日本煉鐵技術(shù)COURSE50研發(fā)現(xiàn)狀

1、日本煉鐵技術(shù)COURSE50研發(fā)現(xiàn)狀1前言COURSE強(qiáng)日本新能源？產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO委托神戶制鋼、JFE、新日鐵、新日鐵工程公司、住友金屬、日新制鋼6家公司共同開(kāi)展的“環(huán)境友好型煉鐵技術(shù)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目，于2008年7月22日獲得通過(guò)?？紤]到今后對(duì)鋼鐵材料的需求會(huì)進(jìn)一步增加，并且又岡材的性能要求也在不斷提高，即使到2050年仍需要一定數(shù)量的鐵礦石還原生產(chǎn)高性能的鋼材。因此，將立足于鐵礦石還原能根本性減排CO的技術(shù)作為長(zhǎng)期項(xiàng)目展開(kāi)研發(fā)工作。該項(xiàng)目其中一項(xiàng)技術(shù)是碳還原鐵礦石產(chǎn)生的CO無(wú)害化處理技術(shù)。為此，需要開(kāi)發(fā)高效CO吸收劑、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)規(guī)模設(shè)備、開(kāi)發(fā)余熱吸收液體的再生技術(shù)等，通過(guò)這些技術(shù)開(kāi)

2、發(fā)形成從高爐煤氣中高效分離CO的技術(shù)。另一項(xiàng)技術(shù)是氫還原技術(shù)。氫還原技術(shù)是一項(xiàng)中長(zhǎng)期的創(chuàng)新型研發(fā)項(xiàng)目，在進(jìn)行氫還原機(jī)理等基礎(chǔ)性研究的同時(shí)，在氫源方面，副產(chǎn)煤氣的富氫技術(shù)也受到人們的重視。上述兩項(xiàng)技術(shù)都需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)研究，所以，各產(chǎn)業(yè)界都請(qǐng)求相關(guān)的大學(xué)和研究單位給予協(xié)作，盡快推進(jìn)開(kāi)發(fā)速度。這些開(kāi)發(fā)成果實(shí)用化時(shí)，分離回收CO的儲(chǔ)存和監(jiān)控技術(shù)、低CO的氫供給和電力供應(yīng)等社會(huì)基礎(chǔ)條件的整備也是不可缺少的。2COURSE5陂術(shù)概要COURSE50術(shù)開(kāi)發(fā)內(nèi)容是：利用焦?fàn)t800c余熱提高焦?fàn)t煤氣（COG氫含量技術(shù)、用氫還原鐵礦石的反應(yīng)控制技術(shù)、從高爐煤氣中分離并回收CO技術(shù)以及擴(kuò)大煉鐵廠余熱

3、利用減少CO排放技術(shù)。上述技術(shù)的開(kāi)發(fā)分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段20082012年，共5年；第二階段是綜合實(shí)驗(yàn)階段。最終目標(biāo)是使CO排放量減少30%第一階段（2012年）的目標(biāo)是：開(kāi)發(fā)減少高爐排放CO的技術(shù),研究氫還原鐵礦石的機(jī)理、研發(fā)控制氫還原鐵礦石反應(yīng)的基礎(chǔ)技術(shù)；,開(kāi)發(fā)氫濃度增加一倍的焦?fàn)t煤氣（COG富氫改質(zhì)技術(shù)；,在高爐用氫還原鐵礦石所需高強(qiáng)度-高反應(yīng)性焦炭制造技術(shù)方面，由于高爐的技術(shù)要求尚未確定，所以先確定中間實(shí)驗(yàn)的焦炭評(píng)價(jià)指標(biāo)。開(kāi)發(fā)從高爐煤氣（BFG分離回收CO的技術(shù)從高爐煤氣（BFG分離回收CO的成本目標(biāo)是2000日元/t-CO2。為實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)目標(biāo)開(kāi)展的研究工作見(jiàn)表1表3。表1減少高

4、爐排放CO技術(shù)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的子課題研究?jī)?nèi)容1氫還原鐵礦石技術(shù)的開(kāi)發(fā)COGF燥-富氫化1-1氫/COG循環(huán)的最佳工藝開(kāi)發(fā)改質(zhì)COGU高爐噴吹的最佳工藝開(kāi)發(fā)1-2還原性評(píng)價(jià)技術(shù)的開(kāi)發(fā)大量使用改質(zhì)CO俄術(shù)的開(kāi)發(fā)（還原性評(píng)價(jià)技術(shù)、熱補(bǔ)償技術(shù)）1-3還原氣吹入時(shí)高爐內(nèi)反應(yīng)過(guò)程評(píng)價(jià)技術(shù)的開(kāi)發(fā)高爐還原氣循環(huán)使CO排放量降低效果的預(yù)測(cè)（涉及到鐵礦石低溫還原和粉化現(xiàn)象）2技術(shù)開(kāi)發(fā)3氫還原鐵礦石用的焦碳制造技術(shù)利用觸媒改質(zhì)高溫CO俄術(shù)的開(kāi)發(fā)用高性能粘結(jié)劑制造高強(qiáng)度-高反應(yīng)性焦炭技術(shù)的開(kāi)發(fā)表2從高爐煤氣（BFG分離回收CO技術(shù)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的子課題研究?jī)?nèi)容4CO2分離回收技術(shù)的開(kāi)發(fā)4-1-1化學(xué)吸收實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)30tC

5、OJd實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)、用過(guò)程模擬獲得工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)4-1-2化學(xué)吸收液的開(kāi)發(fā)CO分離回收所用熱量小的新型吸收液的開(kāi)發(fā)4-2物理吸附技術(shù)的開(kāi)發(fā)用物理吸附法從高爐煤氣中分離出CO和N2技術(shù)的開(kāi)發(fā)4-3分離技術(shù)綜合工藝的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)CO分離回收技術(shù)與余熱利用技術(shù)綜合工藝最佳化5未利用顯熱回收技術(shù)的開(kāi)發(fā)5-1未利用顯熱利用技術(shù)未利用顯熱調(diào)查及利用技術(shù)、在評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上為本項(xiàng)目第二階段的研究提出方向5-2鋼渣顯熱回收技術(shù)穩(wěn)定制造可熱回收的鋼渣制品并使熱回收率最大化5-3余熱回收利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)擴(kuò)大應(yīng)用低熱能發(fā)電系統(tǒng)表3煉鐵新工藝綜合評(píng)價(jià)及研究項(xiàng)目的子課題6煉鐵新工藝綜合評(píng)價(jià)及研究研究?jī)?nèi)容對(duì)各項(xiàng)研發(fā)技術(shù)的指標(biāo)進(jìn)行

6、整合、綜合調(diào)整，對(duì)煉鐵廠整體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及綜合研究。3COURSE5蒯發(fā)工作的主要進(jìn)展3.1 減少高爐排放CO技術(shù)的開(kāi)發(fā)減少高爐排放CO技術(shù)的開(kāi)發(fā)課題涉及許多研究?jī)?nèi)容（如圖1所示），由各參加單位分擔(dān)進(jìn)行研究該課題在對(duì)高爐使用富氫改質(zhì)COG（30%CO60%H）時(shí)爐內(nèi)還原行為進(jìn)行研究的同時(shí)，還進(jìn)行了礦石還原粉化研究、高爐上部熱補(bǔ)償研究、高爐內(nèi)局部狀況評(píng)價(jià)研究（模型模擬），目的是對(duì)CO減排量進(jìn)行定量研究。此外，該課題還開(kāi)發(fā)了高爐使用改質(zhì)COG寸煉鐵廠能耗和CO平衡評(píng)價(jià)系統(tǒng)。即在使用改質(zhì)COG勺條件下,建立基于熱平衡數(shù)學(xué)模型的能耗和CO平衡評(píng)價(jià)系統(tǒng)并進(jìn)行估算，考察利用和不利用改質(zhì)COG青況下的能耗和

7、CO平衡差異。羯按廠整若的能量、CO.平街的拜伊漏足球盛COG收入金件的高蜃度離反應(yīng)討焦雙料算發(fā)焦鼠喊日造漸燃般MUt瞬定先然三以吹入熱用防止tut球選擰中述鼎舲匕Jft盥產(chǎn)索恩味人住.愫COG履篙時(shí)K&T，的名*設(shè)建葉/R的富士牝*乩加罐，北界靜忤的需爐內(nèi)及應(yīng)業(yè)噴的評(píng)除一：修定收居（：X：也A的描仕品將展劉重打性被研堂可戔*于是T岬槿1!嶼茂鵬8G座用途幌弱已際的高暴，桑仔就卻暗擊時(shí)課卷砒髭修行涓套界定量桑定kd典排曲素米圖1氫還原鐵礦石技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目分解圖一項(xiàng)主要的研究成果是模擬研究吹入改質(zhì)COG寸高爐內(nèi)還原率的變化情況（圖2）。圖中的虛線是吹入氫提高礦石綜合還原率的理論值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

8、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該值，主要原因：一是從高爐的塊狀帶到軟融帶上部，H2的還原作用活躍；二是H2O和C汽化產(chǎn)生的CO+CO曾加。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，如果能夠順利向高爐吹入改質(zhì)COG就可以提高礦石的還原率并削減CO排放量。這是非常值得期待的結(jié)果。圖2氫提高還原率的效果（虛線是單純由氫提高還原率的理論值）關(guān)于改質(zhì)COG:入量與產(chǎn)生的CO排放量間的關(guān)系正在研究中。其它方面正在進(jìn)行的研究還有在模擬半徑方向和高度方向的二元反應(yīng)行為的高爐總體模型內(nèi)增加吹入改質(zhì)COG勺功能，建立能夠?qū)€原氣體循環(huán)時(shí)高爐內(nèi)還原行為進(jìn)行定量預(yù)測(cè)的模擬系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)在考慮到燒結(jié)礦等礦石低溫還原和粉化現(xiàn)象的情況下，對(duì)高爐吹入還原性氣體進(jìn)行模擬，用

9、數(shù)學(xué)方法評(píng)定還原性氣體循環(huán)產(chǎn)生的CO減排效果。本研究的目的是通過(guò)改質(zhì)CO印氫在高爐內(nèi)的還原作用，減少傳統(tǒng)還原劑焦炭的用量，從而減少焦炭制造和使用過(guò)程中產(chǎn)生的CO。因此，首先要研究的課題是明確高爐用氫還原鐵礦石對(duì)焦炭特性的要求，并開(kāi)發(fā)滿足這種要求的焦炭制造技術(shù)。3.2 從高爐煤氣（BFG分離回收CO技術(shù)的開(kāi)發(fā)近年來(lái)，CCS（碳捕集與封存技術(shù)）作為中長(zhǎng)期防止地溫室效應(yīng)對(duì)策而備受關(guān)注。作為CCS術(shù)的一部分，從火力發(fā)電燃燒廢氣中分離回收CO的技術(shù)已經(jīng)在世界各國(guó)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該技術(shù)的關(guān)鍵是提高化學(xué)吸收法的吸收液性能（降低再生熱量等）。日本地球環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)（RITE）也在進(jìn)行化學(xué)吸收液的基礎(chǔ)性研發(fā)工作

10、。但是CCST節(jié)能不同，CCS1一項(xiàng)本身沒(méi)有經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力，并且在實(shí)施中還需要消耗一定能量（增能）的技術(shù)課題。因此，重要的問(wèn)題就是在使化學(xué)吸收液實(shí)用化的同時(shí)，需與煉鐵工藝進(jìn)行整合，以便進(jìn)一步減少能源投入和降低成本。與火力發(fā)電燃燒廢氣的情況不同，從BFG中分離回收CO時(shí)，具有CO濃度高和CO量常年穩(wěn)定等有利條件，但是為了將CO分離后的氣體返回高爐循環(huán)利用，就必須認(rèn)真研究CO的分離回收對(duì)煉鐵工藝的影響。因此在開(kāi)發(fā)中，利用實(shí)驗(yàn)化學(xué)吸收裝備用多種高性能吸收液從BFG進(jìn)行分離回收CO實(shí)驗(yàn)，收集定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)對(duì)煉鐵工藝的影響，研究CO分離回收工藝與煉鐵工藝的整合模型，通過(guò)對(duì)全系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和研究，了解該項(xiàng)分

11、離技術(shù)實(shí)用化時(shí)CO削減的程度和降低分離回收成本的效果。在小型裝置（1tCO/d）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基石開(kāi)發(fā)30tCO2/d可獨(dú)立用熱的實(shí)驗(yàn)裝置。利用該實(shí)驗(yàn)裝置可以定量掌握多種高性能吸收液使用時(shí)的熱平衡等工藝數(shù)據(jù)。在開(kāi)發(fā)化學(xué)吸收液時(shí)，對(duì)市場(chǎng)銷售的胺類吸收液的特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以通過(guò)這些吸收液的混合液達(dá)到最佳特性。但是用這種方法提高吸收液性能是有限的。因此，在RITE的協(xié)助下，從合成新型胺類吸收液和觸媒添加劑入手，進(jìn)行大幅度降低再生熱量、綜合吸收特性優(yōu)良的吸收液的開(kāi)發(fā)。在開(kāi)發(fā)工作中采用了過(guò)去很少使用的量子化學(xué)計(jì)算等計(jì)算化學(xué)方法，在電子級(jí)別上闡明吸收液和CO發(fā)生反應(yīng)時(shí)的支配因子，為實(shí)驗(yàn)研究提供了有用思路。并且

12、在現(xiàn)有胺類吸收液數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多元回歸模型解析法設(shè)計(jì)高性能胺化合物和胺混合物，對(duì)計(jì)算化學(xué)的理論方法起到了相輔相成的作用。不僅對(duì)化學(xué)吸收法進(jìn)行了上述研究，還對(duì)物理吸附法分離回收CO同時(shí)分離M以提高可燃?xì)怏w（CO+H）價(jià)值的技術(shù)進(jìn)行了研究。特別對(duì)高爐煤氣中各種成分的綜合分離條件進(jìn)行了分析，推進(jìn)壓力變換型（PSA）商用分離機(jī)的開(kāi)發(fā)。利用壓力變換法，在升壓時(shí)將高爐煤氣中某一組分吸附在吸附劑內(nèi)，在減壓時(shí)使被吸附組分脫離吸附劑。通過(guò)反復(fù)升壓減壓操作將高爐煤氣中某一組分分離出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，升壓減壓風(fēng)機(jī)的動(dòng)力（電力）占分離成本的一大半，降低這部分成本十分重要。在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先從現(xiàn)有的吸附

13、劑中選取優(yōu)良的吸附劑，然后查明使用這些吸附劑時(shí)滿足各個(gè)開(kāi)發(fā)目標(biāo)所要求的分離工藝條件。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以成本作為評(píng)價(jià)指標(biāo)考察分離的綜合條件（CO回收率、回收CO的濃度、可燃?xì)怏w（CO+®回收率等全工藝最佳值）。最后，為實(shí)現(xiàn)分離工藝效率最大化和適宜的規(guī)模，進(jìn)行化學(xué)吸收和物理吸附相組合的綜合系統(tǒng)的研究。為從高爐煤氣中分離回收CO,需要新增蒸汽和電力。如果從外部調(diào)配，在生產(chǎn)蒸汽和電力的工廠又會(huì)產(chǎn)生CO。因此，本研究提出將煉鐵廠尚未利用的余熱用于CO分離回收的課題，這些余熱在過(guò)去由于技術(shù)方面或經(jīng)濟(jì)方面的原因難以利用。具體工作是要在鋼渣顯熱回收技術(shù)、低溫余熱發(fā)電技術(shù)、PCM（潛熱蓄熱材料）利

14、用技術(shù)、熱泵利用技術(shù)等方面取得突破性進(jìn)展。在這方面代表性的開(kāi)發(fā)工作是鋼渣顯熱回收技術(shù)。鋼渣是鋼鐵廠溫度最高的余熱源，溫度高達(dá)1200c1600co過(guò)去對(duì)鋼渣的處理方法是空冷或噴灑一部分水，將鋼渣從熔融狀態(tài)冷卻凝固到常溫，顯熱沒(méi)有被有效利用。與高爐渣利用相比，發(fā)揮鋼渣特性的高附加值用途較少。因此，鋼渣顯熱回收也擴(kuò)大了鋼渣的新用途。鋼渣顯熱回收可用于化學(xué)吸收法分離回收CO技術(shù)。化學(xué)吸收法分離回收CO時(shí)要求的溫度在120c以上。為提供分離所需要的熱能，從鋼渣回收的氣體溫度應(yīng)達(dá)到140c以上。目前正在反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究。4小結(jié)日本正在持續(xù)不斷地實(shí)施世界頂級(jí)水平低碳經(jīng)濟(jì)的節(jié)能措施，在產(chǎn)業(yè)界能源消耗方面，鋼鐵業(yè)的單位能耗是世界最低的。正如各方面所指出的那樣，發(fā)達(dá)國(guó)家的CO排放量到2050年