钢铁技术内参2010年8.doc

1、2010年第8期 2010年8月31日内容提要u 英国碳捕获和封存技术最新进展碳捕获和封存技术（CCS）正逐渐成为发电厂和重工业产业降低温室气体排放的最有前途的措施。本文报道了英国在CCS技术方面的最新进展。 1u 欧洲炼焦、炼铁技术发展及CO2减排挑战欧盟27国是全球第二大钢铁生产地区，文章综述了欧洲近年在炼焦、炼铁方面的技术进步，介绍了欧盟减排CO2的研发。 3u 世界清洁能源新动向目前，除了在现有化石能源消耗的基础上减排CO2外，必须提出新的理念，并为之努力。本文阐述了世界清洁能源的最新发展态势，介绍了FIT制度。 10u 利用无灰煤的炼焦技术神户制钢公司利用熔剂脱灰技术，制造出一种无灰

2、煤。作为添加剂的无灰煤，可以改善由多种非微粘性煤组成的混合煤所炼焦炭的强度。本文介绍了该无灰煤的制造工艺及特点。 16u 链箅机-回转窑球团生产工艺钢铁生产节能减排的关键在“精料”，因此要选择合理的造块工艺。“粉矿”宜采用烧结法，细精矿应采用球团法。本文综述了各种球团生产工艺现状及其发展态势。 22u 冶金粉尘和尘泥循环利用的新工艺在炼铁、炼钢和轧钢过程中不可避免的会产生大量粉尘和尘泥。一般将这些粉尘和尘泥用作烧结原料。但这些烧结原料会造成烧结机排出废气二噁英浓度升高。为此，台湾中钢公司采用RHF+CBP联合工艺处理废料，达到了预期的减排目标。 38冶金工业信息标准研究院中国冶金信息网 电话：

3网址：英国碳捕获和封存技术最新进展目前碳捕获和封存技术（CCS）正逐渐成为发电厂和重工业产业降低温室气体排放的最有前途的手段，将成为全球应对气候变化最重要的手段。据国际能源署（IEA）估计，如果到2050年全球温室气体排放减半，则全球平均温度的升高将限制在2。为此，发电厂和重工业产业的碳捕获和封存技术要对温室气体减排做出20%的贡献。国际能源署估计到2020年需要100个碳捕获和封存技术项目，而到2050年则需要超过3000个碳捕获和封存技术项目。目前，除了加拿大、美国和澳大利亚外，英国在碳捕获和封存技术研究方面也处

4、于领先地位。英国承诺的二氧化碳减排目标是到2020年减排34%，到2050年减排80%。英国负责气候变化的委员会认为到2030年发电厂要大幅减少二氧化碳排放，同时也将使得其他产业，如运输业等减少碳排放。对于发电厂而言，碳捕获和封存技术是降低二氧化碳排放非常重要的技术，而且也将是其他产业如钢铁产业、水泥产业和化工产业非常重要的低碳解决方案。在某些工厂，碳捕获和封存技术将是其降低二氧化碳排放的唯一选择。据国际能源署的碳捕获和封存技术路线图预测，今后10年对碳捕获和封存技术的投资将超过1000亿美元，而2010年2050年的投资将超过5万亿美元。英国拥有丰富的资源用于储存二氧化碳，特别是在北海地区有

5、充足的地方满足其封存二氧化碳的要求，而且可以封存来自其他国家的二氧化碳。估计显示，英国的大陆架很有可能封存其100年甚至更长时间排放的所有二氧化碳。英国封存二氧化碳能力较高主要是基于其有耗尽的油气田。对于碳捕获和封存技术，英国采取了世界上最严格的规定。英国规定所有新火电发电厂必须按照其生产能力配置碳捕获和封存技术，并且要求所有新的超过300MW的设备配置碳捕获装置。目前，英国已经计划在火电发电厂建设4个碳捕获和封存技术演示设备，此外，未来在这些火电厂还将配置额外的新型碳捕获和封存技术装置。目前，最初的两个碳捕获和封存技术项目仍处于竞争之中：一个是ScottishPower公司的项目，位于Lon

6、gannet，而另一个是E.ON公司的项目，位于Kingsnorth。这两个项目均是后燃烧捕获二氧化碳的火电厂项目。目前，还有一些公司已经加入到了这两个项目的竞争，他们主要凭借着拥有近海封存和二氧化碳管线运输方面的经验来竞争。目前，有关企业对碳捕获和封存技术项目竞争的进展感到失望，但公共基金已经给予Longannet和Kingsnorth这两个项目的前期工程和设计研究机构补贴。这些研究预计将在一年内完成，因而获胜者将在2011年宣布。其他碳捕获和封存技术项目的竞争将在今年晚些时候开始，且最终也将于2011年完成。目前，英国能源部和气候变化委员会正寻求有关工业产业对通过市场竞争的方式获得碳捕获和

7、封存技术项目的看法。对于预燃烧和后燃烧捕获二氧化碳技术来说，竞争是开放式的。所有4个碳捕获和封存技术项目预计将在2014年2018年分阶段完成。在欧盟范围建设碳捕获和封存技术演示项目的时间也要考虑。欧盟已经同意给予3亿欧元的补助开展碳捕获和封存技术演示装置和创新性可再生能源的开发，并作为2008年12月采用的欧盟能源和气候变化应对方案的一部分。欧盟最初的目标是确保到2015年有10个12个商业规模的碳捕获和封存技术演示项目投入运转。最初的时间表要求在2010年10月将预期的项目提交给欧盟成员国审议，其后欧盟成员国通过欧洲投资银行在年底将这些项目提交给欧盟委员会。虽然目前英国在碳捕获和封存技术项

8、目选择上领先于欧盟其他成员国，但该国碳捕获和封存技术项目的延迟也可能使得其落后于欧盟的碳捕获和封存技术项目进程。在最近英国政府发布的指导文件“清洁煤：英国碳捕获和封存开发工业战略”中，确定了英国将交付多少碳捕获和封存技术项目，包括对碳捕获和封存技术演示项目的支持和建立供应链以及建设碳捕获和封存技术的能力。该文件再次确认了到2020年碳捕获和封存技术开始投入商业运转。该战略还宣布了有关碳捕获和封存技术的第一批低碳经济项目（LCEA）将建在约克郡的恒伯地区，这些LCEAs项目的实施目的在于加速该地区低碳经济活动的开展。英国的能源法案包含有引进碳捕获和封存技术激励机制，即对电力公司征税以资助碳捕获和

9、封存技术项目。在最近的年度报告中，气候变化委员会强调了火电厂和非火电厂脱碳的重要性。目前，英国政府正就提高税收征询意见，并计划引入新的法案，因此，2011年初可能开始对电力公司征税。目前，英国有若干个碳捕获和封存技术中试项目正在运转或是计划之中。Doosan电力系统公司在苏格兰的Renfrew运转着一个40MW中试装置，而ScottishPower公司在Longannet电厂正在运转着后燃烧二氧化碳捕获试验装置。 ScottishPower公司和南方能源公司（SSE）对Ferrybridge 5MW碳捕获和封存技术项目进行了资助，该项目称作CCPilot100+。此外，Doosan电力系统公司

10、与Vattenfall公司的一个合作项目计划将持续两年，其目标是在南方能源公司的Ferrybridge电厂实现每天捕获100t二氧化碳。由于英国在碳捕获和封存技术上已经开展了许多工作，并取得一些进展，因而将使得英国在今后的1218个月开始碳捕获和封存技术项目的初步建设，并将使英国在全球的碳捕获和封存技术市场上处于非常有利的地位。欧洲炼焦、炼铁技术发展及CO2减排挑战欧盟27国的现代化钢铁联合企业在高炉-转炉流程下高效运行，并生产出许多优质钢铁产品。未来相当长的时期内，高炉-转炉流程在欧盟仍将占据58的主导地位。高炉生产离不开焦炭，欧洲有许多先进焦炉，也有不少需要更新改造的老式焦炉。德国Schw

11、elgern焦化厂的新型焦炉是当前世界技术最先进的多碳化室炼焦炉，其碳化室是目前世界上最大的碳化室。欧洲钢铁企业的高炉，特别是大容积高炉成功实现了低还原剂比、高生产率和长寿命运行。要实现上述先进的技术指标必须以使用优质的焦炭为前提条件。然而，自1990年以来欧盟27国的焦炭总生产能力不断减少，致使从2000年以后前欧盟15国的焦炭供应出现短缺。波兰是欧盟27国焦炭的主要供应国。欧盟27国钢铁工业的研究和开发重点是高炉喷氧以实现CO2减排，利用过剩的焦炉煤气生产DRI以代替焦炉煤气发电。1 前言2009年全球粗钢产量为13.29亿t，转炉钢产量约占67.0，电炉钢产量为30.8。从以上两组数据可

12、知，炼焦-高炉-转炉流程是全球粗钢的主要生产路线。最近几年，铁钢比几乎保持在0.7的水平不变。铁水产量从1995年的5亿t增加到2008年的9.27亿t。全球焦炭与铁水之比从1995年的0.72降低到2008年的0.59，使世界高炉的焦炭总消耗大幅减少。2008年全球焦炭产量5.45亿t，中国产焦占全球焦炭产量的60。与钢铁行业相比，其他行业的焦炭消耗从2000年的6700万t增加到2008年的9400万t，包括部分焦炭被贮存以备后用。预计未来非钢铁行业的焦炭消耗可能保持在9000万t，主要用于铸造、铁合金生产、烧碱、锰合金冶炼、电厂和其他工业以及某些地区的家庭取暖。2 欧洲钢铁工业欧盟27国

13、是仅次于中国的全球第二大钢铁生产地区，年产粗钢1.94亿t，占全球总产量的14.9。世界各国和地区转炉钢与电炉钢的比例差异很大。中国转炉钢比例非常高，达90.9；日本为75.1；美国电炉钢比高达58.1；欧盟27国达41.2。欧盟27国的转炉钢比保持在约59的水平，即总产量为1.16亿t。到目前为止，电炉炼钢已完全取代了过时的平炉炼钢。欧盟27国共有200家炼钢厂，其中20家较大炼钢厂的粗钢年产量超过300万t。欧洲最大产钢地为德国的杜伊斯堡，其炼钢历史已超过150年，粗钢总产能达1950万t/a；其次是意大利的海边城市塔兰托粗钢产能为1150万t/a；荷兰的艾默伊登粗钢产能为720万t/a和

14、法国的敦刻尔克粗钢产量为710万t/a。当今全球最大的钢城是中国的上海，钢产量超过德国的杜伊斯堡。上海是一座新工业城市，其发展速度十分惊人。由于杜伊斯堡紧邻煤矿且座落在莱茵河畔，因此19世纪中叶德国将炼钢厂建在此地。在过去的25年50年间，许多大型钢铁联合企业建立在深水海港海岸就是为了便于直接运输和处理进口原材料，钢铁产品出口也不需通过其他运输工具转运，这有利于降低运输费用和生产成本。可以看到，粗钢产量超过1000万t的钢铁厂仅存在于亚洲和欧洲。欧洲主要产钢国是德国、意大利、西班牙、法国和英国。转炉钢比平均为58.3，电炉钢比为64.4。西班牙电炉钢比达87.1，卢森堡为100。3 炼焦厂欧盟

15、27国有45家炼焦厂，主要分布在德国、英国、法国、比利时、西班牙和捷克。大多数炼焦厂与钢铁联合企业的能源网络是联接的，只有少数几个所谓的岛屿炼焦厂。干焦总产能为5600万t。这些炼焦厂的加权平均年限是26.1年（包括试运行的那一年），或者是15.9年（从最后更新改造的那一年开始算起）。德国炼焦厂建成投产时间最短。2003年，德国最新、最现代化的炼焦厂在杜伊斯堡Schwelgern的蒂森克虏伯钢厂（TKS）投产，年产干焦260万t。全厂两座焦炉，每座焦炉有70个碳化室，是世界上最大的焦炉，每个碳化室的有效容积为93m3。4 高炉前欧盟15国最为关注的是高炉操作参数的变化，因为目前高炉操作参数不适

16、用于新欧盟成员国。1990年以后，前欧盟15国高炉的数量大幅减少。1990年有92座高炉，年产铁水9400万t，2008年只有58座高炉运行，铁水年产量减少到8960万t。然而，单座高炉的铁水年产量却从104万t增加到154万t，增幅达48。高炉的平均工作容积从1630m3增大到2063m3，容积增大率达27，同时高炉的有效容积利用系数也从2.2t/m3（W.V.）日增加到2.34t/m3（W.V.）日，增幅6.3。多数高炉为中等尺寸，炉缸直径在8.0m11.9m之间。所有高炉的炉缸直径平均为10.0m，大高炉炉缸直径达12.0m。欧盟15国高炉的还原剂消耗几乎处在同一水平，没有变化。高炉喷煤

17、量（从50kg/tHM增加到123.9kg/tHM）的提高使焦比从1990年的408kg/tHM降至2008年的351.8kg/tHM。同一时期，油及其他燃料的消耗几乎没有改变，处于较低的水平约20 kg/tHM。欧盟高炉的操作技术水平处在全球之上。2007年，全球高炉还原剂比（焦炭+喷煤+油耗和煤气）平均为559kg/tHM。不同国家或不同地区的消耗存在较大差别，说明全球高炉焦炭消耗量还有下降的空间。欧洲高炉还原剂消耗已处于非常低的水平。与过去55年来德国高炉还原剂的消耗相比，目前的还原剂消耗已显著降低。过去几年来还原剂消耗的下降趋势表明，未来还原剂消耗进一步降低是完全可能的。换句话说，高炉

18、操作者为优化工艺成本所做的努力，实际上就是在降低还原剂消耗。但不可能持续降低，特别是不可能大幅降低。德国和西欧目前运行的高炉工艺已成为最佳工艺。毫无疑问，现在应考虑如何应用这种最佳工艺进一步减少还原剂消耗，最大限度减少CO2排放。除此之外，还要考虑这些效果必须与高炉操作模式的发展相协调。表1中的数据说明了德国在过去38年来铁水的生产情况。在原料用量和煤气产生量大的条件下，降低焦比、提高喷吹比（尤其是喷煤比）在这一时期一直都是高炉设备与操作者面临的挑战。1970年，德国80座高炉年产铁水为3360万t，到2008年仅15座高炉年产铁水达2800万t。可以看出，单座高炉每年增产319%，这是高炉容

19、积扩大，生产率提高52共同作用的结果。5表1 德国炼铁生产指标的演变年1970年2008年变化，%高炉运行数量8016-80每年每座高炉产量，万tHM0.421.76+319平均生产效率，tHM/m3（W.V.）24h1.542.34+52焦炭消耗，kg/tHM537354-34还原剂消耗总量，kg/tHM577489-15球团矿使用比例，%6286+38渣量，kg/tHM379278-272008年，欧洲少数高炉运用了针对降低焦比和提高喷煤比的特别操作模式。在艾默伊登塔塔科勒斯钢厂的6号高炉年均最高喷煤比达到235kg/tHM，最低焦比为281kg/tHM。现在，已将一定数量的焦丁作为含铁炉

20、料加入高炉冶炼。2008年，蒂森克虏伯汉伯恩钢厂9号高炉焦比为333.5kg/tHM，其中包括70.9kg/tHM粒径为10mm35mm的焦丁。不是所有的高炉都选择喷煤。前欧盟15国的部分高炉，如Ruukki 2号高炉，仍保持喷油100kg/tHM，有效容积利用系数为3.44t/m3（W.V.）日。HKM的高炉B除喷吹重油23.5kg/tHM，还喷吹天然气84.9kg/tHM。2009年，HKM高炉将喷油+喷气改为喷煤，以后将在奥钢联 Stahl Lina 钢厂的A号高炉喷射特殊材料，如塑料和焦油。喷吹技术和富氧技术是一对不可分离的技术措施，配合高炉操作有利于降低煤气产生量、最佳的焦炭置换比、

21、提高H2输入和优化火焰温度。康力斯艾默伊登钢厂6号高炉富氧量已达36。西欧高炉含铁炉料的化学成分差别较大。比利时、芬兰、法国、德国、意大利、西班牙、英国高炉加入的烧结矿比例超过50，而荷兰高炉加入的球团矿超过52，瑞典高炉加入球团矿已达95以上。前欧盟15国高炉烧结矿的平均装料比为62.4，球团矿27.3、块矿和其他炉料为10.3。5 焦炭性能要求使用性能优良的焦炭对于高炉实现高生产率、低焦比、低还原剂比和长寿命切实可行。焦炭在高炉冶炼过程中具有3种作用，即化学、物理和热作用，以化学和物理作用最重要。焦炭质量的测试标准和对化学及物理性能的要求与其在高炉内所发挥的作用和高炉的操作模式有关。高炉炼

22、铁焦炭的性能要求见表2。表2 高炉对焦炭性能的要求 %焦炭性能性能要求物理性能CSR 10mm65CRI40mm57I10 10mm18化学性能灰分9.0S0.7P0.025碱金属0.2水分5.0粒级10mm340mm80mm100mm0焦炭的物理和化学性能用焦炭稳定性、粒度分布、转鼓指数（例如I40，I10）和高温反应指数（CRI）以及焦炭与CO2反应后强度指数（CSR）表示。抗碎强度I40要求大于57才能保证高炉干燥区的透气性，要求CSR指数高于65以保证在炉缸产生透气性积铁焦炭床。焦炭灰分通常认为应低于9.0，对残存元素的要求是越低越好，硫分应低于0.7，为了尽量降低碱金属对高炉操作的影

23、响，要求碱金属元素在焦炭中的含量应低于0.2，磷含量应在0.025以下。根据高炉操作者经验证实，焦炭水分低于5.0对高炉冶炼基本无负面影响。对焦炭粒径的要求是：小于40mm的限制在18以内，大于80mm的不超过10，大于100mm为零。6 欧盟15国的焦炭平衡16年前，欧盟15国的焦炭产量超过了钢铁工业的需求。然而，2008年欧盟15国仅产焦3200万t，与1990年近6000万t相比，减产幅度达到48。在此期间许多矿山炼焦厂和钢铁企业炼焦厂均因钢铁联合企业的停产而关闭。因此，在过去的18年里，钢铁工业的焦炭需求减少了20，即从4300万t减少到3450万t。2000年后，欧盟15国焦炭需求量

24、的增长开始大于生产量的增长，造成焦炭供不应求，不足部分不得不进口。德国是欧盟15国焦炭生产技术进步的推动力。20世纪90年代前，由于德国其他行业不再使用焦炭和高炉对焦炭消耗的降低使焦炭产量明显减少。但自20世纪90年代开始，德国生产的焦炭已不能满足本国钢铁工业的需要而不得不从世界焦炭市场进口。schwelgern炼焦厂投产后才使焦炭的供需矛盾得到缓和。7 欧盟未来的研发需要为了进一步推动欧盟钢铁工业的技术进步和可持续发展，欧盟联合开展关于生产技术、新钢种、新表面涂层技术、改革钢材加工工艺技术、提高能源效率减少钢铁生产过程中CO2排放以改善环境质量等方面的研究。由于高炉是CO2的主要直接排放者，

25、因而研究目标就是减少高炉的用碳量，特别是减少焦炭用量。欧洲开展的名为超低CO2排放炼钢技术研发项目（ULCOS），主要是评价用生物质能、电解法、H2和天然气炼钢的工艺技术，以及大幅减少高炉用碳量的技术。这项大型跨国RFCS（煤钢研究基金）研究项目的目标是开发应用无氮高炉或全氧高炉工艺。这种工艺是将氧气喷进风嘴而不是热风，炉顶煤气经过CO2洗涤塔后，回收的富含CO的煤气再循环到1200风嘴，剩余的煤气加热到900经第二排风嘴喷入高炉炉身下部。图1是炉顶煤气循环高炉的示意图。图1 炉顶煤气循环高炉由该工艺模型计算得知，如果新高炉喷煤量达到175kg/tHM，焦比将降低到约200kg/tHM。与目前

26、传统高炉相比，高炉操作者一定会震惊于新高炉工艺的焦比能够降至这么低，却不影响高炉生产。如果高炉下部含铁炉料的预还原度能达到95，新高炉的杜布阿尔反应（碳的气化反应）消耗的焦炭量仅为15kg/tHM，而传统高炉该反应的焦炭消耗量为107kg/tHM。在瑞典LKAB试验高炉证明，新工艺的还原剂（焦炭+喷煤）消耗将降低24。关于建设一座年产250万t铁水的小型循环利用炉顶煤气的工业高炉的计划已被提上日程。大型高炉开发应用这项技术，可能要再花15年20年。另外要注意的是，由于炉顶煤气在高炉内循环使用，因而钢铁联合企业内的煤气管网中的用量将减少80。Hisarna熔融还原工艺是一种用粉矿和煤生产铁水的两

27、步法工艺，见图2。粉矿在螺旋反应器中预还原和熔炼，最后在炼铁反应炉中完成还原。煤在该工艺外置的反应器中高温分解，所需热量由煤的脱气反应提供。该工艺使用纯氧生产，通过回收冶炼厂的废热制氧。预计这种工艺可直接贮存超高浓度CO2废气。已计划在欧洲建造一座中试厂。图2 Hisarna工艺理念改善能效的建议之一是利用焦炉煤气。钢铁联合企业炼焦的经济效益与焦炉煤气的利用价值直接相关。一般，炼焦厂与钢铁联合企业内部的煤气管网相连接。多余的焦炉煤气常常通过煤气管网用于带式烧结机点火炉加热，或用于轧钢厂推进式加热炉加热钢坯，或用于企业内部动力厂发电等。焦炉煤气的生成量与煤的挥发份含量有关。一般，每生产1t焦炭产

28、生410m3（S.P.T）560m3（S.P.T）焦炉煤气。供给用户使用之前应净化焦炉煤气中的焦油、苯和硫。焦炉煤气的发热值不高，约在16.4MJ/m3（S.P.T）18MJ/m3（S.P.T）之间。焦炉煤气含氢量较高，在5565左右，CO2含量比天然气低。天然气的CO2排放系数为56t/TJ，焦炉煤气的CO2排放系数为40t/TJ。为优化钢铁联合企业内部能源结构，多余的焦炉煤气必须用于内部发电或外销发电。发电效益取决于市场电力价格。除用于发电厂发电，焦炉煤气在钢铁联合企业内还可用于： 将焦炉煤气和焦油作为辅助还原剂喷入高炉； 可用焦炉煤气生产甲醇等，或作为还原气体用于生产DRI或HBI。焦油

29、气化产生的煤气也可用于生产DRI，或作为CO用于生产甲醇。或将焦炉煤气部分净化和/或部分氧化、富集用于直接生产DRI/HBI。也可将焦炉煤气和直接还原煤气混合，经还原煤气加热器加热，并富氧后引入高炉炉身还原带。生产的DRI可外售，也可用于钢铁联合企业内部电弧炉或转炉炼钢。因此，在钢铁联合企业内建设一家直接还原炼铁厂生产DRI是必要的。最近针对一定产能的直接还原炼铁厂的投资成本和转炉热装DRI的成本计算表明3年便可收回所有投资。8 结论欧盟有25家现代化钢铁联合企业按照高炉/转炉流程生产各种优质钢铁产品。可以预计在未来相当长的时期内，这种流程仍将在25家钢铁企业内占据主导地位（约60）。在高炉/

30、转炉流程下，高炉能否正常高效地生产铁水取决于有无焦炭和有无优质焦炭。欧盟有许多新建炼焦厂和拥有先进技术的炼焦厂，也有不少需要改建和扩建的旧炼焦厂。德国Schwelgern炼焦厂的新型焦炉是世界最先进的多碳化室炼焦炉。其炭化室是目前世界最大的碳化室。欧洲联合钢铁公司成功利用优质焦炭使高炉（特别是大容积高炉）实现低还原剂比、高生产率和长寿命。欧盟15国的焦炭产能从1990年开始逐渐减少，至2000年出现供不应求。波兰是欧盟27国最大的焦炭生产供应国，欧盟焦炭的不足部分必须从世界进口。今天，欧洲钢铁工业最关注的是开发全氧高炉工艺，以减少CO2排放和利用过剩的焦炉煤气生产直接还原铁（DRI）而不是用于

31、发电。世界清洁能源新动向对于持续推进节能的日本而言，要想在现有化石能源消耗的基础上进一步大幅减排CO2已较困难，因此必须提出新的理念，并为之努力。另一方面，纵观世界清洁能源的发展发现，过去没有成为主流的太阳能发电和风力发电等的比率正在持续增加，其发展势头引起世界关注。此外，近年作为清洁能源之一的氢能也引人注目，氢能的研发和利用也在不断取得进展。1 快速扩大的太阳能发电市场在欧洲，常能见到一排排太阳能电池板，特别是西班牙和德国等国相继新设了输出功率达50MW的巨大太阳能电池板。因此，可以说欧洲太阳能发电市场的发展带动了世界太阳能发电市场的兴起。图1所示为2009年夏德国建成的最大太阳能电站：在1

32、62公顷场地上排列了56万块太阳能电池面板，发电功率达53MW（即5.3万kW）。图1 德国2009年夏建成的一座大型太阳能电站景观根据欧洲太阳能发电产业会提供的信息，2010年世界太阳能发电系统的引进量将达5500MW（即550万kW），较之2007年的2400MW（即240万kW）增加到2倍以上。其中西班牙和德国的引进量约占了7成。西班牙的引进量约为其余的5倍，属高速发展；而稳步增长的德国的累计引进量约为5400MW，居世界首位。另外，最近美国、韩国和意大利的太阳能发电装置的新建规模显著增大。特别是韩国2008年的引进量约为2007年的7倍，意大利的引进量约为去年的4倍。受世界金融危机的影

33、响，预计2009年太阳能发电设备引进量的增长率将趋于平缓，甚至可能出现供大于求的状况，市场扩大的速度可能减缓。然而，如何防止地球变暖是十分紧迫的课题，世界各国提出了各种各样的对策，扩大太阳能发电规模和市场必定是今后世界各国共同发展的方向之一。2 世界正在扩大风力发电除太阳能发电之外，显著增长的还有风力发电规模。根据世界风能协会提供的数据，2008年世界风电总设备容量约为120800MW，较2007年增长了28。其中引进量多的美国2008年新增设备容量约为8360MW，总设备容量约为25170MW，从而使其超过德国跃居风电设备容量的世界第一。由于美国土地辽阔、风况良好，特别是在得克萨斯州和加利福

34、尼亚州建设了很多风电设备。图2即为加利福尼亚州的一个风电场的景观。受世界金融危机的影响，2009年的风电发展计划虽然有所延迟，但奥巴马政府提出了积极支持清洁能源发展的方针，因此，美国的风电发展前景光明。图2 美国加利福尼亚州的一座风力发电场景其次，在风电快速增长的中国，2008年新建了容量为6300MW的风电设备，实现了连续4年的翻番式快速增长。不久的将来，可能会出现由中国主导世界风电的状况。另外，最近印度也有扩大风电设备建设的倾向，正在实现世界第3位的风电容量增长。欧洲于2008年搁置了以火力发电为首的其他发电技术，引进大量风电设备。现在，欧盟（EU）各国的风电设备的总容量，在世界上约占了5

35、0的比重。3 世界正采用并研讨的FIT制度作为清洁能源扩大使用的重要因素而引人关注的是德国制定电力回购（简称FIT）制度。所谓FIT制度，就是电力公司以法定价格回购从可再生能源获得电力的固定价格购电制度。由于法定回购价格高于现有电力价格，故利用清洁再生能源发电可以逐步收回投资成本。这为进一步扩大清洁能源的使用奠定了基础。德国从1991年起就开始采用FIT制度推进了风电的普及。由于德国不同地区的风力资源的差别，故采取的办法是风力越弱的地区越以高价格回购风电，从而减少了在弱风地区建设风电设备的阻力。因此，2006年德国的风电所占比重就上升到国内总发电量的5。另一方面，德国在太阳能发电之初，虽因未到

36、助成规模而难以普及，但在2000年利用FIT制度对之重新进行了全面评价后就快速扩大了在民间的普及。到2005年，德国的太阳能发电设备的累计引进量就超过了日本，很快就登上世界第一的位置。德国制定的FIT制度的一个显著特点是在实施中每逢阻碍就会相应地加以改进。例如因从2009年1月开始比预定更早地降低了太阳能发电的生产成本，故也降低了回购价格。以欧洲为首的世界各国都对FIT制度进行了研讨，不少国家都制定了自己的FIT制度。日本从2009年11月开始执行太阳能发电的新回购制度。电力公司有义务以一定价格回购太阳能发电的剩余电力，预定回购价格约为现行电力价格的2倍。日本期待新的制度能快速促进太阳能发电的

37、普及。4 确保日本的技术优越性和竞争力近几年世界清洁能源的发展有很大变化，特别是原先由日本引导的太阳能发电市场的中心正向欧洲转移。到2007年为止，日本太阳能电池的生产一直居世界第一位，但由于德国和中国等新兴国家产能的增长，2008年按国家和地区的排位顺序就变成了中国、德国、日本、中国台湾省。面对上述状况，日本NEDO（新能源产业技术综合开发机构）于2009年6月对太阳能发电路线图进行了重新评价。这应是作为与策划制定太阳能发电相关的技术开发方针而加以利用的。在新的太阳能发电路线图（PV2030+）中，将过去制定到2030年的路线图扩大到2050年，并把目标确定为2050年以太阳能发电所供能源达

38、到日本国内一次能源需求的510，供给海外必要量的1/3；关于发电成本，预计到2010年后将从现在的30日元/kWh降至与家用电力同样的23日元/kWh，2020年降至与业务用电同样的14日元/kWh，2030年降至与通用电源同样的7日元/kWh，到2050年则达到7日元/kWh的水平。作为技术课题，为了促进具有高转换效率因数的早期实用化，设定了大量生产应用期间并试图缩短完成时期。并且，以2050年作为目标，正在进行新一代超高效率太阳能电池的开发。图3所示为日本新开发的超高效率太阳能电池。这种由大同特殊钢公司提供资源的产品为结晶化合物系集光型太阳能电池。因其电极结构的最佳化，在550倍集光时，使

39、光电转换效率达到了当前世界最高水平的26.7。图3 超高效率太阳能电池的开发例若设想2050年的太阳能电池的市场需求，极有可能需要市街等小面积地方多量发电，而且电动汽车车体利用太阳能发电的转换效率需达30以上，为此必须使太阳能电池实现真正高性能化。因此，受NEDO的委托，开展了关于“革新的太阳能发电技术的研发”的课题研究。该课题研究的目标是利用新材料新结构等在2050年之前，将发电转换效率提高到40以上，并实现超高效率太阳能电池的实用化，从而实现将发电成本降至7日元/kWh以下的目标。这样的超高效率太阳能电池的研发也在欧美等地进行。目前尚难以确定哪种太阳能电池会成为今后发展的主流。而且，当减排

40、CO2变成世界性的大课题时，是否能确保日本技术的优越性和国际竞争力，其动向令人关注。5 倍受关注的清洁能源氢氢是元素中最轻、宇宙中量最丰富的元素。氢与氧反应生成水（H2O）并放出能量。利用上述原理的燃料电池在提供能源的同时，仅排出不会污染环境的水；而且，燃料电池的特点是能源转换效率极高。将氢作为能源介质而加以利用已引起世界关注。若将太阳能、风力、生物质能等可再生能源转换成电能，再用电能对水进行电解则可获得氢。即氢作为可贮藏和输送的能源介质而被利用，就可以建立环境负荷极小的清洁能源系统。经历了20世纪70年代的石油危机以后，正式开始了氢能源的研究；到90年代进行了结合氢能源的研发。另一方面，进行

41、了燃料电池汽车的公开实验，作为最终的清洁能源而引起社会的极大关注。2000年以后进行了加氢站的实证试验和家用燃料电池高速系统的实证试验，从而逐步扩大了燃料电池及氢能源的实用化范围。如日本福冈县正在为实现环境友好型氢能利用社会而积极进行研发的试验：2004年设立了由产、学和政府共同组成的氢能源战略会议；2008年制订了“福冈氢战略（Hy-Life研究课题）”，正式启动了与氢能利用有关的综合研究。“福冈氢战略”虽包括人才培养、信息据点构建、新产业培育等多方面内容，但其中的研究开发却是一大支柱。在氢的实用化过程中，从氢的制造、运输、贮藏到利用，必须进行贯彻始终的广泛研发。最大的课题是如何确保氢在各个

42、环节中的安全问题。氢原子若侵入容器或管道等材料内会造成氢脆；运输时虽可将氢高压化以减少其体积，但对高压氢和液态氢的性质尚未充分了解。因此，福冈县在九州大学的氢材料科研中心设立了产业技术综合研究所，进行能实现氢利用的材料强度和摩擦学、氢的物性、氢脆评价技术及模拟技术等多方面研究。实际利用氢时，贮罐及有焊接接头等机械部件多使用钢铁材料。为了确保新能源系统的安全，钢铁材料将承担重要任务。6 世界大规模的水力资源开发图4 巨大的伊塔伊普水坝远眺海外多个国家和地区正在有效利用丰富的水力资源而进行大规模的开发。例如作为“金砖四国”之一的巴西，为了满足其经济高速发展的需求，现在国内80以上的电力需求均来自水

43、力发电。巴西因有亚马逊河等多条大流量河流而具有极为丰富的水力资源，一直在进行大规模的水坝建设，以满足日益增大的电力需求。其中图4所示的伊塔伊普水坝靠近世界三大瀑布之一的伊古亚斯瀑布，位于流经巴西和巴拉圭边界的马拉拉河上，从20世纪70年代开始由两国共同出资建设，1991年建成。水电站共20台机组，发电量高达14000MW（即1400万kW）。此外，在水力资源丰富的亚洲和中南美洲地区也进行着活跃的水力资源开发。例如中国正计划建设高落差、大容量水电站，特别是世界最大规模的三峡水坝的开发动向令人关注。利用无灰煤的炼焦技术1 概述所谓超级煤（HPC）是一种无灰煤，利用熔剂脱灰技术制成。即在360400

44、的温度条件下对煤进行干馏，以衍生出由2-环芳香族化合物组成的再循环溶剂，同时利用重力沉淀法除去灰分。从而可获得无灰分，且具有高发热值（8500kcal/kg）和优良热塑性特点的超级煤。因此，作为添加剂的无灰煤，可以改善由多种非微粘性煤组成的混合煤所炼焦炭的强度。神户制钢多年来持续推进煤的液化技术开发，在澳大利亚建有煤处理量50t/d的试验工厂，并进行了运转。该液化工艺开发中确立的技术之一，是利用重力沉降除去煤液化油中的灰分和未反应物等溶剂成分的溶剂脱灰技术，利用此技术进行了新无灰煤（下简称HPC）制造工艺的开发。此工艺是在来自煤的2环芳香族溶剂中加热提取煤的溶剂可溶成分，分离溶剂不溶成分，从而

45、制造HPC和副产煤（溶剂不溶成分）的技术。特别是HPC除没有灰分外，还具有优良的软化熔融性，正在开发多种新的用途。2 HPC制造工艺煤具有分子之间复杂聚合的凝聚构造，即在与以环芳香族化合物为主体的溶剂混合时，在室温下煤可溶成分的提取率也低。然而，由于将之加热到350400使溶剂本身的溶解能力增大，并伴随煤分子凝聚结构的松驰，就可以更高的提取率获得溶剂可溶成分。包含溶剂可溶成分和不溶成分，灰分的煤浆可用沉降分离等方法进行固液分离，被分离成无灰化的溶液，及不溶成分（含灰分）浓缩成的悬浊煤浆。将各自的分离成分在后阶段进行蒸发处理而分离回收溶剂，制成HPC和副产煤（简称RC）。以此概念为基础构建了HP

46、C的连续制造工艺，并进行了相关制造技术开发。图1为无灰煤制造原理。图1 无灰煤（HPC）制造原理图2表示HPC制造工艺流程。HPC制造工艺由煤浆调制/脱水工序、提取工序、固液分离工序和溶剂回收工序构成。具体如下：将原料煤与溶剂混合而进行煤浆化后，送提取槽，在350400温度下提取溶剂可溶成分；将提取煤浆在固液分离工序进行沉降处理，可获得澄清化的溢流和溶剂不溶成分及浓缩了灰分的底流。只要这些生成液能在后段的回收工序以蒸馏等方法分离回收溶剂馏分，就能制造HPC和副产煤。所回收的溶剂馏分由萘和甲基萘等2环芳香族化合物构成，可循环使用。此2环芳香族化合物的基本结构类似于煤的构成分子，故与煤的亲和性高，

47、从而可获得较高的提取率。另外，因在提取工序中煤自身会分解出少量的环芳香族化合物，故无需外部加入即可使溶剂完全循环。图2 HPC制造工艺流程图3 HPC的特点采用BSU工艺装备分别将作为炼焦用原料煤的A煤和作为一般火电燃料用煤的B煤制造成无煤HPC-A和HPC-B。表1列出了原料煤、无灰煤及副产煤的性状。表1 原料煤及HPC的性能分析试样水分%灰分%挥发分%燃料比%软化温度最大流动性温度再凝固温度logMF（logddpm）煤A2.36.035.61.63884434743.07HPC-A0.00.145.01.222638044248660000副产煤0.015.723.62.6未发现热塑性煤

48、B2.94134344460.78HPC-B0.925836944247860000副产煤1.6未发现热塑性试样C%H%N%S%其他%H/C发热值kcal/kg煤A67720HPC-A0.76.00.798490副产煤0.712.10.626900煤B06920HPC-B28580副产煤0.710.20.626060由表1中数据可知，无灰煤无水、无灰、且发热量

49、高，还具有优良着火性和燃尽性，故作为清洁燃料，可期待将之用于高效汽轮机联合发电系统。另外，副产煤虽然浓缩了更多的灰分，但因其为多孔质，故着火性良好，适于微粉火力发电和水泥用原燃料的有效利用。无灰煤和副产煤的代表性特征及用途见表2。表2 无灰煤和副产煤的特点及用途无灰煤副产煤特点无水无水灰分极少，200ppm5000ppm灰分含量5%25%高发热值，大于8000kcal/kg高着火性极好的热塑性高发热值高反应性高反应性用途燃气轮机和动力生产燃料燃煤厂燃料焦炭生产粘结剂冶金精炼还原剂冶金精炼还原剂高功能碳材催化HPC汽化用吉斯勒煤试验流动性法测定A煤、B煤及其分别制成的HPC-A、HPC-B的软化

50、熔融性，结果表明：作为炼焦原料的A煤约在400470的较窄温度范围呈现出高的软化熔融性，而火电燃烧用的普通B煤基本上没有软化熔融。反之，无灰煤HPC-A和HPC-B都从约250的低温开始软化，呈现出的高流动性已超过了吉斯勒流动性仪表的测定上限。即使将没有显示出软化熔融性的所有等级的煤作为原料，所制成的无灰煤都被确认具有这样优良的软化熔融性。无灰煤在热态下松驰了由煤构成分子的凝聚结构，由分子构成的高次结构解体、分子转移至溶剂中。除去溶剂时这些分子虽然再次变为固体，但不会回复到原来煤那样复杂的高次结构。这是由于分子相互间的结束力较弱，在更低的温度下分子的自由度会增大，从而使煤具有高的软化熔融特性。

51、4 用作焦炭粘结材的可能性在还原铁矿石而制造生铁的高炉中，铁矿石和焦炭交互分层地进料。焦炭除作为铁矿石（氧化铁）的还原材和热源之外，还具有确保高炉内透气性的作用。特别是在节能和环保的大背景下，从提高生产效率和减排CO2的观点，近年强调进行高炉的低还原剂比操作，即使在减低焦炭投入量的条件下，也能充分确保高炉内的透气性，这就使得高强度焦炭的开发和使用变得十分必要和重要。高炉用焦炭是由强粘结煤和称作为非微粘结煤的各种原料煤适当配合而制造的，但在其制造中有必要多配合粘结性和碳化特性优良的强粘结煤。然而强粘结煤价格高，资源也有限，故如何提高非微粘结煤等劣质煤的配合比率，是必须面对和解决的重要课题。若减低

52、粘结煤的配合比率而提高非粘结煤的比率，配合煤的流动性和粘结性就会低下，从而难以制造出合乎要求强度的焦炭，故须补充加入高性能粘结材。无灰煤具有高的软化熔融粘性，表明其具有作为焦炭粘结材使用的可能性。为提高试验规模而采用200kg级焦炭试验炉进行罐烧试验。其烧成条件如下：配合煤粒直径小于3mm、无灰煤粒径小于0.15mm、水分含量7.8%、松密度800kg/m3、烧成温度1050、烧成时间16h。最终利用转鼓强度指数DI15015（JIS K2151）评价了焦炭强度。最初，在以粘结煤为主的配合中，调查了无灰煤的加入效果。作为配合煤，采用了表3所示那样的2个品种强粘结煤（C煤和D煤）、及准强粘结煤（

53、E煤）与非微粘结煤（F煤）共4个品种的焦炭用配合煤。表3 焦炭配合煤的性能分析试样挥发分，%灰分，%R0，%TI，%logMF，logddpm煤C19.410.01.4828.52.15煤D21.710.01.2724.31.79煤E918.63.56煤F26.410.10.9637.71.89首先进行了将C、D、E、F煤的配合比率确定为15：26：34：25的基准配合（下简称基准1）的焦炭烧结制造；另外，在代替E煤而将HPC-A或HPC-B添加至10%的条件下进行了焦炭制造，调查了无灰煤加入量与焦炭强度的关系。结果表明：基准1的转鼓强度DI15015为86.1，作为高炉用

54、焦炭而具有充分的强度；随着无灰煤加入量的增多，焦炭的强度也随之提高，当无灰煤加至10%时，焦炭DI15015达到87.0。其次，调查了相对于多量使用非微粘结煤配合而加入无灰煤的效果。这里，相对于将非微粘结煤配合量提高到50%的基准配合2（C：D：E：F=15：30：5：50，下简称基准2），将代替的强粘结煤（D煤）HPC-A或HPC-B添加到10%时，比较了焦炭强度。结果表明：在基准2中，若DI15015=75.2，在高炉上就变成了难以使用的低强度焦炭；但若加入无灰煤，焦炭强度即可提高，DI15015大于等于85。在多量配合粘结煤的基准1中，转鼓强度增量（DI）=+4；而在多量配合了非微粘结煤

55、的基准2中，DI=+10。这表明后者的焦炭强度改善效果更大。相对于基准1和基准2，当采用添加10%的无灰煤的配合煤时，同样地调查了吉斯勒曲线。结果表明，在所有情况下，都因无灰煤的添加而提高了软化熔融性，特别是较之基准2有更大的提高效果，这也是较之基准2的焦炭强度增量更大的原因所在。将基准配合煤和添加了5%无灰煤的配合煤分别填充到20mm的不锈钢（SUS）管容器中（松装密度800kg/m3），观察碳化过程各温度下的形态变化的对照图片(见图3)和数据可知，在基准配合煤被加热到400时，煤粒就七零八落地分裂而无法保持填充时的圆柱形态，而加入了5%无灰煤的配合煤即使加热到300，也基本上能保持较规则的圆柱形态。并且，在干馏过程中从500800的熔融阶段，都是加入了无灰煤的配合煤显示出更高的表观密度。这是由于无灰煤比焦炭用配合煤能在更低温下进行软化熔融，从而增大了配合煤的实际填充密度，同时还促进了粒子间的面接触和熔敷效果的缘故。重量损失，%表观密度，g/cm2重量损失，%表观密度，g/cm2基准煤+HPC基准煤图3 添加HPC对碳化行为的影响还调查了由于加入无灰煤而产生的焦炭组织结构变化情况。结果表明，较之由基准1配合煤干馏的焦炭，加入了无灰煤的配