氧氣高爐技術(shù)的研究進(jìn)展及其節(jié)能減排潛力分析

薛慶國北京科技大學(xué)氧氣高爐技術(shù)的研究進(jìn)展及其節(jié)能減排潛力分析2011年9月12011年全國節(jié)能減排與低碳冶金技術(shù)發(fā)展研討會1開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術(shù)的必要性2氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展3氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析4結(jié)語及展望匯報提綱21開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術(shù)的必要性2氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展3氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析4結(jié)語及展望匯報提綱3氧氣高爐采用純氧代替空氣鼓風(fēng)爐頂煤氣循環(huán)利用什么是氧氣高爐？傳統(tǒng)高爐煉鐵礦粉燒結(jié)焦煤焦化制粉煤熱風(fēng)爐空氣廢氣煤氣礦粉燒結(jié)焦煤焦化制粉煤氧氣氧氣高爐煉鐵CO2煤氣分離CO一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術(shù)的必要性高爐煉鐵：Fe2O3+3.4C+

O2+3.2N2=2Fe+

1.7CO+1.7CO2+3.2N2熱風(fēng)低品位煤氣焦炭、煤粉存在問題趨勢焦化：耗能、污染焦煤資源N2氣占煤氣量的48%，降低煤氣品質(zhì)50%左右的C只轉(zhuǎn)化為CO以煤代焦氧氣代替空氣CO2分離CO循環(huán)利用氧氣高爐煉鐵技術(shù)5礦石鐵水一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術(shù)的必要性BFG1/3

氧氣氧氣高爐煉鐵CO2分離2/3CO礦石、焦炭煤粉降低燃料、焦比（~400kg/tHM）提高煤氣熱值（~7000kJ/m3）提高生產(chǎn)效率降低CO2分離成本（沒有氮）

6一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術(shù)的必要性氧氣高爐煉鐵技術(shù)優(yōu)勢1氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展2開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術(shù)的必要性3氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析4結(jié)語及展望匯報提綱7二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展氧氣高爐的概念及最早的氧氣高爐流程在1970年由德國Wenzel和Gudenau等人提出采用純氧鼓風(fēng)后帶來的爐內(nèi)煤氣量過少，造成爐身爐料加熱不足——“上冷”理論燃燒溫度提高、煤氣量減少及直接還原度的降低，導(dǎo)致爐缸溫度過高——“下熱”二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展Fink氧氣高爐流程圖

1978年德國Fink等人提出Fink流程流程特點(diǎn)：（1）在爐缸和爐腰處設(shè)置兩排風(fēng)口，同時吹氧、噴入燃料，并送入脫除CO2的循環(huán)煤氣。（2）系統(tǒng)中不設(shè)置氣體加熱設(shè)備；

為了解決這兩個關(guān)鍵問題，國內(nèi)外學(xué)者先后提出幾種流程：二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展1984年加拿大W－KLu提出W－KLu流程流程特點(diǎn)：（1）在爐缸設(shè)一排風(fēng)口，鼓入氧氣和已脫除CO2的爐頂循環(huán)煤氣,同時風(fēng)口大量噴吹煤粉；（2）氧氣和循環(huán)煤氣都不加熱，設(shè)備比較簡單；

W－KLu氧氣高爐流程圖二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展1985年北科大秦民生教授提出FOBF流程：（1）爐缸和爐身下部設(shè)兩排風(fēng)口；（2）爐缸風(fēng)口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉；同時送入一定量的爐頂煤氣；（3）上排風(fēng)口噴入脫除CO2的加熱煤氣。FOBF氧氣高爐流程圖二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展1987年NKK公司提出NKK流程流程特點(diǎn)：（1）爐缸和爐身中部設(shè)置兩排風(fēng)口；（2）爐缸風(fēng)口吹入常溫氧氣并噴吹煤粉，同時送入未脫除CO2

的爐頂循環(huán)煤氣；（3）設(shè)置一個燃燒爐，熱氣體送入爐身中部風(fēng)口。NKK氧氣高爐流程圖二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展NKK公司在3.9m3試驗高爐上進(jìn)行了試驗。煤比可以提高到320Kg/t；焦比大幅度降低；利用系數(shù)達(dá)到5.1t/m3?d；鐵水硅含量明顯下降；第一次試驗證明了氧氣高爐在技術(shù)上是可行的！類別具體措施外部直接向爐身補(bǔ)充熱量從爐身返回?zé)崦簹饨档蜖t身熱量需要風(fēng)口噴吹熔劑等增加熱量從爐缸向爐身的轉(zhuǎn)移爐缸部位返回煤氣，加大煤氣量類別具體措施化學(xué)反應(yīng)吸熱1、將未脫除CO2的爐頂循環(huán)煤氣通入爐缸風(fēng)口2、爐缸風(fēng)口噴入水蒸汽物理吸熱爐缸風(fēng)口鼓入大量已脫除CO2爐頂煤氣二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展解決上冷途徑解決下熱途徑二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展上世紀(jì)80年代中期至本世紀(jì)初，近20年時間，

氧氣高爐的研究基本處于停滯狀態(tài)，究其原因，主要如下：

1.經(jīng)濟(jì)原因：制氧成本、二氧化碳分離成本

2.技術(shù)原因：二氧化碳分離技術(shù)

3.COREX等熔融還原技術(shù)的出現(xiàn)

1989年第一座年產(chǎn)能40萬t的COREX-C1000工廠在南非伊思科爾廠實現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)行；1995-1999年一座建在韓國的浦項制鐵；一座建在南非的撒丹那；兩座建在印度的金達(dá)爾2007年11月寶鋼COREX-C3000

4.……二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展

歐盟2004年啟動了超低CO2排放的新一代鋼鐵流程計劃(ULCOS)，其目標(biāo)旨在使鋼鐵工業(yè)CO2排放減少50%，主要技術(shù)方案包括：

爐頂煤氣循環(huán)全氧高爐煉鐵(TGR-BF)氧-煤-礦熔融還原煉鐵過剩煤氣重整直接還原煉鐵生物質(zhì)氣化直接還原煉鐵電解煉鐵煤氣CO2分離捕集與封存……

——ULCOS計劃歐盟ULCOS計劃一階段（2004-2009）探索不同技術(shù)方案的可行性，投資54M€二階段（2009-2015）進(jìn)行工業(yè)化試驗，且估算投資和運(yùn)營費(fèi)用三階段（2015---）基于工業(yè)化試驗成果，建設(shè)工業(yè)生產(chǎn)線Ultra-LowCO2Steelmaking17二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展——ULCOS計劃二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展流程特點(diǎn)：(1)設(shè)兩排風(fēng)口；(2)爐身下部風(fēng)口鼓入預(yù)熱900℃（蓄熱式）并脫除CO2的爐頂煤氣；(3)爐缸風(fēng)口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉，同時送入一定量脫除CO2的爐頂煤氣。流程特點(diǎn)：(1)設(shè)一排風(fēng)口；(2)爐缸風(fēng)口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉，同時送入預(yù)熱1250℃并脫除CO2的爐頂煤氣。二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展流程特點(diǎn)：(1)設(shè)兩排風(fēng)口；

(2)爐身下部風(fēng)口鼓入預(yù)熱900℃并脫除CO2的爐頂煤氣；(3)爐缸風(fēng)口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉，同時送入一定量預(yù)熱1250

℃并脫除CO2的爐頂煤氣。TGR-BF采用的方案TGR-BF工藝特點(diǎn)：（1）爐缸和爐身下部設(shè)兩排風(fēng)口（2）爐身下部風(fēng)口鼓入預(yù)熱1000℃并脫除CO2的爐頂煤氣；（3）爐缸風(fēng)口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉，同時送入一定量預(yù)熱1250

℃并脫除CO2的爐頂煤氣。二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展在LKAB

8.9m3高爐上完成了原理示范

連續(xù)安全生產(chǎn)7周操作順利噴煤：170kg/tHM焦比由400kg/tHM降至260kg/tHM節(jié)碳～24%煤氣循環(huán)率：90%CO回收＞87%H2回收＞98%

CO2減排無CCS:26%有CCS>50%目前正在積極準(zhǔn)備1000m3級的試驗。22二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展目前，氧氣高爐煉鐵技術(shù)引起了世界范圍內(nèi)研究工作者的再次關(guān)注，究其原因，包括：

1.經(jīng)濟(jì)條件：主焦煤資源嚴(yán)重匱乏焦炭價格的大幅度上升（1800~2000￥/t）制氧成本大幅度降低

2.技術(shù)條件：CO2分離技術(shù)的發(fā)展

3.外部條件：CO2減排壓力（全球變暖，京都議定書的簽署）

4.Corex-3000燃料比高等問題

5.……

二、氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展優(yōu)勢利用現(xiàn)有的高爐設(shè)備，投資大大降低；有現(xiàn)有高爐煉鐵技術(shù)的基礎(chǔ)，容易形成規(guī)?；夹g(shù)；劣勢焦比高于COREXCorex3000（目標(biāo)）產(chǎn)能：150萬噸/年焦比：150Kg/t燃料比：980Kg/t與COREX等比較1氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析2開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術(shù)的必要性3氧氣高爐煉鐵技術(shù)研究進(jìn)展4結(jié)語及展望匯報提綱25三、氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析節(jié)能效果如何26計算方法：《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2008）

煉鐵工序能耗計算項焦化燒結(jié)高爐√√×氧氣高爐與傳統(tǒng)高爐工藝原料結(jié)構(gòu)不變，故兩者燒結(jié)工序能耗相同，僅計算焦化和高爐能耗基于如下流程圖，應(yīng)用已建立的氧氣高爐綜合數(shù)學(xué)模型，該模型以生產(chǎn)1t鐵水消耗的原燃料為計算單位，其計算所用原料成分由國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)提供，計算得到新工藝參數(shù)見右表。參數(shù)數(shù)值焦比/(kg·t-1)200煤比/(kg·t-1)200氧耗(純度90%)/(m3·t-1)239礦石量/(kg·t-1)1660渣量/(kg·t-1)327直接還原度0.12物料平衡的相對誤差/%0.10煤氣熱值/(kJ·m-3)6218脫除CO2和H2O量/(m3·t-1)414理論燃燒溫度/K2370外供煤氣量/(m3·t-1)50預(yù)熱爐身煤氣燃燒量/(m3·t-1)118預(yù)熱風(fēng)口煤氣燃燒量/(m3·t-1)71全爐熱損失/%5.38

氧氣高爐煉鐵工藝參數(shù)表

氧氣高爐流程圖三、氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析序號能源名稱單位消耗定額（噸鐵）折合系數(shù)單位產(chǎn)品能耗，kgce1新水m30.4300.06145kgce·(m3)-10.0262軟化水m30.0110.11kgce·(m3)-10.0013電kwh500.1229kgce·kwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116kgce·t-10.0055壓縮空氣m3250.04kgce·(m3)-11.0006氮?dú)鈓334.5900.37kgce·(m3)-112.7987制氧耗電kwh10.50.1229kgce·kwh-11.2908煤粉kg1700.9kgce·kg-1153.009焦炭kg3500.9714kgce·kg-1339.99010高爐煤氣輸出m3-6800.1286kgce·(m3)-1-87.44811TRT發(fā)電kwh-350.1229kgce·kwh-1-4.30212焦化49.700合計———472.207國內(nèi)某廠1080m3高爐能源消耗71CO2分離三、氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析200200-50?28.400?8.726180.000194.2800.2122kgce·(m3)-1-10.610傳統(tǒng)高爐氧氣高爐75.24主要CO2分離技術(shù)及其與能耗的關(guān)系：

1.變壓吸附技術(shù)能耗~30kgce/tCO2

2.化學(xué)吸收標(biāo)準(zhǔn)MEA水溶液能耗

~4.0GJ/tCO2（~136kgce/tCO2）日本RITE新型水溶液能耗

~2.5GJ/tCO2(~85kgce/tCO2)

3.膜分離技術(shù)具備較好的應(yīng)用前景，但還無法實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，能耗約1~3GJ/tCO2

（34~102kgce/tCO2

）三、氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析序號能源名稱單位消耗定額（噸鐵）折合系數(shù)單位產(chǎn)品能耗，kgce1新水m30.4300.06145kgce·(m3)-10.0262軟化水m30.0110.11kgce·(m3)-10.0013電kwh500.1229kgce·kwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116kgce·t-10.0055壓縮空氣m3250.04kgce·(m3)-11.0006氮?dú)鈓334.5900.37kgce·(m3)-112.7987制氧耗電kwh710.1229kgce·kwh-18.7268煤粉kg2000.9kgce·kg-1180.009焦炭kg2000.9714kgce·kg-1194.28010高爐煤氣輸出m3-500.2122kgce·(m3)-1-10.6111CO2分離t0.683630kgce·t-120.50812焦化28.400合計———441.280氧氣高爐煉鐵工藝能源消耗節(jié)能6.55%三、氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析減排效果計算方法：IPCC2006方法二氧化碳排放直接排放外購電力的間接排放應(yīng)用氧氣高爐煉鐵系統(tǒng)和傳統(tǒng)煉鐵系統(tǒng)相比，在原料結(jié)構(gòu)不變的條件下，燒結(jié)和球團(tuán)工序的二氧化碳排放量是不變的，發(fā)生改變的僅僅是高爐煉鐵和焦化工序。因此，對于新工藝較傳統(tǒng)高爐工藝的CO2減排計算，可以僅僅計算高爐本體和焦化工序的CO2排放。

焦炭和煤粉：CO2排放量=燃料數(shù)量×低發(fā)熱值×排放因子×氧化率

電：CO2排放量=電量×排放系數(shù)

煤氣發(fā)電：CO2排放量=電量×排放系數(shù)，按外供煤氣的發(fā)電量計算

CO2貯存量為噸鐵直接分離出的CO2量，不考慮CO2運(yùn)輸?shù)念~外排放

三、氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術(shù)節(jié)能減排潛力分析排放項目噸鐵數(shù)量差別氧氣高爐傳統(tǒng)高爐焦炭(kg)200350-150煤粉(kg)20017030電(kwh)36525.5339.5輸出煤氣(m3)50680-630焦化(kgce)28.449.7-21.3氧氣高爐較傳統(tǒng)高爐CO2排放項目對比

如輸出煤氣按發(fā)電計算CO2排放：CO2排放量=煤氣量×煤氣熱值/電的低發(fā)熱值×發(fā)電效率×電的CO2排放系數(shù)

如輸出煤氣按熱值計算CO2排放：

CO2排放量=煤氣量×煤氣熱值/標(biāo)煤低發(fā)熱值×