1 采用高爐新工藝減少CO2排放

目前，高爐采取熱風(fēng)熱送，熱風(fēng)中的氮起熱傳遞的作用，但對(duì)還原不起作用。氧氣高爐煉鐵工藝是從風(fēng)口吹入冷氧氣，隨著還原氣體濃度的升高，能夠提高高爐的還原功能。由于氣體單耗的下降和還原速度的提高，因此如果產(chǎn)量一定，高爐內(nèi)容積就可比目前高爐減小1/3，還有助于緩解原料強(qiáng)度等條件的制約。

國外進(jìn)行了一些氧氣高爐煉鐵的試驗(yàn)，但都停留在理論研究。日本已采用試驗(yàn)高爐進(jìn)行了高爐吹氧煉鐵實(shí)驗(yàn)和在實(shí)際高爐進(jìn)行氧氣燃燒器的燃燒實(shí)驗(yàn)。大量的制氧會(huì)增加電耗，這也是一個(gè)需要研究的課題。但是，由于爐頂氣體中的氮是游離氮，有助于高爐內(nèi)氣體的循環(huán)，且由于氣體量少、CO2分壓高，因此CO2的分離比目前的高爐容易。將來在可進(jìn)行工業(yè)規(guī)模CO2分離的情況下，可以大幅度減少CO2的排放。如果能開發(fā)出能源效率比目前的深冷分離更好的制氧方法，將會(huì)得到更高的好評(píng)。

對(duì)氧氣高爐煉鐵工藝、以氧氣高爐為基礎(chǔ)再加上CO2分離及爐頂氣體循環(huán)的煉鐵工藝進(jìn)行了比較。兩種工藝都噴吹大量的粉煤作為輔助還原劑。由于高爐上部沒有起熱傳遞作用的氮，熱量不足，因此要噴吹循環(huán)氣體。以氧氣高爐為基礎(chǔ)再加上CO2分離及爐頂氣體循環(huán)的煉鐵工藝，在去除高爐爐頂氣體中的CO2后，再將其從爐身上部或風(fēng)口吹入，可提高還原能力。對(duì)未利用的還原氣體進(jìn)行再利用，可大幅度削減輸入碳的量，可大幅度減少CO2排放。高爐內(nèi)的還原變化，可分為CO氣體還原、氫還原和固體碳的直接還原，在普通高爐中它們的還原率分別為60%、10%和30%。如果對(duì)爐頂氣體進(jìn)行CO2分離，并循環(huán)利用CO氣體，就能提高氣體的還原功能，使直接還原比率降至10%左右，從而降低還原劑比。

為降低焦比，在外部制造還原氣體再吹入高爐內(nèi)的想法很早就有，日本從20世紀(jì)70年代就進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，主要有FTG法和NKG法。前者是通過重油的部分氧化制造還原氣體再從高爐爐身上部吹入;后者是用高爐爐頂煤氣中的CO2對(duì)焦?fàn)t煤氣中的甲烷進(jìn)行改質(zhì)后作為高溫還原氣體吹入高爐。這些工藝技術(shù)的原本目的就是要大幅度降低焦比，它們與爐頂煤氣循環(huán)在技術(shù)方面有許多共同點(diǎn)和參考之處。已對(duì)高爐內(nèi)煤氣的滲透進(jìn)行了廣泛的研究，如模型計(jì)算和爐身煤氣噴吹等。

在以氧氣高爐外加CO2分離并進(jìn)行爐頂煤氣循環(huán)工藝為基礎(chǔ)的整個(gè)煉鐵廠的CO2產(chǎn)生量中，根據(jù)模型計(jì)算可知利用爐頂煤氣循環(huán)可將高爐還原劑比降到434kg/t。由于不需要熱風(fēng)爐，因此可減少該工序產(chǎn)生的CO2。但另一方面，由于制氧消耗的電力會(huì)使電廠增加CO2的產(chǎn)生量。總的來說，可以減少CO2排放9%。如果在制氧過程中能使用外部產(chǎn)生的清潔能源，削減CO2的效果會(huì)進(jìn)一步增大。

這些技術(shù)的發(fā)展趨勢因循環(huán)煤氣量的分配和供給下道工序能源設(shè)定的不同而不同，其中還包括了其它的條件。

采用模擬模型求出的CO2削減率的變化。

上部基準(zhǔn)線為輸入碳的削減率。如果能排除因CO2分離而固定的CO2，作為出口側(cè)基準(zhǔn)線的CO2就能減少大約50%。也就是說，如果能從單純的CO2分離向CO2的輸送、存貯和固定進(jìn)行展開，就能大幅度削減CO2。但是，為同時(shí)減少供給下道工序的能源，因此同時(shí)對(duì)下道工序進(jìn)行節(jié)能是很重要的。在一般煉鐵廠的下道工序中需要0.8-1.0Gcal/t的能源，在考慮補(bǔ)充能源的情況下，最好使用與碳無關(guān)的能源。如果能忽略供給下道工序的能源，最大限度地使用生產(chǎn)中所產(chǎn)生的氣體，如爐頂煤氣的循環(huán)利用等，就可以減少大約25%的輸入碳。這相當(dāng)于歐洲ULCOS的新型高爐(NBF)的目標(biāo)。

2 爐頂煤氣循環(huán)利用和氫氣利用的評(píng)價(jià)

為減少CO2排放，日本政府正在積極推進(jìn)COURSE50項(xiàng)目。所謂COURSE50項(xiàng)目就是通過采用創(chuàng)新技術(shù)減少CO2排放，并分離、回收CO2，50指目標(biāo)年是2050年。

爐頂煤氣循環(huán)利用和氫氣利用的工藝是由對(duì)焦?fàn)t煤氣中的甲烷進(jìn)行水蒸汽改質(zhì)、使氫增加并利用這種氫進(jìn)行還原的方法和從高爐爐頂煤氣中分離CO2再將爐頂煤氣循環(huán)利用于高爐的工藝構(gòu)成。在利用氫時(shí)由于制氫需要消耗很多的能源，因此總的工藝評(píng)價(jià)產(chǎn)生了問題，但該工藝能通過利用焦?fàn)t煤氣的顯熱來補(bǔ)充水蒸汽改質(zhì)所需的熱能。計(jì)算結(jié)果表明，由于CO2的分離、固定和氫的利用，高爐煉鐵可減少CO2排放30%。氫還原的優(yōu)點(diǎn)是還原速度快。但由于氫還原是吸熱反應(yīng)，與CO還原不同，因此必須注意氫還原擴(kuò)大時(shí)高爐上部的熱平衡。根據(jù)理查德圖對(duì)從風(fēng)口噴吹氫時(shí)的熱平衡進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果可知，當(dāng)從風(fēng)口噴吹的氫還原率比普通操作倍增時(shí)，由于氫還原的吸熱反應(yīng)和風(fēng)口回旋區(qū)溫度保障需要而要求富氧鼓風(fēng)的影響，高爐上部氣體的供給熱能和固體側(cè)所需的熱能沒有多余，接近熱能移動(dòng)的操作極限，因此難以大量利用氫。如果高爐具備還原氣體的制造功能，并能使用天然氣或焦?fàn)t煤氣等氫系氣體，那么利用氣體中的C成分就能達(dá)到熱平衡，還能分享到氫還原的好處。在各種氣體中，天然氣是最好的氣體。在一面從外部補(bǔ)充熱能，一面制氫的工藝研究中還包含了優(yōu)化噴吹量和優(yōu)化噴吹位置等課題。

高爐內(nèi)的還原可分為CO氣體間接還原、氫還原和直接還原，根據(jù)其還原的分配比可以明確還原平衡控制、爐頂煤氣循環(huán)或氫還原強(qiáng)化的方向。根據(jù)模型計(jì)算可知，在普通高爐基本條件下，CO間接還原為62%、氫還原為11%、直接還原為27%。

在氧氣高爐的基礎(chǔ)上對(duì)爐頂煤氣進(jìn)行CO2分離，由此可提高返回高爐內(nèi)的CO氣體的還原能力，此時(shí)雖然CO氣體的還原能力會(huì)因循環(huán)氣體量分配的不同而不同，但CO還原會(huì)提高到大約80%，直接還原會(huì)下降到10%以下。根據(jù)噴吹的氫系氣體如COG、天然氣和氫的計(jì)算結(jié)果可知，在氫還原加強(qiáng)的情況下，會(huì)出現(xiàn)氫還原增加、直接還原下降的情況。另一方面，循環(huán)氣體的上下運(yùn)動(dòng)會(huì)使輸入碳減少，實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵的目標(biāo)。另外，當(dāng)還原氣體都是從爐身部吹入時(shí)，其在爐內(nèi)的浸透和擴(kuò)散會(huì)影響到還原效果。根據(jù)模型計(jì)算可知，氣體的滲透受動(dòng)量平衡的控制。采用CH4對(duì)CO2進(jìn)行改質(zhì)，并以爐頂煤氣中的CO2作為改質(zhì)源，還原氣體的性狀不會(huì)偏向氫。