日本和欧洲炼铁领域二氧化碳减排技术进展

随着《京都议定书》于2005年2月16日正式生效，其对各发达国家的二氧化碳等6种温室气体的排放量有了一定的指标要求，即到2010年温室气体排放量要比1990年减少5.2%。中国是《京都议定书》的签约国之一，按照协定要求，中国属于发展中国家，只在2012年后承担温室气体减排的责任。

但是近年来，二氧化碳减排问题已不容忽视。国内外先进钢铁企业已把二氧化碳减排研究提上重要日程。关注该技术研究的发展并加以借鉴，对企业的可持续发展具有重要意义。炼铁工序是钢铁企业二氧化碳减排应考虑的重点，单就高炉炼铁消耗这一环节，二氧化碳排放量占整个钢铁业的53.0%，吨铁二氧化碳排放量为1.3吨，吨钢二氧化碳排放量为2.3吨。近年来，日本和欧洲钢铁业对二氧化碳减排的研究有较大进展。

概括起来，炼铁领域关于二氧化碳减排的研究方向主要有两个：一是减少所需碳量，二是减少对碳的依赖。前者需要在现有高炉生产的基础上，进一步降低还原比（焦比和燃料比），后者需要开辟另外不含碳或者含碳少的还原剂。新的还原剂包括天然气和废塑料等。因为煤炭是一种二氧化碳排放量高的燃料，消耗每吨煤炭的二氧化碳排放量为0.7吨，而天然气和塑料排放的二氧化碳较少，消耗每吨天然气的二氧化碳排放量为0.39吨。

日本：降低还原剂比利用废塑料炼焦

在钢铁联合企业内，碳一般以煤炭形式输入，在炼铁工序炼制成焦炭，作为还原剂和热源被消耗，还有一小部分作为煤粉喷吹进入高炉。焦炉、高炉产生的煤气则作为能源供应给发电厂、制氧厂及钢铁下游工序加热炉。所以日本在考虑二氧化碳减排时，首先考虑减少上游工序的碳消耗量，即减少炼铁过程在还原、热源上的消耗量，也就是减少还原剂比；第二步是考虑利用天然气等氢系还原剂，以及废塑料的再循环利用。总体上是两个方向，既要减少所需碳量，又要减少对碳的依赖。

1.降低还原剂比

面对高炉用原燃料资源的严峻形势，日本高炉的操作策略目前已经转为低还原剂比操作。降低还原剂比的措施之一是提高高炉操作效率，包括基于传统炼铁的操作改进技术和不同于传统炼铁的新一代高炉技术。

日本提高高炉操作效率的典型措施是低还原剂比条件下保持高炉稳定操作的技术，其中最重要的一项是在高炉使用廉价原料条件下对高炉炉顶的布料控制。以此为基础，JFE开发了布料控制最优化的装料设备，建立了与原料质量相对应的最佳控制系统。例如，由于使用廉价原燃料，在烧结矿RDI（还原粉化率）升高和RI（还原度）降低的情况下，既要抑制边缘煤气流（为降低还原剂比），又要保持一定的边缘煤气流（保证透气性）的布料控制技术。这其中，一种是可以定量评价布料控制的数模和三罐并联无料钟炉顶设备。该设备可以非常精确地控制布料，目前已用于仓敷制铁所2号、3号、4号高炉和福山制铁所4号、5号高炉。另一种是SMART无料钟炉顶，目前已用于JFE东日本厂千叶区6号高炉。该装置使用了更先进的布料控制系统，可以进行高混合比装料，使焦炭和矿石同时进入高炉，以利于高炉在低还原剂比操作时改善软融带的透气性。

日本新一代高炉技术研究的目的主要有两个，一是大幅降低能耗，二是减少二氧化碳排放量。目前主要涉及的技术有高反应性焦炭技术和含碳热压球团技术。日本新一代高炉所使用的高反应性焦炭不同于传统焦炭，它是在通过添加催化剂提高焦炭反应性的同时保证其强度不下降，即反应性和强度都比较高的焦炭。使用高反应性焦炭可以降低焦炭的反应开始温度，由此可以控制高炉的储热带温度和还原平衡点，使高炉炉身温度得到降低，从而起到节能的作用。同时，使用高反应性焦炭可以有效改善炉内反应效率，又有降低还原剂比和减少二氧化碳排放的作用。根据高温热平衡带温度及其对应温度下的炉身效率值，对还原剂比的减少量进行了计算。计算结果表明，与使用普通焦炭时的基准（还原剂比480千克/吨）相比，使用高反应性焦炭后，还原剂比可减少20～30千克/吨。通过与烧结矿结合使用，可进一步改善炉身效率，有望进一步把还原剂比减少10千克/吨左右。

新日铁通过在配煤中添加高钙煤的方法，成功生产出既提高反应性又保证强度的焦炭。把这些高反应性焦炭在室兰制铁所2号高炉试验了3个月。试验期间，高炉利用系数从1.89吨/立方米·天提高到2.08吨/立方米·天，喷煤比从146千克/吨提高到154千克/吨。为了更好地控制储热带温度，还开发了热压含碳球团，以降低高炉储热区温度。试验证明，降幅约为150摄氏度。含碳热压球团是不使用黏结剂，而是借助煤的热塑性使铁矿粉和煤粉黏结成块的技术。制作时，将约22%的煤和约78%的铁矿粉的混合物加热到350摄氏度～600摄氏度，借助煤熔化而加压成形，热压块呈椭圆形。在热压球团中，铁矿粉与含碳物料都被破碎成大约40μm左右。

有关方面研究了含碳热压球团应用于高炉的可行性，使用多流体数模进行了详细的模拟解析和技术可行性分析。结果表明，使用含碳热压球团可导致炉内温度降低。含碳热压球团使用比例达30%时，储热带（热空区）温降约为200摄氏度。同时，高炉产量增加，焦比显著降低，热利用效率明显提高，操作性得到了改善。高炉生铁产量有望增加6.7%，渣量将减少7.7%，焦比减少106千克/吨，吨铁能耗可降低6.4%。但含碳热压球团的清洁生产技术尚未解决。

预还原烧结矿是另一种降低高炉还原剂比，并利于二氧化碳减排的技术措施。高炉使用预还原烧结矿，可大大减少还原剂比，是炼铁工序的碳耗总量减少。如果烧结矿预还原率为70%，整个炼铁工序的耗碳量可减少约10%以上。

针对现有铁矿资源，为降低高炉还原剂比而开发的强化制粒等技术已经进行了工业应用。目前，烧结涂层制粒技术，已经在JFE的2台烧结机上应用。高炉使用涂层制粒烧结技术生产的烧结矿，使还原剂比降低1.4%，利用系数提高1.0%。

2.废塑料在炼铁领域的利用

由于日本政府对利用废塑料有补贴等鼓励政策，日本钢铁公司新日铁、JFE等都对废塑料的有效利用进行了积极研究。JFE在京滨制铁所和福山制铁所的高炉都实施了废塑料喷吹，2002年两个厂共喷吹废塑料11万吨。神户制钢学习JFE经验在加古川制铁所高炉喷吹废塑料，2002年达1万吨以上。JFE开发了将聚氯乙烯以外的容器包装塑料等用作高炉原料进行再利用的技术后，在东日本京滨制铁所建的聚氯乙烯处理装置已于2004年5月投产，当年再生利用废塑料3000吨左右。目前，JFE有3座高炉（京滨2号、福山3号和4号高炉）安装了喷吹塑料设施，并把该技术加以实施，总处理能力达12.7万吨/年。

新日铁在废塑料的回收利用上，通过试验证实了废塑料配煤在炼焦工业应用的可行性。最初采用了在炼焦煤中掺入1%的废塑料的方式。试验发现，废塑料的能量利用率可达94%，且含氯废塑料的限用量也可以比高炉喷吹高。2000年，在君津制铁所和名古屋制铁所各建成4万吨/年的规模与处理装置后开始应用；接着又于2002年年初在八幡制铁所和室兰制铁所各建成2万吨/年的规模与处理装置，2002年总计用废塑料12万吨。试验同时发现，废塑料在焦煤中的配比可扩大到2%，故2003年废塑料的使用量约达15万吨。目前，除大分制铁所新建处理设备外，各厂都在提高设备的处理能力。

欧洲：高炉炉顶煤气循环技术有新突破

1.二氧化碳减排研究概况

欧洲钢铁业为了降低二氧化碳排放，于2004年成立了ULCOS（超低二氧化碳炼钢）协会，该协会囊括了14个欧洲国家的48个企业和相关机构，由安赛乐米塔尔领导和协调，克鲁斯、蒂森克虏伯、奥钢联等核心成员管理。ULCOS项目旨在开发突破性的钢铁工艺。项目研究包括了从基础性到可行性以及最终的工业化研究，计划到2020年全面实现工业化，预计可使二氧化碳最终减排50%。

ULCOS项目的选择包括以下几个步骤：首先，对所有可能减排二氧化碳的潜在技术进行分析，然后对最有前景的的技术，以成本和技术可行性为基础进行选择，对是否可以达到工业示范性生产水平进行评价，最后，进行大规模工业化应用。

有关方面对不同方案进行了分析。第一种是基于二氧化碳的不急于分离利用技术。关于二氧化碳的捕集，PSA、深冷技术等已是钢铁厂采用的成熟和优化的技术。因此认为高炉炉顶煤气循环是比较符合要求的技术。第二种是天然气中大量氢气的利用技术，但天然气的来源与成本是个问题。第三种是氢的生产和有效利用的突破性技术，从长期来看，这是一项很有前景的技术。第四种是铁矿的电解冶炼技术，该方法的缺点是用电量大。但从未来的发展来看，无碳能源可能会比碳基能源占优势。这样，在可获得廉价电力的地区，电解冶炼法也许会有发展机会。需要通过研发以设计有效工艺，以满足钢铁大规模生产的要求。另外，电解法要求的无碳能源只有核电站才能提供。第五种是有机生物能量的使用，评价了欧洲大高炉使用木炭的可行性。碎木炭粉可作为喷吹物从高炉风口喷进去。此外，甚至认为农业相关的固体废弃物都可以转化为燃料和气体进行利用。

通过对比分解，确立了ULCOS项目当前的核心课题，即循环利用炉顶煤气的新型高炉技术。据计算预测，该技术可减排二氧化碳量大约25%。再加上可大量利用的木炭等生物能量，总计可望达到减排50%的目标。

2.高炉炉顶煤气循环技术

高炉采用炉顶煤气循环技术的过程中，铁矿的还原全部由上部交换装置的煤气（温度低于900摄氏度）来完成。这样不会发生高温下由于直接还原发展导致的碳消耗增加的现象。为了使铁矿石充分还原，必须把大量还原气体喷进炉身下部。脱碳后的炉顶煤气含有大量的一氧化碳和氢气，在加热到900摄氏度后，喷进高炉炉身下部。

为了满足上部气固反应装置的热力学和动力学要求，循环的煤气量是一定的。为了避免氮气累积，风口用冷态氧气和循环煤气代替空气，以促进燃烧。高炉所需的热量可以通过煤在冷态氧中燃烧来提供，或者通过等离子加热器来供热，在使用等离子情况下，不再需要额外的氧气或者煤。

假设在风口燃烧的焦炭量与传统高炉相同，估计焦比为192千克/吨，煤比为180千克/吨。须对两个关键词进行可行性分析，即喷进炉身的煤气的适当渗透和分布以及实现铁矿全部还原所需条件。在炉腹区喷吹经过脱碳的炉顶煤气的工艺将在LKAB的中试炉（直径1.2米）上进行研究。主要目的是研究炉顶煤气循环高炉工艺以及闭环操作的可行性。由于炉子太小，不能对所喷煤气的渗透和分布规律进行研究，这需在安赛乐米塔尔Eisenhuttenstadt（直径7.1米）工业高炉上进行。中试和工业试验都在2007年进行。实际上，已经于上世纪70年代在Seraing高炉（炉缸直径为直径4.6米）对高炉炉腹喷吹还原气体上进行了研究。通过探针和取样发现，喷入的还原气体的渗透和与过程气体的混合是很高效的。喷吹气体与焦炭的置换比为0.25至0.35千克焦/立方米，与理论值较为吻合。

结论

炼铁是钢铁企业减少二氧化碳排放的重要研究领域，日本和欧洲在这方面已开始了研究。其中，欧洲目前研究的焦点是新型无氮气高炉，即高炉煤气的循环利用技术。日本研究的着眼点较多，取得了较多进展。其中，已获工业应用的有涂层制粒烧结技术和高炉炉顶新型布料技术；正处于研发阶段的有集节能与环保于一身的新一代高炉技术和预还原烧结矿技术。（来源：摘自《WorldIron&Steel》）