劉文權(quán)

(冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100711)

低碳煉鐵技術(shù)研究

劉文權(quán)

(冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100711)

通過對鋼鐵工業(yè)不同工序和不同流程CO2排放狀況的分析，指出低碳煉鐵是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是低碳煉鐵的第一步。對國外低碳煉鐵技術(shù)作了介紹，并對低碳煉鐵技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和創(chuàng)新等進(jìn)行了描述。

低碳煉鐵;二氧化碳;低碳經(jīng)濟(jì);節(jié)能減排

1 引言

2009年哥本哈根氣候變化會議后，低碳經(jīng)濟(jì)迅速成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。低碳經(jīng)濟(jì)是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，是對現(xiàn)行大量消耗化石能源、大量排放CO2的生產(chǎn)生活方式的根本變革。我國政府承諾到2020年，單位GDP的CO2排放量比2005年下降40%～45%，并作為約束性指標(biāo)被納入國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中長期規(guī)劃。

鋼鐵工業(yè)是主要溫室氣體排放行業(yè)之一，從全球統(tǒng)計(jì)來看，鋼鐵工業(yè)排放的CO2占全球溫室氣體總排放量的4%～5%（國際能源組織IEA發(fā)布），而我國鋼鐵工業(yè)CO2的排放量占全國排放總量的12%左右。因此，鋼鐵企業(yè)承擔(dān)節(jié)能減排的任務(wù)責(zé)無旁貸并承擔(dān)著巨大的減排壓力。減少CO2排放，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成為未來鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重要前提。

2 低碳煉鐵是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵

2.1 鋼鐵工業(yè)各工序CO2排放狀況

碳是鋼鐵冶金過程能量流與物質(zhì)流的主要載體，鐵礦石依靠焦炭和煤粉還原成鐵水，而鐵水中的碳又是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程升溫及能量平衡的保證。因此，鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)就是碳冶金學(xué)。而鋼鐵冶金過程產(chǎn)生的CO2主要來自于高爐中煤和焦炭與鐵礦石的化學(xué)反應(yīng)，即鐵礦石的還原過程，煉鐵工序直接和相關(guān)CO2排放超過90%[1]。因此，低碳煉鐵是鋼鐵企業(yè)CO2減排的關(guān)鍵。煉鐵工業(yè)CO2減排責(zé)任重大，而發(fā)展低碳煉鐵技術(shù)任重而道遠(yuǎn)。

2.2 鋼鐵工業(yè)不同生產(chǎn)流程CO2排放差異（見圖1）

圖1 傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)流程中不同工序的CO2排放分布

2009年，全球高爐生鐵產(chǎn)量為8.98億t；直接還原鐵產(chǎn)量為6200萬t，僅占世界鐵產(chǎn)量的6.9%。我國的生鐵產(chǎn)量為54,375萬t，占世界生鐵總產(chǎn)量的60.53%。目前高爐流程為生鐵生產(chǎn)的主流工藝，且在短期內(nèi)不會有較大改變。不同流程生產(chǎn)1t鋼產(chǎn)生的CO2排放情況見表1[2]。我國鋼鐵工業(yè)鐵鋼比高是造成單位鋼產(chǎn)量CO2排放強(qiáng)度高的最主要原因。我國鋼鐵累積量小，廢鋼資源緊缺，大宗廢鋼質(zhì)量差，耗電高，電爐鋼比例低（2008年世界主要國家和地區(qū)電爐鋼比情況見圖2），導(dǎo)致我國鋼鐵工業(yè)鐵鋼比一直居高不下（近年來我國鐵鋼比情況見圖3）。同時(shí)，高爐流程單位的排放強(qiáng)度是電爐流程的4倍左右，而且目前國內(nèi)大多數(shù)電爐鋼企業(yè)為提高成本競爭力，多采用配加電爐配加熱鐵水生產(chǎn)工藝。另外，我國鋼鐵工業(yè)一次能源以煤炭為主，占能源消費(fèi)總量的70%左右，而且煤發(fā)熱量、灰分、硫分等質(zhì)量指標(biāo)與美國、德國和日本等國相比，存在比較明顯的差距。石油類能源和天然氣所占比例比發(fā)達(dá)國家低15%～25%。從而造成了能源利用效率相對較低。

表1 不同流程生產(chǎn)1t鋼產(chǎn)生的CO2排放情況

圖2 2008年世界主要國家和地區(qū)電爐鋼比情況

3 國外鋼鐵工業(yè)低碳煉鐵技術(shù)研究

煉鐵系統(tǒng)（含焦化、燒結(jié)球團(tuán)）是鋼鐵生產(chǎn)中CO2的主要排放工序，直接和相關(guān)排放占鋼鐵工業(yè)總排放量的90%以上。由于裝備及工藝技術(shù)的改進(jìn)，鋼鐵工業(yè)的CO2排放量與20世紀(jì)70年代相比已降低了約50%。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家正在研發(fā)超低CO2排放的鋼鐵生產(chǎn)工藝。

圖3 近年來我國鐵鋼比情況

3.1 歐洲的超低CO2排放項(xiàng)目（ULCOS）

歐洲鋼鐵企業(yè)在國際鋼鐵協(xié)會的協(xié)調(diào)下，由安賽樂米塔爾公司牽頭對“超低CO2排放（ULCOS）”項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)。ULCOS作為一項(xiàng)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目，旨在開發(fā)突破性的煉鋼工藝，實(shí)現(xiàn)CO2減排的目標(biāo)。ULCOS的研究包括了從基礎(chǔ)性工藝的評估到可行性的研究實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作。從所有可能減排CO2的潛在技術(shù)中進(jìn)行分析，選擇出最有前景的技術(shù)。以成本和技術(shù)可行性為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇，對其工業(yè)化示范性水平進(jìn)行評估，最后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

該項(xiàng)目集中了歐洲48個(gè)鋼鐵公司、研究院所的力量，旨在通過突破性的技術(shù)發(fā)展，比如回收高爐煤氣，利用氫氣和生物質(zhì)能，開發(fā)分離CO2以及如何在適合的地理結(jié)構(gòu)中貯存CO2等技術(shù)，使鋼鐵工業(yè)的CO2排放量進(jìn)一步減小30%～70%。該項(xiàng)目分三個(gè)階段實(shí)施。

（1）第一階段（2004—2009年）

第一階段的主要任務(wù)是分別測試以煤炭、天然氣、電以及生物質(zhì)能為基礎(chǔ)的鋼鐵生產(chǎn)路線，是否有潛力滿足鋼鐵業(yè)未來減排CO2的需求。

（2）第二階段（2009—2015年）

在第一階段測試成果的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有工廠進(jìn)行兩個(gè)相當(dāng)于工業(yè)化的試驗(yàn)，并且至少運(yùn)行一年，從而檢驗(yàn)工藝中可能出現(xiàn)的問題，以便進(jìn)行修正，并且估算投資和運(yùn)營費(fèi)用。

（3）第三階段（2015年—）

第三階段的主要任務(wù)是在對第二階段工業(yè)化試驗(yàn)成果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，建設(shè)第一條工業(yè)生產(chǎn)線，這個(gè)階段有別于一般意義上的研發(fā)，它將成為真正的工業(yè)實(shí)踐，而且在該階段，這個(gè)項(xiàng)目會受到歐盟在財(cái)政上的大力支持。

3.2 日本的CO2減排革新技術(shù)（COURSE50）

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省在2008年3月公布的“冷卻地球－能源革新技術(shù)計(jì)劃”中提出了“應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)研究的能源革新技術(shù)”，即依靠采用突破性技術(shù)來實(shí)現(xiàn)CO2減排的目標(biāo)工作，共選定21個(gè)項(xiàng)目，其中之一為COURSE50技術(shù)。

COURSE50的目標(biāo)是通過開發(fā)CO2的吸收液和利用廢熱的再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高爐煤氣的CO2分離和回收。進(jìn)而通過與地下、水下CO2貯留技術(shù)革新相結(jié)合，將向大氣排放的CO2減至最小。主要研發(fā)的技術(shù)包括用氫還原鐵礦石的技術(shù)開發(fā)；焦?fàn)t煤氣提高氫含量的技術(shù)開發(fā)；CO2分離、回收技術(shù)開發(fā)；顯熱回收技術(shù)開發(fā)等。減排目標(biāo)如果能夠?qū)崿F(xiàn)，即可使CO2減排30%（使CO2排放從1.64tCO2/t粗鋼降低到1.15tCO2/t粗鋼）。但考慮此時(shí)需要以某種形式補(bǔ)充焦?fàn)t煤氣的能量，因此考慮是否可應(yīng)用核電等不產(chǎn)生CO2的能源。

3.3 韓國的驅(qū)逐碳的煉鐵項(xiàng)目

浦項(xiàng)制鐵制定了長遠(yuǎn)開發(fā)計(jì)劃，即開發(fā)出超高溫氫氣核反應(yīng)堆，它能將950℃以上的高溫原子吸收進(jìn)來。浦項(xiàng)制鐵將與韓國核能研究所合作，共同開發(fā)第四代核反應(yīng)堆，從而能夠產(chǎn)生950℃以上的高溫和以低廉的成本生產(chǎn)出大量的氫。浦項(xiàng)制鐵確定的目標(biāo)是到2050年開發(fā)出核反應(yīng)堆的煉鐵新技術(shù)。而在此之前，浦項(xiàng)制鐵制定了在利用現(xiàn)有技術(shù)煉鐵的基礎(chǔ)上將CO2排放量降低到最低水平的計(jì)劃方案：在2020年之前生產(chǎn)1t鋼鐵排放的CO2要比2007—2009年平均下降9.0%。浦項(xiàng)制鐵計(jì)劃分兩步走：第一步是在2015年之前采用減排新設(shè)備和新技術(shù)進(jìn)行廢熱氣發(fā)電，使生產(chǎn)1t鋼鐵排放的CO2平均減少3%；第二步是在2020年之前，采用不需要再加熱的煉鋼和熱軋工藝技術(shù)，使生產(chǎn)1t鋼鐵排放的CO2平均再減少6%。由此，到2020年浦項(xiàng)制鐵生產(chǎn)1t鋼鐵排放的CO2量將由目前的2.18t下降至1.98t[3]。

4 我國的低碳煉鐵技術(shù)發(fā)展方向

由于在短期內(nèi)我國鋼鐵行業(yè)還很難改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和廢鋼資源不足的現(xiàn)狀。當(dāng)前CO2的減排主要依賴于在淘汰落后裝備和技術(shù)的前提下，采用技術(shù)改造和不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程，以提高對副產(chǎn)煤氣和余熱、余能的回收利用率，從而進(jìn)一步降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4.1 節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的第一步

中國工程院院長徐匡迪指出“節(jié)能、提效、減排，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是走向低碳經(jīng)濟(jì)的第一步”?；谖覈膯挝荒芎呐c國際先進(jìn)水平尚有15%～20%的差距這一現(xiàn)實(shí)，在2020年前，鋼鐵工業(yè)碳減排的主要對策是以節(jié)能減排為主；2020—2030年，鋼鐵工業(yè)設(shè)備達(dá)到更新周期時(shí)，應(yīng)考慮高爐煤氣循環(huán)和焦?fàn)t煤氣重整后噴吹，及H2、CO氣體直接還原，將單位產(chǎn)能CO2排放再降低10%～20%。

4.1.1 淘汰落后，實(shí)現(xiàn)裝備大型化和合理化

高爐大型化具有生產(chǎn)效率高、降低消耗、節(jié)約人力資源、提高鐵水質(zhì)量、減少環(huán)境污染等突出優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，落后的小高爐燃料比一般要比大高爐高30～50kg/t。落后和低水平工業(yè)裝備能耗高，二次能源回收低，污染處理難度大。如果鋼鐵企業(yè)開征碳稅，將對煉鐵生產(chǎn)裝備、運(yùn)行成本、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品競爭力等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此鋼鐵工業(yè)尤其是煉鐵企業(yè)要密切關(guān)注國家碳稅政策制定的進(jìn)展，及早編制低碳經(jīng)濟(jì)規(guī)劃，研究和制定碳減排的實(shí)施方案。

4.1.2 降低高爐燃料比的技術(shù)

煉鐵系統(tǒng)減少CO2排放的研究方向主要有：1）減少所用碳量，在現(xiàn)有高爐生產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低燃料比；2）減少對碳的依賴，開辟不含碳或者含碳少的還原劑，如天然氣和廢塑料等。因?yàn)槊禾渴荂O2排放量高的燃料，消耗每噸煤炭的碳排放量為0.7t，而天然氣和塑料排放的CO2較少，消耗每噸天然氣的碳排放量為0.39t[4]。

我國煉鐵燃料比與國際先進(jìn)水平的差距在40kg/t以上，主要原因是我國高爐風(fēng)溫比國際先進(jìn)水平低100℃～150℃；噴煤比與國際領(lǐng)先水平的差距在40kg/t左右；高爐入爐礦品位比國際先進(jìn)水平低3%左右；焦炭灰分比工業(yè)發(fā)達(dá)國家高3%，含硫量高約1.5%，同時(shí)爐料成分波動大是我國燃料比高的重要原因[5]。影響高爐燃料比變化因素見表2，近年來我國重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)單位燃料比見圖4。

4.1.3 低碳煉鐵共性和關(guān)鍵技術(shù)的集成

低碳煉鐵共性和關(guān)鍵技術(shù)的集成主要有干法熄焦技術(shù)（CDQ）、煤調(diào)濕技術(shù)（CMC）、高爐噴吹廢塑料、廢塑料與煤共焦化、燒結(jié)余熱回收蒸氣或余熱發(fā)電、高爐干式布袋除塵、煤氣余壓透平發(fā)電（TRT）、熱風(fēng)爐雙預(yù)熱和煙氣余熱利用技術(shù)、高爐富氧噴煤技術(shù)、高爐煤氣回收及綜合利用、燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（CCPP）等技術(shù)，可降低生產(chǎn)過程的單位產(chǎn)品能耗并提高資源的綜合利用率。

表2 影響高爐燃料比（焦比+煤比+小塊焦比）變化因素

圖4 近年來我國重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)單位燃料比

4.1.4 低碳煉鐵技術(shù)的細(xì)節(jié)改進(jìn)

（1）合理的燒結(jié)返礦率

合理減少返礦（合理的返礦率在25%左右，但我國燒結(jié)機(jī)返礦率一般在40%～60%），重復(fù)燒結(jié)率高會大幅增加能耗。同時(shí)建立高水平的專家系統(tǒng)，精確燒結(jié)終點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)自動化操作和管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）降低燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率

改善燒結(jié)機(jī)和冷卻機(jī)及相關(guān)的風(fēng)流系統(tǒng)的密封裝置，減少燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率（國際先進(jìn)水平為10%～20%；國內(nèi)為30%～50%）。采取低負(fù)壓、低風(fēng)量（燒結(jié)風(fēng)量配備：日本為80%～85%；我國為100～105m3/m2有效抽風(fēng)面積）的“慢風(fēng)燒結(jié)”工藝。燒透燒好，不追求產(chǎn)量，力求低能耗。另外，提高風(fēng)機(jī)效率（國外平均為85%；國內(nèi)平均為78%）和工藝風(fēng)機(jī)調(diào)速，以降低電能量消耗[6]。

（3）降低高爐噸鐵風(fēng)耗

高爐利用系數(shù)＝冶煉強(qiáng)度/燃料比。提高利用系數(shù)有兩個(gè)辦法：一是高冶煉強(qiáng)度作業(yè)；二是降低燃料比。我國的一些中小高爐目前是通過采用大風(fēng)量、高冶煉強(qiáng)度的方法達(dá)到提高利用系數(shù)的目的，在高爐設(shè)計(jì)時(shí)就采用大風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)出力與高爐容積比大于2，甚至達(dá)到2.5。由于風(fēng)機(jī)處于“大馬拉小車”的狀態(tài)，風(fēng)耗在1300～1500m3/t鐵，因而造成了煉鐵工序能耗高。因?yàn)槿紵?kg標(biāo)煤，要2.5m3風(fēng)，動力消耗0.85kg標(biāo)煤。寶鋼高爐的燃料比為484kg/t左右，風(fēng)耗在950m3/t鐵左右。鼓風(fēng)機(jī)與高爐爐容的比例應(yīng)控制在1.6～1.7。

（4）脫濕鼓風(fēng)

隨著我國鋼鐵工業(yè)布局的調(diào)整，大型高爐轉(zhuǎn)向沿海、沿江等地區(qū)建設(shè)，大氣濕度波動對大型高爐的影響不容忽視。高爐鼓風(fēng)含濕量每降低1g/m3，綜合焦比降低1kg/t，增加噴煤2.23kg/t，置換焦炭1.78kg/t，因而脫濕鼓風(fēng)減少爐腹煤氣量，有利于高爐順行而增加產(chǎn)能0.1%～0.5%。同時(shí)還可節(jié)約鼓風(fēng)機(jī)電耗，降低煤氣消耗。

（5）煤粉、焦炭水分的測定

水分含量的變化直接影響高爐爐溫的控制，而爐溫的上下波動不僅關(guān)系到生鐵的含硫和含硅量、焦比和能源消耗，還會直接影響高爐產(chǎn)量、使用壽命和生鐵質(zhì)量等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。采用中子水分測定儀使入爐有效熱能恒定，從而穩(wěn)定爐溫，進(jìn)而保證了高爐的穩(wěn)定順行，為高爐增產(chǎn)節(jié)焦創(chuàng)造有利條件。

4.1.5 低碳煉鐵技術(shù)創(chuàng)新

（1）預(yù)還原爐料技術(shù)

日本的高爐使用預(yù)還原燒結(jié)礦，可大大減少還原劑比，使煉鐵工序的碳耗總量減少。如果燒結(jié)礦預(yù)還原率為70%，整個(gè)煉鐵工序的耗碳量可減少約10%。針對現(xiàn)有鐵礦資源，為降低高爐還原劑比而開發(fā)的強(qiáng)化制粒等技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用。目前，燒結(jié)涂層制粒技術(shù)，已經(jīng)在日本JFE公司的2臺燒結(jié)機(jī)上應(yīng)用。高爐使用涂層制粒燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)的燒結(jié)礦，使焦比降低1.4%，利用系數(shù)提高1.0%。

（2）高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)

高爐采用爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)的過程中，鐵礦的還原全部由上部交換裝置的煤氣（溫度低于900℃）來完成。這樣不會發(fā)生在高溫下由于直接還原發(fā)展導(dǎo)致的碳消耗增加的現(xiàn)象。為了使鐵礦石充分還原，必須把大量還原氣體噴進(jìn)爐身下部。脫碳后的爐頂煤氣含有大量的CO和H2，在加熱到900℃后，噴進(jìn)高爐爐身下部。理論模型計(jì)算表明，該工藝的焦炭用量為204kg/t，CO2排放量（包括在CO2洗滌器去除的部分）為1177kg/t，比常規(guī)高爐（CO2排放總量約1557kg/t）減少24%。

（3）高爐噴吹廢塑料、焦?fàn)t煤氣和天然氣等

噴吹1kg廢塑料，相當(dāng)于1.2kg煤粉，而且會使高爐冶煉每噸鐵的渣量降低。噴吹廢塑料100kg/t，可降低渣量30～40kg/t。廢塑料成分簡單，含氫量是普通還原劑的3倍，高爐每噴吹1t廢塑料可減排0.28tCO2。德國不來梅鋼鐵公司、安塞樂-米塔爾EKO鋼鐵公司等均采用高爐噴吹廢塑料；日本JFE鋼鐵在京濱廠和福山廠利用高爐噴吹廢塑料，神戶制鋼在加古川利用高爐噴吹廢塑料，新日鐵成功在焦煤中試摻入1%～2%廢塑料用于煉焦。2010年日本高爐、焦?fàn)t利用廢塑料可望達(dá)100萬t。

在20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)已在多座高爐上完成了噴吹焦?fàn)t煤氣的試驗(yàn)研究，掌握了1.8～2.2m3焦?fàn)t煤氣替代1m3天然氣的冶煉技術(shù)，噴吹量達(dá)到227m3/t。馬凱耶沃鋼鐵公司的兩座高爐固定噴吹焦?fàn)t煤氣，噴吹量為95m3/t，并在短期內(nèi)將噴吹量增至160m3/t。法國索爾梅廠2號高爐開始進(jìn)行噴吹焦?fàn)t煤氣作業(yè)，噴吹量達(dá)21,000m3/h，噴吹的焦?fàn)t煤氣與焦炭的置換比為0.9kg/m3。美國鋼鐵公司MONVALLEY廠的兩座高爐（工作容積分別為1598m3和1381m3）自1994年起一直噴吹焦?fàn)t煤氣，2005年的噴吹總量達(dá)14.16萬t，噴吹量約65kg/t。噴吹焦?fàn)t煤氣后，降低了天然氣的噴吹量，消除了焦?fàn)t煤氣的放空燃燒，減少了能源成本[7]。

目前，高爐噴吹天然氣在北美洲的高爐中已經(jīng)大量應(yīng)用。

（4）高爐爐渣回收利用及余熱發(fā)電

高爐渣是一種性能良好的硅酸鹽材料，通過處理后可作為生產(chǎn)水泥的原料，由此可節(jié)約生產(chǎn)水泥原料45%，節(jié)約能源50%，并減少CO2排放量44%。由此可見，充分并科學(xué)地利用好高爐渣具有很大的節(jié)能潛力。日本川崎鋼鐵公司和川崎重工公司于20世紀(jì)80年代聯(lián)合設(shè)計(jì)了高爐渣干式造粒及余熱回收裝置；我國北方利用爐渣余熱冬季采暖；國內(nèi)企業(yè)正在研究采用螺桿膨脹動力雙循環(huán)技術(shù)，建設(shè)高爐爐渣余熱發(fā)電機(jī)組，回收沖渣熱水的余熱資源。

4.2 低碳煉鐵技術(shù)的未來發(fā)展方向

在實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵的過程中，一方面要推廣低碳煉鐵共性和關(guān)鍵集成技術(shù)，降低高爐煉鐵的能耗水平；另一方面要尋求新的生產(chǎn)流程，做好技術(shù)儲備，進(jìn)一步降低CO2排放量。我國大型高爐工藝的未來發(fā)展趨勢為：CO2削減+節(jié)能+低成本，低碳煉鐵技術(shù)的發(fā)展方向主要如下：

（1）液態(tài)低溫?zé)掕F技術(shù)

鋼鐵研究總院提出了低溫快速還原理論，通過提高低溫下鐵礦石的還原，降低煉鐵能耗，實(shí)現(xiàn)無燒結(jié)、無焦化煉鐵，降低煉鐵能耗可達(dá)25%以上。日本在液態(tài)低溫?zé)掕F技術(shù)方面已取得了一定的進(jìn)展，尋求高爐內(nèi)反應(yīng)過程的新突破，利用造塊技術(shù)，重新處理鐵礦石，將耗能大的化學(xué)反應(yīng)減少，高溫火法冶金，可以降低高爐能耗50%，減少CO2排放50%。

（2）全氧高爐（無氮高爐）冶煉

該技術(shù)的特點(diǎn)是將鼓入的空氣改為氧氣，高爐爐頂煤氣中的CO2經(jīng)洗滌吸收后，剩余的CO返回，從噴煤載體新一排風(fēng)口送入，可大大降低CO2排放。增加噴煤比，降低焦比，煤比大于300kg/t，焦比小于200kg/t。1986年NKK公司第一次試驗(yàn)證明氧氣高爐在技術(shù)上是可行的。歐洲經(jīng)過理論研究后，LKAB公司定于2009年年底開始中試試驗(yàn)。

（3）帶等離子加熱裝置的高爐冶煉

將部分爐頂煤氣中的CO2通過CO2和C反應(yīng)生成CO。該反應(yīng)是吸熱高溫反應(yīng)，采用等離子加熱至3400℃就可促使這一反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生的CO通過風(fēng)口吹入，爐頂煤氣中的CO2與焦炭中的碳發(fā)生吸熱反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃O，火焰溫度降至2150℃。另一部分爐頂煤氣和無氮高爐一樣進(jìn)入洗滌器除去CO2，然后被加熱到900℃，通過第二排風(fēng)口噴入高爐爐身下部。由于不再采用噴煤技術(shù)，僅用焦炭作骨架，模型計(jì)算結(jié)果為，焦比降至235kg/t，總CO2排放量（包括CO2洗滌器去除的部分）為785kg/t，比常規(guī)高爐CO2排放總量減少51%。等離子高爐是CO2排放量最低的流程，但電耗較高，因此建議中長期核電、風(fēng)能大量應(yīng)用后，鋼廠電能充足時(shí)可考慮采用該技術(shù)。

5 結(jié)論

（1） 歐洲ULCOS和日本COURSE50的CO2減排的技術(shù)路線圖不同，歐洲的減排目標(biāo)使現(xiàn)行工藝改進(jìn)后減少碳消耗50%；而日本的目標(biāo)是減排30%，使CO2排放從1.64t/t鋼降低到1.15t/t鋼。但以上兩個(gè)方案的核心技術(shù)都是對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行重整，并將重整后的高H2煤氣噴入高爐或用于直接還原。

（2）我國鋼鐵工業(yè)尤其是煉鐵急需及早制定CO2減排的路線圖，并密切關(guān)注國家碳稅政策制定的進(jìn)展，及早編制低碳經(jīng)濟(jì)規(guī)劃，研究和制定碳減排的實(shí)施方案。

（3）節(jié)能減排是實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵的第一步。目前我國鋼鐵工業(yè)首要的任務(wù)是：1）發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，縮小與德國、日本、韓國、北美等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)低碳煉鐵工序的能耗差距，如加強(qiáng)余能、余熱和余壓等的回收利用，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用；2）實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵技術(shù)的集成和創(chuàng)新；3）注重低碳煉鐵技術(shù)細(xì)節(jié)的改進(jìn)，如關(guān)注降低燒結(jié)漏風(fēng)率、脫濕鼓風(fēng)、焦炭和煤粉中水分的穩(wěn)定等。

（4）加強(qiáng)對低碳煉鐵技術(shù)的研發(fā)，如爐頂煤氣循環(huán)利用、純氧高爐、基于氫還原的冶金工藝和液態(tài)低溫?zé)掕F等技術(shù)的研發(fā)。

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Study on Low Carbon Ironmaking Technology

LIU Wen-quan
(China Metallurgical Industry Planning &Research Institute, Beijing 100711, China)

The author analyzes CO2emission from different working procedure and different fl ow of metallurgical industry; points out that the low corbon ironmaking is the key factor in the development of low carbon economy. Energy-saving and emission-reduction and circular economy development are the fi rst step of low carbon ironmaking. The author introduces the low carbon ironmaking in overseas and describes the status/development and innovation of low carbon ironmaking.

low carbon ronmaking; CO2; low carbon economy; energy-saving and emission-reduction

X37

A

1006-5377（2011）01-0020-06