炼铁领域减排CO2革新技术进展

1、炼铁领域减排C02革新技术进展1 采用革新装入原料降低高炉燃料比的措施及课题1.1 革新炼铁工艺技术的先导研究虽然到目前为止, 日本钢铁业对于各种节能技术的开发取得了很大成效,但是今后的地球环境问题（减排 CO2要求必须减少能源消耗（C02排放量）。因此，为使高炉内的还原反应高速化和煤气反应低温化, 以开发革新的装入原料为目标, 从2006年12月开始, 进行了约两年时间的基础性研究，共同参与该研究的单位有新日铁、JFE、住友金属、日新制钢、财团法人金属材料研究开发中心（JRCM、北海道大学、东北大学、京都大学、大阪大学、九州大学和一关高专。通过该研究，进行了高炉低燃料比操作机理的解析和控制方

2、法的验证。明确了Fe 的催化效果：混合30%Fe气化率上升约5倍。为使反应开始温度降低到 800C,需要混合33%Fe关于Fe具有催化作用的反应机理，通过高精度显微X射线CT解析和激光显微镜直接观察,明确了伴随反应的进行，Fe颗粒粗大化，Fe边移动边促进气化反应。高温添加的Fe催化剂变为熔融FeO,有助于氧化还原反应。据此，采用控制热平衡带温度的方法，验证了高炉装入内含炭材的革新块矿是有效的。作为改善铁矿石还原性的措施，调查了贯通气孔的效果，确认不仅在低温区域（约 900C），而且在高温区域（约 1200C）都有促进还原的作用或抑制还原停滞的效果,提出了革新块矿目标。1.2 为强化资源应对力的

3、革新炼铁工艺技术开发上述革新炼铁工艺技术的先导研究成果向实用化前进了一大步,2009 年 7 月,独立行政法人新能源.产业技术综合开发机构（NEDO的“强化资源应对力的革新的炼铁工艺技术开发”项目正式通过，现在，由JFE、新日铁、住友金属、神户制钢、东北大学、大阪大学和九州大学共同推进该项目。该项目到 2011 年度末设定的目标如下： 摸索革新的块矿组成及结构条件（确立最佳制造条件）； 革新的块矿制造工艺的开发（中试厂的验证）； 革新块矿的高炉操作工艺的开发（确立最佳使用方法、确认效果）。包括中试厂的建设目前正在顺利进行中。2环境和谐型炼铁工艺技术开发（ COURSE50的推进2.1 该项目发

4、起经过2006年 5 月，日本政府在“新国家能源战略”中作为节能目标公布了到2030 年至少改善 30%效率的目标。 2007 年 5 月，在日本前首相安倍晋三提出关于抑制全球气候变暖的“美丽星球 50（Cool Earth 50 ）”计划中，作为到 2050 年以前将全球温室气体排放量减半的三原则之一，提出开发节能技术等， 使环境保护和经济发展并举。 根据该倡议，经济产业省于 2008年 3月制定的“美丽星球能源革新技术计划”中应重点采取的能源革新技术之一，选定了“革新的炼铁工艺”。考虑到今后对钢铁材料的需求会进一步增加，并且对材料性能的要求也会不断提高等，即使到 2050 年仍需要用铁矿石

5、还原法生产一定量的高性能钢材。所以将立足于铁矿石还原能够根本性减排 CO2的技术作为长期项目进行研发。因此，独立行政法人新能源. 产业技术综合开发机构（NEDO委托JFE钢铁、住友金属、神户制钢、日新制钢、新日铁工程技术和新日铁六家公司共同开展“环境和谐型炼铁工艺技术开发（COURSE5：0 CO2 UltimateReduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50）项目。2.2 该项目的整体概要本项目技术开发从两方面进行：一方面是，为减少高炉C02排放量，开发运用氢作还原剂的技术。氢还原技术是

6、一项中长期革新型研发项目。 在进行氢还原机理等基础性研究的同时， 在氢源供给方面， 焦炉煤气富氢改质技术已进入日程，正在进行研究。另一方面是，开发从高炉煤气中分离回收 C02的技术。包括高效C02吸收剂的开发、中试规模设备实用性的评估、 未利用余热用于吸收液再生技术的开发等，通过这些技术开发形成从高炉煤气中高效分离回收C02技 术。所以，业界都请求相上述两方面的技术研究都需要进行长时间的基础研究和试验研究，关大学和各种研究机构给予协作，推进开发速度。另外， 这些开发成果在实用化时，分离回收C02的封存和监测技术、低C02的氢源供给和电力供应等社会基础设施的配备也是不可缺 少的。从 2003年开

7、始，这种革新的技术开发活动在世界钢铁协会 （ World Steel Association ） 进行了广泛的信息交流和讨论。 为了加快开发， 今后将与欧洲同样的开发项目进行深入合作。2.3 具体进度2030 年将 C02排开发阶段分为第一阶段（第一步： 2008-2012 年度；第二步： 2013-2017 年度）和第二 阶段（ 2018-2028 年度）。进行形势分析、课题修改、资源调整，确立到 放量减少约 30%的技术。2.3.1 第一阶段（第一步: 2008-2012 年度）的目标1）开发减少高炉排放 CO2的技术开发用氢还原铁矿石的还原机理和反应控制的基础技术;开发将氢含量增加1倍的

8、焦炉煤气（COG改质技术; 高炉用氢还原铁矿石所需高强度高反应性焦炭的制造技术（由于高炉的技术要求目 前尚未确定，所以先确定中间试验的焦炭评价指标）开发。2）开发从高炉煤气中分离回收CO2的技术从高炉煤气（BFG中以2000日元/t-C02成本分离回收 CO2（分离回收法开发路线图（CCS2020所示的目标）的技术预测。2.3.2 第一阶段（第一步: 2008-2012 年度）的研发实施项目1）减少高炉排放CO2技术的开发 子课题 1 ：用氢还原铁矿石的技术开发为减排CO2降低高炉焦炭使用量，开发用氢等还原铁矿石的反应控制技术。 子课题2: CO併燥.富氢技术开发开发利用焦炉800C未利用余热

9、提高氢含量的焦炉煤气改质技术。 子课题 3:用氢还原铁矿石所用焦炭制造技术的开发开发氢还原高炉用的高强度高反应性焦炭的制造技术。2）从高炉煤气中分离回收 CO2技术开发子课题4 :分离回收CO2技术的开发开发化学吸收液和物理吸附技术从高炉煤气中分离回收CO2。 子课题 5:未利用显热回收技术的开发通过扩大利用钢铁厂未利用余热，降低分离回收CO2能耗（减排钢铁业的 CO2的技术开发。3）炼铁新工艺综合评价及研究（子课题6:炼铁新工艺综合评价及研究）明确“高炉减排 CO2技术”和“从高炉煤气中分离回收CO2技术”对减排30% CO230% CO2目标的具体方案。目标的贡献，对各项研发技术指标进行整

10、合、综合调整。 对钢铁厂整体进行综合评价及研究，提出可实现减排2.4 目前的成果2.4.1减少高炉排放 CO2技术的开发该研究课题由多项研究内容 （分别由各参与公司分担研究）组成， 其中， 在高炉利用富氢改质COG（组成为CO30% H2 60%）时，对炉内铁矿石还原行为（炉下部、炉上部）进行研究的同时， 还进行了矿石还原粉化研究、 高炉上部热补偿研究、 高炉内局部行为的评价 （采 用模型模拟），目的是对 CO2减排量进行定量研究。另外，该课题还建立了高炉利用改质COG寸的钢铁厂能耗及 CO2收支平衡评价系统。1）从炉身喷吹改质 COG为了调查从炉身喷吹改质COG寸，高炉内还原率的变化情况，用

11、高炉内反应模拟器（BIS:Blast furnace Inner-reaction Simulator）模拟还原试验的研究结果。可知喷吹改质 COG可有效提高矿石综合还原率。 试验结果超过了该理论值， 主要原因是从高炉的块状带到软融带上部，H2还原反应活跃；H2O-C气化反应也活跃。从这一结果可知，如果可以向高炉喷吹改质COG矿石还原率可以大幅度改善。为了调查从炉身喷吹改质 COG寸的软化熔融滴落行为，进行了考虑煤气喷吹量和煤气的炉内半径方向分配的荷重软化试验。 试验结果表明， 喷吹量为 100Nm3/t-p 寸，还原率提高、压损下降等高温性状得到改善；喷吹量 300Nm3/t-p 寸，发现还

12、原率进一步提高，压损显著降低。随着喷吹量的增加，最大压损急剧下降，该变化边缘部位显著。据此推测，从炉身喷吹时， 边缘部位的软融带极薄， 而且中间分配率在 20%以下时，炉身喷吹量应在 200Nm3/t-p以上。2）炼铁系统CO2发生总量的评估制作了可以模拟高炉喷吹改质 COGS对炼铁系统总能量投入（相当于产生的 CO2量）变化的模型。根据模型计算，确认有效利用改质COG勺效果，可将 CO2排放量减少约10%。3）氢还原高炉用焦炭的制造因为用氢还原铁矿石时高炉内的条件发生了很大变化，所以进行了满足高炉相应要求的焦炭制造技术的研发。采用添加结合剂和调整配合煤的体积密度来达到强度目标值（DI150/

13、15 ) =88)。2.4.2 从高炉煤气（BFG中分离回收CO2技术开发碳捕集与封存（CCS : Carbon Capture & Storage ）与节能不同，CCS是一项本身没有经济驱动力，在实施中还需要消耗一定能量（增加能耗）的技术。因此，重要的是在使化学 吸收液实用化的同寸，需与炼铁工艺进行整合 （余热利用和动力等能量直接回收） ，以便进步减少能源投入和降低成本。在COURSE5项目中，首先用试验化学吸收设备和多种高性能吸收液等进行了从高炉煤CO2气中分离回收 CO2的试验。收集定量的试验数据，评价对炼铁工艺的影响，并研究了分离回收工艺与炼铁工艺的整合模型，通过对整个系统评价和研究，

14、了解减排CO2 的程度和降低分离回收成本的效果（降低消耗能的效果）。为此，在进行小型设备（1t t-CO2/d )试验的基础上， 开发建设了 30t-C02/d 规模的化学吸收试验装置。 利用该装置可定量掌握使用多种高性能吸收液时的热平衡等工艺技术数据。在开发化学吸收液时， 对市场上销售的胺类吸收液的性能进行了评估，以通过这些吸收液的混合液达到最佳特性。 但是用这种方法不可能大幅度提高吸收液的性能。因此， 在地球环境产业技术研究机构( RITE： Research Institute of Innovative Technology for theEarth ）的指导下，从合成新型胺类吸收液和

15、添加催化剂入手，进行大幅度降低再生热量、综合吸收特性优良的吸收液的开发。不仅对化学吸收法进行了上述研究，还对物理吸附法分离回收CO2同时分离N2以提高可燃气体（ CO+H）2 价值的技术进行了研究。最后，为实现分离工艺效率最大化和适宜的规模，研究了化学吸收与物理吸附相结合的综合系统。为从高炉煤气中分离回收 C02需要新增蒸汽和电力等能量。如果从外部调配供给，在生产蒸汽和电力的地方又会产生C02为此，本研究提出将钢铁厂尚未利用的余热用于CO2分离回收的课题， 过去这些余热因技术方面或经济方面的原因而难以利用。具体开发技术为：钢渣显热回收技术；低温余热发电技术；潜热蓄热材料（ PCM： Phase

16、 Change Material ）的利用技术；热泵利用技术。开发目标是要在这些方面取得突破性进展。具有代表性的开发例子是钢渣显热回收技术的开发。钢渣是钢铁厂内温度最高的余热源，C02技术。化学吸温度高达1200-1600C。钢渣显热的回收目标是用于化学吸收法分离回收 收法分离回收 C02时要求的温度在120C以上。为提供分离 C02所需的热能，从钢渣回收的气体温度应达到140C以上，目前正在反复进行试验研究。2.5 小结正如各方指出的，发达国家的C02排放量到2050年要比现在减少 60%-80%,对钢铁业因此， 需要有像该项目采用革新技来说， 这一目标仅靠现行的节能减排方法是实现不了的，术

17、的新技术理念。该项目需由核心技术和各种相关技术组合进行实施。高炉利用氢还原等核心技术的研发工作，钢铁业自身就可以完成。 支持核心技术的其他相关技术的研发需要积极导入其他领域 的技术，因此本项目是多种技术的集合体， 系统整体设计很重要。 今后将制定最佳工艺方案，开展多种技术措施的研究，最终实现C02减排30%勺目标。3 废塑料循环利用 / 碳中和还原剂的利用现状及课题3.1 经过2000 年，日本钢铁业总能耗削减达到了极限，开始有效利用资源再循环的钢铁厂外的 能量资源。 1998 年，在日本铁钢联盟宣布的“防止地球变暖的自主行动计划”中，提出了 到 2010 年日本钢铁业利用 100 万 t/a

18、 废塑料，在 1990 年的水平上削减 1.5%能量。日本家庭排放的普通废塑料量约 490 万 t/a ，其中约 70%是用于容器包装的塑料。通过循环利用作作为钢铁工艺的替为普通废弃物焚烧和填埋处理的废塑料， 保证减量普通废弃物以及循环利用再生资源的资源 有效利用。 将日本国内未利用的废弃物如废塑料这样的厂外再循环资源， 代原料利用，节约了进口资源，减少了日本C02产生总量。产业基础设施的有效利用有助于 防止地球气候变暖（减排 C02、垃圾减量化减少焚烧炉和最终处理场、直接抑制焚烧和填埋的化学物质扩散。 2000 年 4 月实行了容器包装循环利用法。规定市民、自治体、事业者 以及再商品化事业者

19、的作用。 作为社会系统， 极大地推进了收集普通废弃物中废塑料的问题。2009 年自治体参与率约 55%，其人口覆盖率达到近70%，循环处理量近 70 万 t/a 。3.2 废塑料高炉原料化技术从 1996 年高炉喷吹废塑料开始商用化至今， 已有 14 年的历史。 从高炉风口将废塑料与 热风一同喷入， 在风口前回旋区燃烧、 气化，变为还原气， 作为铁矿石的还原剂和热源供给。可以降低高炉炉顶装入的焦炭量， 在降低高价焦煤的同时， 将不能有效利用的废塑料作为高炉的还原剂和热源利用，具有社会整体节能减排C02的效果，社会意义重大。固体塑料破碎， 薄膜状塑料制粒， 采用环状冲模。 包括薄膜系容器包装塑料氯乙烯采用比重分离处理。 系统由制粒等预处理、喷吹设备构成。废塑料高炉原料化，作为还原剂利用的化学循环利用率为 51%，将炉顶煤气再作为热量循环利用为29%，总计为 80%。最近