度强调国际间的技术合作，以及向发展中国家转让技术。在二氧化碳减排方面，不能低估炼铁工艺在整个钢铁工序中的作用。可以毫不夸张地讲，钢铁工业未来的发展依赖于未来炼铁技术的进步。因此，既要从短期着手又要从长远角度出发，针对局部区域和全球范围研究开发炼铁工艺技术。在日本，钢铁工业面临降低能耗的任务是到2010年能源消耗在1990年的基础上下降10%。为实现这一目标，日本钢铁业者一直致力于炼铁新工艺、新技术的开发。

1日本炼铁技术现状

自1983年开始应用煤粉喷吹技术直至2000年，日本高炉喷煤比在不断增加。在此期间，主要的经营目标之一就是大量使用廉价原料，例如从澳大利亚进口了大约50%的铁矿石，渣量大，大量劣质煤的使用虽然降低了生产成本，但导致还原剂消耗普遍超过500kg/t。然而，由于全球气候变暖问题的日益加剧和产能提高的需要，自2000年起至2007年，高炉操作目标已经转为降低还原剂消耗。降低还原剂消耗的工作主要集中在大型高炉上，特别是由于原燃料的变化，高炉操作需要做出相应调整。2007年日本喷煤比接近130kg/t，低于其它国家。主要原因是日本所用焦炭质量发生了变化。如果盲目提高喷煤比，可能会影响高炉较高的利用系数。

但是从2008年下半年开始，由于全球经济危机的爆发，高炉操作条件彻底改变，高炉利用系数也大幅度降低。未来经济复苏的前景仍不明朗，一些高炉已经关停。所以近期钢铁行业的二氧化碳排放量显著降低。尽管如此，降低高炉还原剂消耗仍然被视作重要操作目标之一。

2 针对二氧化碳减排的研究

1996年，日本铁钢联盟JISF根据《京都议定书》制定了环境保护行动计划，把减少温室气体排放作为应对全球变暖的措施之一。因此，该计划主要应用了以下温室气体减排措施：

1） 在1990年的基础上，到2010年实现钢铁行业能耗下降10%；

2） 通过政府建立回收机构，实现高炉回收利用100万t废塑料。

据测算，降低能耗10%相当于减少二氧化碳排放量9%。同样，高炉回收利用100万t废塑料相当于减少二氧化碳排放量1.5%。

在2006年，日本钢铁工业产生的温室气体排放量为全日本温室气体排放量的14.6%。同1990年相比，尽管通过推广、应用节能技术，安装节能设备，单位能源消耗量已经降低，但是由于粗钢产能的增加，整体二氧化碳排放量呈现上升趋势。作为实现依据《京都议定书》制定的自愿行动计划公布的二氧化碳减排目标的现实解决办法，日本钢铁工业正计划运用《京都议定书》中定义为CDM的碳排放交易来补偿减排目标值和实际值之间的差额。

从1990年起，由于日本国内能源价格高于其他国家，为降低能源消耗，积极引入能源回收利用技术，如高炉炉顶煤气余压发电技术TRT和干熄焦技术CDQ。到2007年日本在每座高炉上都安装了高炉煤气余压发电机组。干熄焦技术的应用率为85%，2010年3月有望达到91%。时至今日，日本基本上完成了所有节能工艺的引进工作，但为减排二氧化碳做出的努力仍在进行。

为进一步降低二氧化碳排放，日本正在努力实现革新的低碳制铁工艺技术。

3二氧化碳减排和能量平衡

虽然降低炼铁还原剂消耗是应对未来气候问题不可缺少的重要方面，但是其减排行为需要考虑维持钢铁厂的总能量平衡。输入70%碳元素消耗于炼铁工艺，碳元素通过炼铁工艺的焦炉和高炉分别转化为高温气体，供给下游工序如发电厂、制氧厂和轧钢厂。由于降低炼铁还原剂消耗意味着对下游能源供应的减少，因此钢铁联合企业必须保持总能量平衡。在日本大型钢铁联合企业，特别是生产能力超过1000万t/a的企业，总体能量平衡是主要问题。由于大型钢铁企业生产的钢材品种繁多，再加上在日本采购能源成本高昂，因此，在现有条件下，过度依靠使用大量的天然气和核能并不现实。

尽管高炉产生的二氧化碳备受关注，但来自高炉的二氧化碳仅占20%左右。其余的二氧化碳则来自于热风炉、焦炉、烧结机和下游工序。因此，必须采用先进的节能技术与设备如SCOPE 21新型焦炉。同时应当考虑稳步提高产能的措施，或考虑改善焦炭质量和烧结矿性能的措施。更重要的是钢铁企业的二氧化碳排放与发电厂不同，排放点分布广泛。因此，钢铁企业靠采用碳封存技术来大幅度减少二氧化碳排放则更为复杂。

4低碳高炉的原料设计

4.1高炉炉料的多样化

在炼铁工艺中，焦炭和团矿（如烧结矿）是传统的主要原料。过去的研究主要集中在如何提高其强度和反应性。既然目前的高炉已经达到还原剂消耗的理论极限，因此，不再期望未来还原剂消耗能够进一步降

低。

低碳高炉新型炉料的设计理念如图1所示。该理念为传统炉料如烧结矿和焦炭的多功能性提供了思路。例如部分还原烧结矿，就是由传统烧结矿经部分还原得到的。实验室证实，用该工艺可生产还原度为40%的烧结矿。另外还有使用由精矿粉和碳素材料经造块制成的含碳素材料的铁矿石。预计不久的将来有望看到气态还原剂与固态还原剂的问世，以提高高炉炉料的渗碳率和还原率。

4.2 铁炭复合材料

高炉中部的温度范围在1000℃左右。这个温度区被称为热储备区，在该区间铁矿石还原处于FeO-Fe还原平衡态。高炉还原剂的消耗在理论上受该还原平衡态发生部位的控制。目前的高炉操作水平处于临近该还原平衡点的某一点，还可以允许小范围降低还原剂用量。图2说明通过控制还原平衡点可以减少还原剂用量。将临界点（图中W点）向更高的氧化度移动，然后通过添加金属铁使其转变为氧化铁，再把该点向如图所示的右下方移动。此外，该图还说明了铁炭复合材料在高炉中的作用。在铁炭复合材料中，焦炭内部的金属铁可以作为焦炭气化的催化剂，通过在高炉低温区激活焦炭气化使热储备区向低温区移动。而且，铁炭复合材料中的金属铁的任务是减少氧化铁的还原负荷，进而也降低了还原剂的消耗。如果热储备区从1000℃移到800℃，通过模型计算，还原剂消耗能够降低60kg/t。

铁炭复合材料的生产工艺如图3所示。与传统焦炉不同，这种垂直竖炉是为炼焦工艺做准备。这种竖炉的气密性更简化，更具环保优势。此外，该工艺还可使用无粘结性煤。在这种竖炉中，铁矿石的还原和煤粉的碳化同时进行。基础检测显示，该工艺可以实现80%甚至更高的矿石还原度。高炉矿层混装被认为也是提高还原率的一种可行办法。

目前已经运用该生产工艺理论进行了基础实验研究，同时也对铁炭复合材料的强度和反应性进行了检测。这些生产工艺的开发研究是通过包括校企合作在内的综合研究项目开展进行的，该综合研究项目是在日本政府机构NEDO（新能源和工业技术部）的资助下，自2006年开始实施的。2011年将在JFE京滨厂安装30t/d的试验装置。

5“美丽星球”创新项目

另一个重要的发展项目COURSE 50是站在长远角度计划的。该计划是日本政府“美丽星球”项目的一部分，包括利用焦炉煤气显热进行甲烷重整制氢反应，进而增加焦炉煤气中的氢含量，为从高炉煤气中分离出二氧化碳后循环利用煤气，将氢气作为还原剂。据估计，该工艺可以减少二氧化碳排放量约30%。该工艺的前提条件是把煤粉中碳氢化合物中的氢元素累计并提取出来，提取效率决定着该工艺的效率。2008年开

始对该工艺进行基础研究。对碳捕集和碳封存技术的可行性和经济性等重要因素进行了调查。尽管COURSE 50中的炼铁工艺与ULCOS（超低二氧化碳炼钢项目）中的新高炉在煤气循环利用方面相似，但其运行条件指导不同于ULCOS中的新高炉。在COURSE 50计划中，氢气还原得以增强，接近于焦炉煤气和天然气喷吹还原。在高炉煤气循环利用中，还原方式主要是由一氧化碳气体进行的间接还原。另一方面，由氢气还原发生的吸热反应得到的热平衡将会影响COURSE 50中炼铁工艺的操作限制。

6 对未来几种工艺的评价

钢铁企业采用碳捕集和碳封存技术也是降低二氧化碳排放必不可少的办法。未来全氧高炉是一种备受推崇的工艺，但其需要消耗大量氧气。制氧厂生产氧气又要消耗大量电力，因此，全氧高炉碳消耗的总量与传统高炉相差无几。然而同传统高炉工艺相比，全氧高炉煤气中的二氧化碳更为集中，因而引入二氧化碳分离技术也就相对容易。在全氧高炉工艺中，由于氮气是免费的，所以二氧化碳压力和煤气量更为适合。未来，全氧高炉和二氧化碳分离技术的结合将会显著降低二氧化碳排放，成为极具推广价值的技术。

由于未来一系列工艺的发展都是建立在碳捕集和碳封存技术之上，因此，二氧化碳的分离成本、运输成本和存储成本将是考虑的主要因素。

7 结论

受经济条件变化的影响和应对全球气候变暖的长期减排要求，日本炼铁条件的显著变化将会持续下去，两者与日本钢铁工业的未来发展密切相关。更重要的是，在应对全球气候变暖的问题上，钢铁工业在炼铁环节应有属于自己的核心技术，这些核心技术必将对钢铁工业的未来发展产生影响。 （王小天）