低碳经济已成为全球关注的焦点.doc

对钢铁工业推进低碳炼铁的几点建议低碳经济已成为全球关注的焦点。低碳经济是按“减量化” 的经济发展模式为基础，降低资源消耗、能源消耗，减少污染、减少排放，特别是要降低消耗化石能源，排放大量二氧化碳的生产方式。我国政府已经承诺到2020年单位GDP的二氧化碳排放量比2005年下降40%45%。钢铁工业是主要温室气体排放、高污染的产业。我国钢铁工业占全国CO2排放总量12%左右，炼铁系统接近钢铁生产排放量的90%，高炉炼铁占70%以上。目前，我国生铁产量已经超过世界生铁总产量60%以上，占世界炼铁工业CO2排放量70%左右。因此，炼铁工序的减排任务艰巨，责任重大。要使钢铁工业符合低碳经济的要求必须从炼铁做起。 由于我国生铁从供不应求的状态，刚刚进入产能过剩、成本压力的环境。过去以产量为中心的思想初步受到了冲击，如何适应新的环境必须进行思想、观念的转变，决不是改头换面所能完成的任务。为此，本文提出如下实施建议。1. 低碳炼铁是炼铁技术发展的主导方向炼铁界应该围绕低碳炼铁转变发展模式。当前应抓紧时机转变冶炼思想。笔者认为高炉炼铁以精料为基础，高效、优质、低耗、长寿、环保的“十字”方针符合低碳炼铁的要求，应该更好的贯彻。 在当前高炉产能过剩、实现低碳炼铁的情况下，主要应该转变指导思想：（1） 应全面理解和贯彻炼铁的“十字”方针，正确理解“高效”的内涵。“高效”应该是高效利用资源、高效利用能源、高效利用设备。高效利用设备也还包括延长和提高设备的利用率，而不是单纯地提高强化程度。（2） 实行“减量化”生产。“减量化”的经济模式不是减少生铁的产量，而是在满足需求的情况下，降低单位生铁产品的资源消耗和能源消耗。由于当前炼铁产能大于需求，炼铁工业应该淘汰那些资源、能源消耗高的产能，结构调整也应把低碳炼铁作为基本出发点。（3） 更好地利用铁水冶炼高质量、高附加值的钢。铁水可以熔炼高质量的钢，一吨高质量的钢可以顶几吨低级钢，是低碳钢铁工业的发展方向。（4） 降低化石燃料的消耗，包括降低由化石燃料产生的二次能源消耗。（5） 应以降低化石燃料的消耗为重要标准，研究炼铁技术道德发展方向。（6） 应以低碳为目标，调整炼铁生产的考核指标体系。2. 处理好高炉强化与降低燃料比的关系采用炉腹煤气量指数来衡量强化程度比较合理、科学，反映了高炉过程的本质。用炉腹煤气量指数改变了过去高炉强化的概念。过去认为高炉强化的程度取决于其燃烧焦炭的能力，取决于鼓风的强度，这就造成了偏向，导致我国燃料比长期落后的局面。 在新编国家标准高炉炼铁工艺设计规范GB50427-2008（以下简称规范）以及冶金工业部行业标准高炉炼铁工艺设计规范YB 9057-93（以下简称规定）都没有采用冶炼强度作为指标。 特别是编制规范时，在科学发展观指导下研究了从原苏联引进的冶炼强度带来的不良影响，总结了过去50多年关于高冶炼强度与合适冶炼强度两派的争论。实际上，冶炼强度是高炉燃烧燃料的量化指标。高冶炼强度派主张高炉越多燃烧料越好，更无视过高冶炼强度将导致燃料比升高的恶果，严重违反低碳炼铁的理念，导致我国炼铁燃料消耗长期落后的结果。由于高炉容积、原燃料条件、富氧率、炉顶压力不同，各个高炉有不同的合适冶炼强度。很难把冶炼强度与燃料比进行量化，确定统一的合适冶炼强度标准。50年代中等冶炼强度派受到批判就是小高炉与大高炉之间争论引发的。 笔者提出的炉腹煤气量指数就是在高炉炉缸断面上炉内煤气的空塔流速。炉内煤气流速的概念明确，使影响的因素显现化。采用炉腹煤气量指数有以下优点：（1） 高炉冶炼过程的顺利进行就是在取得各种矛盾的统一，以及正确处理主要矛盾的结果。对于高炉的强化，主要是高炉炉内炉料下降运动与煤气流上升运动之间的矛盾。根据高炉的透气阻力，用高炉通过煤气的能力炉腹没气量指数来定量描述强化程度比冶炼强度更科学，更符合冶炼规律。 高炉内允许的煤气流速是客观存在，不可能主观臆断，随意提高。提高透气能力需要提供必要条件作为支撑。（2） 冶炼单位生铁的煤气量越小，生产的生铁越多，高炉的利用系数就越高。为了减少冶炼单位生铁的炉腹没气量，就必须降低燃料比。这就符合低碳炼铁、节约焦煤、节约能源和“高效”运行的要求。采用降低燃料比、提高炉顶压力、富氧能够有效提高利用系数。（3） 高炉能够通过的煤气量取决于炉料的透气性。显然，炉料的空隙率越大，煤气流速低，炉料对煤气的阻力越小，能够通过的煤气空塔流速越大，体现了高炉应以精料为基础的重要性。 当提高炉腹煤气量指数时，透气阻力系数也会升高，两者是保持高炉顺行的重要参数。宝钢3号高炉炉容4350m3,1999年至2009年11年间高炉平均高炉容积利用系数为2.417t/(m3.d),炉缸面积利用系数为68.29t/(m2.d),燃料比495.0kg/t,焦比281.8kg/t，煤比197.6kg/t,小块焦15.6kg/t,风温12A4.0，炉顶压力236.2kpa,透气阻力系数2.55。现以这个时期的高炉利用系数、透气阻力系数K和炉腹煤气量指数BG的月平均操作数据为例进行说明，并低碳炼铁节能减排实现清洁生产防止地球变暖，减少温室气体排放是当今全球热议的话题。据估算，全球工业温室气体排放量占全球总排放量的21%左右，其中钢铁工业又占其中的15%，也就是钢铁工业温室气体排放量约占全球排放量的3%5%。所以说钢铁工业减少温室气体排放的行动备受各方关注。2009年，我国生铁产量达5.4亿t，占世界生铁产量的60%以上，而且我国生铁生产主要以高炉流程为主，这表明，我国钢铁工业CO2排放量占世界钢铁工业CO2排放总量的一半以上。就国内而言，钢铁工业CO2排放量占全国CO2排放量的11%左右。高炉炼铁工序是钢铁生产中CO2的主要排放工序，因此降低炼铁工序CO2排放量，即低碳炼铁是钢铁工业减少CO2排放量的重中之重。5月26日28日，在以“低碳炼铁、节能减排、实现清洁生产”为主题的2010年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会上，来自各钢铁企业、研究院所的炼铁工作者紧紧围绕这一主题，为如何实现炼铁系统的低碳生产、节能减排建言献策。精料技术精料是高炉实现高产、低耗、优质的重要物质基础。有研究表明，精料技术水平对高炉炼铁技术经济指标的影响率为70%，因此高炉炼铁炉料一定要做好“高、熟、稳、均、小、净、少、好”这八字方针，即：入炉矿含铁品位要高，烧结、球团、焦炭的转鼓指数要高，烧结矿的碱度要高；使用熟料，把铁精粉加工成烧结矿或球团矿；入炉原燃料的化学成分和物理性能要稳定，波动范围尽量小；入炉料粒度要均匀；高炉使用的炉料粒度要偏小；炼铁加入炉料的小于5mm粒度的粉末要筛除；入炉料中有害杂质含量要少；铁矿石的冶金性能要好。可以说精料技术是炼铁节能减排的基础性措施，能使炼铁生产稳定，利用系数提高，燃料消耗降低。此外，通过优化炉料结构也能够实现节能减排的目的，如提高高品位球团矿的配比。因为球团矿生产的能耗比烧结矿要低得多，多使用球团可实现炼铁系统结构节能，而且对环境污染少。合理喷煤高炉喷吹煤粉是改善炼铁用能结构，优化高炉生产，推进炼铁工序节能减排的重要手段之一。焦化的工序能耗为122kgce/t，而喷吹煤粉的工序能耗约为27kgce/t。按喷吹1t煤粉置换0.85t焦炭计算，喷吹煤粉200kg/t，可降低炼铁系统工序能耗23.75kgce/t。因此以价格较低的煤粉部分替代价格昂贵且日益缺乏的冶金焦炭，可以使高炉焦比降低，生铁成本下降，而且焦炭用量的减少，还能降低炼焦生产过程对环境的污染。此外，多喷煤还有利于高炉低硅冶炼，而高炉低硅冶炼可进一步降低能耗，促进高炉节能减排。研究与统计表明，高炉高焦比冶炼时，高的理论燃烧温度和高焦比促进了SiO2的生成，最终导致高炉铁水中Si含量偏高。铁水中Si含量每降低0.1，吨铁将节能20.9MJ，相当于降低焦比4kg6kg。高炉实施风口喷煤后，降低了理论燃烧温度，相应降低了铁水中Si含量，从而降低了吨铁能耗，有利于低硅冶炼。再有，通过优化煤种匹配，喷吹挥发分较低的煤种，调节入炉煤的总挥发分含量，减少炉腹煤气量，也有利于提高喷煤率，从而可进一步降低能耗，促进高炉节能减排。高炉大型化在钢铁产业发展政策颁布后，我国高炉大型化的进程明显加快。大型化高炉具有单位投资省、效能高和成本低等特点，而且便于生产组织和管理、减少污染点、污染易于集中治理，有利于环保等优势。高炉大型化是炼铁技术发展的必然趋势，但是大型高炉对原燃料条件提出了更高的要求，而且大高炉一定要长寿，这样才能实现高效低成本。况且，高炉大型化作为一项系统工程，仍需匹配合理的炼钢、烧结和炼焦等工序。因此有专家指出，我国钢铁企业在走高炉大型化发展的道路上，要依据自身具备的技术、设备、资源条件和钢铁流程的综合平衡状况进行选择性定位。只有建成符合企业自身条件的大型化高炉，才能真正实现“优质、高效、稳定和长寿”的目标。创新性技术在本次炼铁大会上，国内外正在研发之中的创新性炼铁技术也非常引人关注。高炉炉顶煤气循环利用技术就被认为非常有发展前途。欧盟的超低二氧化碳炼钢技术（ULCOS）项目中的TGRBF炉顶煤气循环技术，将高炉煤气中的CO2和CO分离，富含CO部分煤气返回高炉重新用作还原剂，以降低焦耗；富含CO2部分的煤气在清洁和加压之后，将CO2存储起来。这既解决了高炉煤气的高效利用问题，又实现了CO2的减排。如果加上捕集与封存的CO2，该技术可减少50%以上的CO2排放量。再有，日本正在研究高炉使用预还原烧结矿技术，即铁矿在烧结机上就发生部分预还原的技术。由于烧结矿在烧结机上进行的预还原属于还原剂对铁矿粉的直接还原，从而减少了高炉中发生的间接还原，所以可降低铁矿还原所用的燃料。此外，高炉喷吹含氢物质，强化氢还原也是当今研究的热点。高炉喷吹含氢物质主要基于以下考虑：首先，无论从热力学还是从动力学条件上，高温下H2作为铁氧化物的还原剂比CO更具优势；其次，氢还原的气态产物是水蒸汽而不是CO2，故喷吹含氢物质可减少高炉CO2的产生量，有效解决温室气体CO2的排放问题。有专家认为，考虑到经济成本和安全性等方面，高炉不宜直接喷吹氢气，而是富氢介质，包括天然气、焦炉煤气、废弃塑料等。高炉长寿、高效的运行离不开耐火材料。在本次大会上，联合荣大集团介绍了其高炉用耐火材料的最新进展，包括快烘防爆铁沟浇注料与单铁口高炉铁沟储铁式改造情况；高炉内衬湿法喷涂造衬技术和预挂渣皮的高炉冷却壁等。另外，为摆脱钢铁生产对焦煤的依赖，非高炉炼铁即非焦炼铁也是炼铁工作者间讨论的热门话题。在本次炼铁大会上，有专家学者对Corex、Finex、ITmk3、Hismelt、煤制气-竖炉等非高炉炼铁工艺进行了比较分析。考虑到国外技术在我国的适应性，技术引进中受到的制约，有专家呼吁，我国应该开发适应我国资源、装备、技术条件，有自主产权的非高炉炼铁技术。未来高炉实现低碳炼铁展望1 前言 当前抑制地球变暖的焦点已转向2020温室气体中期减排目标的设定和在2050年CO2类温室气体减排50以上目标的确立。钢铁业对地球变暖的影响较大，加之是日本的主要产业，因而社会关注度高。日本钢铁业的技术开发卓有成效而使其技术水平处于世界前列，现在又迎来了技术开发的新机遇。 然而，抑制地球变暖的研究开发也应考虑与包含自然界的社会整体的匹配性、资源能源的有效利用及经济合理性，以便从根本上认定研发方向。现在，计量钢铁产品和工艺价值的尺度一直在变化。为了抑制地球变暖，本文针对最关键的炼铁领域概括了未来应考虑的技术课题，研究了新的可能性及包含海外在内的技术动向，特别对高炉炼铁向低碳脱碳方向的发展进行了展望。 2 碳的利用现状和未来CO2减排方向 2.1 碳利用现状 钢铁生产工艺主要是将碳作为热源和还原材，因所需碳量与钢铁生产成本和效率有关，故业界长时间对碳的削减和有效利用进行了研究。向炼铁厂输送的碳最终作为CO2排放，高炉的还原材比与产生的CO2密切相关，故将高炉还原材比作为指标，可以把握最近数十年炼铁厂排放CO2的大致动向。最新统计表明，在主要产钢国家和地区，日、韩、德、EU15、南美等地的还原材比为500kg/t铁左右，中、印、俄等国甚至达到600kg/t铁以上，世界平均水平约为500kg/t铁。 在资源和能源都短缺的日本，在减少钢铁生产所需碳材的同时，还引进了多种节能技术，如CDQ、高炉顶压发电等的普及率都达世界顶级水平，使钢铁生产能源利用效率达到世界最高水平。因此，促进日本向海外转移CO2减排技术，并构建有实效性的CO2减排规则是很有必要的。 2.2 钢铁联合企业CO2排放结构 钢铁联合企业将大量的煤等化石燃料作为还原材和热源而用于炼铁工序，同时又将产生的煤气作为供给下游工序的能源。因此，输入碳X=Y+Z+P+Q，其中Y为炼铁工序的碳排量，Z为焦油类副产品中的碳量，P和Q分别为电站和下游工序的碳排量。高炉采用低还原材比操作的目的是通过减少碳输入量减少CO2排放。 图1为炼铁厂各工序CO2产生量的计算代表例。由图中数据可知，高炉中矿石还原直接产生的CO2大约20，其他的则是由炼铁工序所供能源的消耗而产生的CO2。为减排CO2，必须考虑炼铁厂功能与能量平衡的匹配性，及CO2的整体排放状况。 2.3 未来减排方向 在定性分析钢铁生产CO2排放结构的基础上，提出减排CO2的大方向：一是提高能源利用率以节省能源；二是开发并采用新的低碳技术，从而削减所需碳量。同时采用清洁能源脱碳，并强化能源的再循环利用，以及采用生物能量等。另外一个重点是继续开发并完善CO2的分离、输送和贮藏技术。 3 低碳高炉的概念 所谓低碳高炉就是减低还原材比的高炉。因高炉的物料平衡与热平衡与焦炉、热风炉等相关，故降低高炉还原材比即减少炼铁整体碳量。降低高炉还原材的措施有利用还原平衡控制炉内气体组成，或改善热平衡等。但这些措施已接近操作极限，改善余地少，而控制还原平衡本身则是未来开展的方向。 使用高反应性焦炭可激活从低温开始的焦炭气化反应，利用其吸热效果而使炉内温度移向低温侧。但反应性上升会使焦炭强度下降的问题需要解决。 另外，还须考虑废塑料的再循环及生物能量的再利用。废塑料氢含量高，是有效减排CO2的喷吹还原材，已分别在JFE和新日铁的高炉实用化，及新日铁焦炉上使用。 日本国内的废弃物系生物质能贮存量若以碳换算可达3050万t，约相当于其年产塑料全碳量的3倍。然而这类物质的纤维素和木质素中氧含量高而能量密度低，作为热源和还原材的置换效果差，使高炉操作范围变窄；同时这类物质粉碎困难也是个问题。对此，有研究报告（2008年铁钢）提出利用气氛和温度控制干馏操作，可选择性地脱除生物质中的氧；且模型计算表明，吹入40kg/t的干馏炭，可以使高炉减排5的CO2。 4低碳高炉的原料设计 4.1原料设计方案 改善现有炉料（如焦炭、烧结矿）的性状，还不能期待大幅度降低还原材比，故有必要改变高炉原料本身的设计理念，即组合块矿和焦炭性状的复合功能材料，以降低还原材比。具体措施之一是使用还原率为40的预烧结矿，可以获得向高炉投入铁源的效果；其二是将粉矿和炭材混合制成块，即焦炭中含有金属铁，既能进行气体还原又可进行固体还原，从而提高了渗碳速度，降低了还原材比，这已得到实验证明。这种含金属铁可显著提高焦炭反应性的高性能材料被称作铁焦。 4.2 铁焦的概念和效果 铁焦内的金属铁是焦炭气化的催化剂。由于在高炉低温侧的焦炭气化活跃，故利用其吸热效果使影响高炉还原平衡温度的热储备区移向低温侧，从而期待通过控制还原平衡和投入金属铁实现降低还原材比。该技术还提出了具体的制造工艺和高炉使用方法，而且建议将之作为强化环保对策，扩大使用低品位焦炭的新一代炼铁工艺。为验证该技术，到2008年末的2年时间里，日本产学界对此进行了基础研究，下一步拟建30t/d的实验工厂。 包含铁焦制造方法在内的炼铁整体工艺构成：与一般的室式焦炉不同，本工艺采用了纵向竖炉，对气体密封有利于环保，且在炉内干馏煤的同时可将铁矿石还原80%，产品还能保持一定形状。与在高炉内混装小块焦炭一样，为了改善透气性和促进还原，应考虑适当的矿石层混装，铁焦的使用量估计大约相当于一般高炉内碳素熔解吸热反应所需焦炭的1/3。高炉内透气性的确保由一般焦炭承担，而超高反应性的铁焦则分担了部分炉内还原气体的产生功能。低温高炉上适宜使用铁焦和高还原性的块矿。模型计算表明，高炉热储备区温度若下降200，则估计还原材比就会下降60kg/t，CO2减排效果就会达到约10%。并且，该工艺还能多量使用非微粘结煤等资源，故也有强化炼铁厂环保对策的效果，也能提高日本在钢铁生产领域的竞争力。 5 未来的低碳炼铁工艺 5.1 高炉发展系列工艺减排CO2 现有高炉所送热风中的氮承担热输送的角色而不参与炉内还原反应，而氧气高炉则是从风口送进冷氧气的工艺。吹氧而不鼓风就会因气体单耗的减少而可以提高生产率，并因还原气体浓度的上升而可强化高炉还原功能。若产量一定，可以期待将高炉内部容积减至现在的2/3，且可缓解对原料强度等条件的制约。只有日本采用试验炉进行了吹氧高炉的验证，并在实际高炉上进行了氧气喷嘴试验。大量制造氧气虽会增大电耗，但因高炉内循环气量的减少而使其中的CO2分压增高，从而使CO2分离比现行高炉更容易。而且在制氧工艺方面，能源利用效率比现行深冷分离更优良的制氧方法开发必会受到高度重视。 将吹氧高炉的基本形式和以此为基础外加CO2分离的吹氧高炉还吹入粉煤作为辅助还原材；且在炉身上部吹入经预热的循环气体，以补充因无氮进行热输送而引起的热量不足。在此基础上，右边的吹氧高炉是将炉顶废气中的CO2分离后再将之喷入炉内。因对原未利用的还原气体（含CO、H2）进行了循环再利用，故可期待大幅度减少向高炉的碳输入，并使大幅度减排CO2变得更容易了。 高炉内的还原反应分为CO还原、氢还原和固体碳的直接还原。一般高炉的上述还原比率分别为60、10和30；若在炉顶气体中分离CO2并循环利用原未利用的CO，因强化了气体还原而促使吸热反应的直接还原比率降至10，自然也就降低了作为固体碳来源的还原材比率。 在外部制造还原气体并吹入高炉的工艺原先就有，如日本就有将重油部分氧化而制成的还原气体吹入高炉炉身的FTG法，利用炉顶煤气中的CO2将焦炉煤气中的甲烷改质而向高炉吹入高温还原气体的NKG法等，这些工艺的目标是大幅降低高炉炼铁的焦比，但却与炉顶煤气的循环利用有不少共同点。 图2是吹氧高炉和炉顶煤气循环工艺中产生的CO2。利用炉顶煤气循环工艺，将还原材比减至434kg/t，因没有热风炉，可削减此工序产生的CO2；另一方面，由于氧气的制造使电站产生的CO2增加。因此，合计使整个工程的CO2减排率达9。 5.2 炉顶煤气循环和氢利用的强化 作为日本政府持续推进的COURSE50，是对焦炉煤气中的甲烷进行水蒸汽改质而增加氢量，以用氢还原铁矿石的方法，由从高炉顶的排出气体中分离CO2后，送回高炉再循环的工艺构成。所利用的氢在制造时需消耗较多能量，但在本工艺中却因焦炉煤气的显热利用而弥补了水蒸汽改质所需热量。因此，初步测算表明，利用脱碳和炉顶气循环而形成了高炉炼铁及分离回收系统的低碳运转，从而较之现有高炉炼铁可减排30的CO2；并且还有一大优点，就是较之原来的CO还原，该系统用氢还原铁矿石的速度更快。然而与CO还原的不同之处在于氢还原是吸热反应，扩大使用时须注意高炉上部的热平衡。 5.3 欧洲ULCOS研究课题 ULCOS是由欧洲15国的48家企业和研究机构参与并以EU的RFCS（煤钢研究资金）进行的研究课题，由8个子课题构成，大的支柱是以上述的高炉炉顶煤气循环作为特征的NBF（新高炉），是以NBF为核心的进行熔融还原（ISARNA）和直接还原的工艺，根据还原气体再加热和还原气体喷吹位置的不同而研究了4种形式。根据计算预测该系统可使向炉内输入碳的削减率达28。而且该系统也考虑了生物能量的利用，综合计算，较之常规高炉炼铁，可将CO2排放减少50。 2006年采用瑞典的8m3 MEFOS试验高炉，对该课题进行了为期6周的实证试验操作，结果表明可使新高炉的碳输入降低2