炼铁过程CO_2_减排技术发展动向

世界金属导报/2007年/11月/6日/第008版绿色钢铁炼铁过程CO2减排技术发展动向朱久发21世纪，环保将推动钢铁工业技术新的进步。

随着这种趋势的发展，对钢铁工业可持续发展起决定作用的炼铁技术的进步与革新将处于首要位置。

特别是在解决污染物排放、废物循环利用及CO2排放等问题的技术方面要有突破性的进展，同时还要重点考虑新的工艺生产路线及操作水平的不断提高。

1.CO2减排工作的方向在钢铁联合企业的钢铁生产过程中，碳一般是以煤炭的形式输入，在炼铁工序中，焦炭作为还原剂和热源，而一部分煤以微粉喷吹的方式被高炉直接利用。

焦炉、高炉产生的煤气则供发电厂、制氧工序、下游工序的加热炉等作为能源使用。

这一生产过程产生的CO2总量在概念上可表达为：CO2发生量=生产量×(能量消费量／生产量)×(CO2发生量／能量消费量)。

基于该式来考虑CO2减排的方向，若要减少上游工序的能耗量，即减少炼铁过程.中在还原、热源上的消耗量，就要减少碳的消耗量，这样才能进一步地推进节能。

与此同时，为了减排CO2，可以考虑利用天然气等氢系还原剂，也可以考虑利用碳中性的生物体等作为减碳的方向。

作为系统延伸的推进废弃塑料的再循环利用也将成为有效的策略。

现行的钢铁生产过程对碳的依赖性很大，基本上要追求两个方向，既要减少所需碳量，又要降低对碳的依靠性。

炼铁过程所需碳量的减少主要通过减少高炉还原剂的使用量来实现。

高炉低还原剂比的原理可用李斯特(RIST)线图来表示，减少还原剂的途径有4条，即提高炉身效率、减少热损失、控制气体还原平衡的限制或者投入铁源。

可以认为，前两种途径是目前正在努力推进的项目，可挖掘的潜力已几乎接近于极限；而后两种途径则是今后会带来更大效益的现在应积极研究的方向。

2.CO2减排问题的对策2.1烧结机排放量的控制烧结机目前是控制污染的主要环节，其中灰尘和二恶英排放等主要问题必须解决。

二恶英的产生与烧结所用的铁矿石、石灰石、循环料、固体燃料的特性关系很大。

因此，减少循环料的使用和正确选用燃料对二恶英的产生关系很大。

另外，在烧结料中加入尿素，不仅可以有效抑制二恶英的产生，而且还可以避免或减少后道工序管道系统处理的费用。

通过对不同的处理方法进行比较，可以发现加入尿素后，废气中二恶英的含量可降到0.5～1ng／Nm3。

如果想要继续降低二恶英的含量，还需要加入活性碳或对管道中的烟气进行循环处理。

2.2 CO2的排放在炼铁工艺中，碳具有双重作用，一是作为还原剂对铁氧化物进行还原，二是作为热源将参与反应的物质加热到足够的温度，以保证铁氧化物还原反应经济、合理地进行。

从热力学的观点出发，CO2的排放可以进行理论估算：(1)还原Fe2O3需热能7400MJ／t铁；由铁水转变为钢水产生CO2为2.2kg／t钢。

(2)熔化优质废钢的热能为1350MJ／t钢。

而还原废钢中不纯净的氧化物要消耗几十公斤的碳。

全废钢电炉冶炼产生CO2大约为200kg ／t钢。

2.3CO2的排放短期限制在过去的40多年来，能耗随着炼铁和炼钢的成本降低也在不断下降。

受这种趋势的影响，欧洲钢厂CO2的排放量不断下降，但传统工艺的减排潜力非常有限，不超过5%～10%。

同时也必须看到，高炉炼铁工艺已相当成熟，任何进步都相当困难。

喷吹煤粉代替焦炭降低CO2排放量的作用不大，物料平衡与热平衡显示，碳在高炉中的利用效率远高于发电厂。

在转炉工艺中多用1kg废钢可减少排放1.5kg的CO2。

也就是说，转炉中增加废钢用量，减少铁水用量是一条减少炼钢中CO2排放量的有效途径。

安塞勒钢铁公司近年来在转炉炼钢中废钢用量已大幅度提高，已将废钢的比例提高到80～230kg／t钢，目前正在考虑能否将废钢的单耗提高到250kg／t钢。

如果进一步提高转炉能源管理，如提高转炉废气的二次燃烧率(造泡沫渣、二次燃烧枪的使用)，废钢的比例还可以进一步提高。

2.4 CO2的排放中期限制有关炼铁专家对高炉炼铁工艺与CO2的排放进行了详细研究。

结果表明，CO2的排放与铁水产量有很大关系，而与用于发电的煤消耗关系不大。

在法国，因核能发电占很大比例，因此在法国CO2的排放量不大。

电炉炼钢工艺产生的CO2相对较少，但受废钢资源与废钢中有害元素的影响，仅依靠电炉工艺来降低CO2的排放量仍有一定的局限。

特别是生产汽车用的涂层板材时，对钢水的要求更高，因此，高炉一转炉工艺在将来仍占重要地位。

近年来，对高炉工艺做了不少改进，但高炉排出的CO2基本变化不大。

对炉顶煤气进行循环处理后，CO2的排放能够进一步降低。

2.5 CO2的排放长期限制碳、氢、电均可以作为钢铁冶炼所需要的还原剂和热源，因此，实现低CO2排放的炼钢生产，可以有许多不同的生产途径可供探索。

第一条途径就是能源转变，可以用非碳还原剂如H2、等离子进行冶炼。

第二条途径是捕集或贮藏CO2的碳基新工艺，采用这种工艺，即使用高炉炼铁工艺也可降低CO2的排放，但这种工艺目前正处于探索阶段。

第三条途径是将钢铁冶炼工艺与自然界的碳循环联系起来，比如使用植物燃料。

2.6炉顶煤气循环炼铁新工艺在对炼铁工艺进行深入研究后，有人提出一种高炉无氮气(或低氮气)冶炼。

按照这种工艺，高炉中铁氧化物的还原主要在炉身上部900℃以下的还原温度中完成，其优点是减少了碳在高炉下部进行的吸热量很大的直接还原。

采用这种工艺，炉顶煤气经过脱碳后，含有大量的CO和H2的还原气体经过预热到900℃以后，从风口喷入高炉，以加速铁氧化物的还原。

这种工艺所需要的热能是通过煤粉在氧气中燃烧或采用等离子喷射法来提供的，而采用等离子喷射法不再另外需要氧气和煤粉。

高炉炉顶循环还原气中N2含量很低，而焦炭的用量能保证炉料的透气性即可。

生产实践经验表明，此时焦炭的单耗约在230kg／t铁左右，而整个还原剂的消耗为232kg／t铁的焦炭和137kg ／t铁的煤粉。

该工艺关键的一点是铁氧化物的还原在900℃以下经气体还原完成。

从热力学的角度考虑，这种工艺是完全能实现的，但在还原的最终阶段，铁氧化物表面还原出的一层金属铁会阻止还原气体进入铁氧化物继续进行还原。

因此，控制铁氧化物表层金属铁的组织形态对改善铁氧化物的还原具有重要作用。

上世纪70年代，在AIRBO高炉(炉缸直径为4.6m)上进行了该工艺的工业试验，其中处理后的炉顶煤气加热到1000℃后从风口喷入高炉。

炉体内的探头测试和取样结果表明，处理后的炉顶煤气与高炉内的煤气混合效果非常好，其中处理后的炉顶煤气与焦炭的置换比为0.25～0.35kg・焦炭／m3，该置换比与理论计算是相符合的。

2.7以大幅度减少CO2发生量为目标的炼铁工艺炼铁过程按机能分工为焦炉内的煤炭的干馏，烧结机上的烧结造块，高炉中的还原、熔融。

焦炉、烧结机各自供给能满足高炉所需要的强度和还原性能的炉料。

只有重新认识这些过程，通过还原与受热的高效配合重组，才能有降低高炉负荷和减少总体还原剂比的可能性。

这就是说，人造块矿和碳基料只有达到更好的接触强化、碳基料配置的最佳化，才有实现低还原剂比操作的可能性。

可以认为，高炉的新原料就是人造块矿中含有金属铁的预还原矿和含有金属铁的焦炭。

在焦炭含有金属铁的情况下，加上投入铁的效果，借助金属铁的催化作用，可以大大提高焦炭的反应性。

依靠这种焦炭的高反性化，可以降低还原平衡温度，大幅度降低还原剂比。

在粉矿造块的同时实现部分还原的工艺，是在烧机上将碳基料加入有一定粒度的烧结料中，在烧成时施行部分性还原的方法。

高炉内主要靠气体还原铁矿石，所以通常受到气体还原平衡的制约，但在本方法中，因为依靠加入烧结料中的碳基料进行没有平衡制约的固体还原，产生的气体再以热的形式加以利用，故而所需碳基料可以减少。

因此，预还原过的烧结矿装入高炉后，高炉可以大大减小还原剂比，炼铁工序整体的耗碳量就减少。

按70%的还原率考虑，整个炼铁工序的耗碳量大约可以减少10%以上。

另外，在焦炭含有金属铁的情况下，借助焦炭的高反应性，可将热保存带温度降低1 00℃，高炉还原剂比就将降低300kg／t。

再者，涉及到有关氧化铁和碳基料的接触强化问题，那么宏观性的方法是最近在高炉上实行的混合装入法，而含碳基料的块矿等则可视为微观上的接触强化的方法，其研究开发工作都在进展之中。

2.8依靠高炉工艺发展系统减排CO2的可能性从未来的观点出发，以谋求增进高炉功能的氧气高炉(无氮高炉)为对象来探讨CO2减排。

氧气高炉不是从风口鼓送热风，而是送入无氮的冷冻氧的工艺，能够大幅度提高生产率，同时容易借助喷吹大量的煤粉而实现低焦比操作。

氧气高炉在国际上也有一些研究的例子，但都停留在脱离实际的讨论阶段。

通过模拟计算，对比了基于有代表性的各种操作因素的现行高炉、氧气高炉、熔融还原(DIOS)过程中需要输入的碳量。

结果表明，对氧气高炉来说，虽然也有由于生产率提高而导致热损失减少、低温还原等优点，但因大量供氧使得所需电能增加，总之与现行高炉差别不大。

熔融还原工艺也基本相同，要达到与熔融还原法的性能有关的高二次燃烧率也存在技术上的限制。

关键是按照降低氧能耗量，并有效地利用发生的气体，将周边社会纳入的整个系统来进行评价。

可以推断，氧气高炉发生的气体不含N2，因而分离CO2比现行高炉容易。

当将来能够在工艺规模上应用CO2分离技术的时候，针对大幅度减排CO2可以考虑各种各样的方式。

以氧气高炉为基础加上分离CO2的工艺方式，可以把高炉炉顶煤气中未予利用的CO再用作高炉的碳源，可大量减少输入碳量。

在这类工艺中，对炼铁工序投入的碳与对下道工序的供能量有关。

如上述所述，通过分离CO2而循环利用未利用的CO，可望减排大约15%的CO2。

但是，这里没有将预热循环煤气的补加能量考虑在内。

应该注意到，供给下道工序的能量是减少的。

因而，此类方式是以实现下道工序的节能和输入补充用廉价的氢系能源为前提的。

只要具备这些条件，这类方式就有可能作为将来大幅度减排CO2的可选工艺。

在欧洲，ULCOS(超低二氧化碳炼钢工艺)的研究课题正在进行之中。

这是欧洲14个国家的48个企业、研究机构参加的、在欧盟支持下由欧洲单独推进的课题。

从长远的观点出发，到2050年减少50%的CO2为目标，自2000年开始基础研究。

以ULCOS研究课题为核心的新高炉几乎符合上述氧气高炉加上CO2分离工艺的概念。

据计算预测，减排CO2大约会达到25%，再考虑到可大量利用生物质能，将总体目标定为减排50%。

该研究项目所涉及的一些技术包括高炉炉顶煤气在脱碳之后的重新利用、CO2的捕集与贮藏、电解、氢的利用等等。

在经历第一阶段的5年之后，将会选择一种或更多种的方法再进行为期5年的工业化试验，以检验其技术和经济性能，随后才投放商业性应用。

作为面向未来的准备工作，欧洲正在进行各式各样的研究开发。