全榮

現(xiàn)有高爐工藝的低碳化已接近還原平衡的理論極限和熱平衡的極限，今后不可能大幅度減少CO₂ 排放量。因此，從長遠考慮，需要開發(fā)可徹底減少CO₂ 排放量的突破性技術(shù)，為此，全球開展了產(chǎn)官學一體化的研發(fā)。大型項目一般由產(chǎn)業(yè)界與官學合作，接受政府的支持進行開發(fā)。大幅度削減以高爐為主的CO₂ 排放量的研究可以大致分為:①還原平衡控制降低還原劑比；②以CO₂分離、捕集和儲存(CCS)技術(shù)為前提的高爐本體的高功能化；③新工藝的開發(fā)。

1 還原平衡控制的低碳化

還原平衡控制如圖1 所示的模式，認為通過提高碳材的反應(yīng)性，碳素溶解反應(yīng)開始溫度低溫化，還原平衡點W 點從B 點移向C 點，可以降低還原劑比。日本大分廠1 號、2 號高爐使用高反應(yīng)性小塊焦降低了還原劑比，室蘭廠2 號高爐通過灰分中CaO 的催化劑作用，使用提高反應(yīng)性的高Ca 焦炭，確認還原劑比降低約10kg/t。另一方面，日本從1999 年開始，用五年的時間進行了以高爐能源減半、環(huán)境負荷最小化為目標的研究。通過研究明確了將礦石和煤混合粉碎，可以使還原和氣化的偶聯(lián)反應(yīng)高速、低溫化。此外，通過使用內(nèi)裝碳材的熱壓成型塊，明確了可以將還原平衡反應(yīng)降低150-200℃。之后，從2007-2010 年，在日本鋼鐵協(xié)會研究會“礦石、碳材接近配置的高爐還原平衡控制”項目中，系統(tǒng)地研究了碳材、礦石的距離(從厘米級到納米級)與煤氣化反應(yīng)和還原反應(yīng)改善效果的關(guān)系。

基于這些基礎(chǔ)知識，作為新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)的委托研究項目，2006 年日本開始革新性煉鐵工藝的前期研究，2008 年提出了面向高爐低碳化、強化資源應(yīng)對力的革新性塊狀物的研究，并構(gòu)建了其制造原理。通過碳材和氧化鐵接近配置、金屬鐵/氧化鐵的催化作用，期待提高碳材的煤氣化反應(yīng)速度。研究了將碳材分散在礦石中的含碳塊礦、將金屬鐵分散在碳材中的鐵焦(Carbon Iron Composite，CIC)的制造方法，以及其熱平衡帶溫度降低和還原劑比降低的效果。

2009 年到2012 年，為了開發(fā)革新性塊狀物中試規(guī)模的制造技術(shù)和高爐操作技術(shù)，NEDO 和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省資助的“強化資源應(yīng)對力的革新性煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)”項目，作為JFE 鋼鐵、新日鐵住金、神戶制鋼和日本主要大學的共同研究項目開始實施。以氧化鐵、金屬鐵和碳材的復合塊鐵焦為對象，用30 噸/天中試設(shè)備，進行了制造技術(shù)開發(fā)、革新結(jié)合劑的開發(fā)、高爐操作技術(shù)的開發(fā)。在大型高爐進行了鐵焦的使用試驗，確認了降低還原劑比的效果。

關(guān)于將碳材分散在氧化鐵中的含碳塊礦，Kasai 等人在加古川廠3 號高爐實施了短期的熱壓成型塊的使用試驗。此外，Yokoyama 等人生產(chǎn)了21000t 含碳塊礦RCA(Reactive CokeAgglomerate)，在大分廠2 號高爐進行了應(yīng)用試驗。確認RCA 中的碳1kg/t，可以減少0.36kg-C/t的碳消耗量，熱平衡帶溫度降低83℃，目前仍在繼續(xù)使用。

關(guān)于采用還原平衡控制的降低還原劑比，熱壓成型塊、含碳塊礦、鐵焦都完成了高爐使用評價、課題提出的試驗。制造設(shè)備費、操作成本等經(jīng)濟性評估、對鋼鐵廠內(nèi)能源平衡的影響等進入面向?qū)嵱没难芯侩A段。

2 強化高爐內(nèi)煤氣還原的低碳化

作為強化高爐內(nèi)煤氣還原功能的方法有爐頂煤氣循環(huán)法。高爐爐頂煤氣脫除二氧化碳后，再次噴入高爐的爐頂煤氣循環(huán)，強化煤氣還原，通過降低吸熱反應(yīng)的直接還原率，可以進一步降低還原劑比。圖2 是爐頂煤氣循環(huán)的各種低碳高爐的示意圖。

2.1 向爐身噴吹還原氣體

從20 世紀70 年代開始進行從爐身噴吹還原氣體、降低高爐還原劑比的嘗試。在新日鐵住金廣炯廠3 號高爐(內(nèi)容積1691m³)實施了將重油部分氧化而制造的還原氣體，噴入高爐爐身的FTG法，確認由重油30kg/t 制造還原氣體，從爐身噴入，有置換率為0.9-1.0 的降低還原劑比的效果。

此外，有報告指出，向爐身噴入的氣體擴散比較小，通過混合擴散，以約15。的角度邊擴散、邊上升。提出了用高爐爐頂選擇性回收的爐頂煤氣中的CO₂ 將焦爐煤氣中的CH₄ 改質(zhì)，將高溫還原氣體噴入到爐身的NKG 法。

2.2COURSE50 項目

COURSE50 是受日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)委托的項目，于2008 年啟動。它以強化高爐還原功能實現(xiàn)高爐煉鐵低碳化、進而大幅度減排CO₂ 為目的，日本各鋼鐵公司和大學共同參與了該項目的研究。COURSE50 項目是由改質(zhì)焦爐煤氣增加H₂ 含量技術(shù)、利用氫的強化還原和分離回收CO₂ 技術(shù)構(gòu)成的低碳工藝，目標是到2030 年削減約30%的CO₂ 排放量。COURSE50 項目提出的氫還原高爐反應(yīng)控制技術(shù)由焦爐煤氣水蒸氣改質(zhì)的增氫、氫促進鐵礦石還原、適應(yīng)氫還原的高爐用焦炭制造技術(shù)構(gòu)成。開發(fā)的第一階段(第一步)從2008 年開始，為期五年。小型試驗高爐的部分鑒定(第二步)從2013 年開始，計劃用五年時間完成。如圖2 所示，從爐身噴吹還原氣體這點看，可以說COURSE50 項目是FTG 法的延伸。

到目前為止，研究結(jié)果表明，噴入爐身氣體的滲透區(qū)域與噴吹氣體量成正比，氫促進還原效果也可以定量評價。此外，因為氫還原是吸熱反應(yīng)，所以確保爐身上部的溫度等成為問題。確立CO₂ 儲存技術(shù)和經(jīng)濟合理性是前提條件，預計在2030 年左右1 號機將實用化。

2.3 歐洲的ULCOS 項目

2004-2010 年實施的ULCOS 項目(ULCOS I)由歐洲15 國48 家企業(yè)和研究所參加，受歐洲煤鋼研究基金(Research Fund for Coal and Steel)的資助，研究經(jīng)費7600 萬歐元。ULCOS 目標是將來減少50%以上的CO₂ 排放量，項目從熔融還原到電解煉鐵進行了廣泛的工藝評價，作為開發(fā)工藝選擇了ULCOS-NBF(ULCOS-新型高爐)、HIsarna(煤基熔融還原法)、ULCORED(氣基直接還原)、ULCOWIN/ULCOLYSIS(電解煉鐵)。

ULCOS-NBF 以氧氣高爐為基礎(chǔ)，其特點是將爐頂煤氣脫除CO₂、加熱，向爐身和風口噴吹循環(huán)煤氣，是緊湊型的高爐。用瑞典的LKAB 試驗高爐(內(nèi)容積8.2m³)進行了ULCOS-NBF 試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，在Version4 號高爐進行了向爐身和風口噴吹加熱高溫煤氣的試驗，不與CCS 配合時投入碳量減少24%，通過與CCS 配合，推算最多可以減少73%的CO₂ 排放量。但是應(yīng)該注意的是這些數(shù)據(jù)沒有考慮向下道工序的能源供給。有報告指出，ULCOSⅡ項目計劃在德國Eisenhuttenstadt 廠3 號高爐進行不配合CCS 的試驗；2016 年，在法國Florange 廠6 號高爐進行與CCS 配合的試驗。實機化從現(xiàn)在開始需要再過15-20 年的長期研發(fā)。

研究新一代高爐技術(shù)可向下道工序供給能量與減排CO₂ 的關(guān)系可知，鐵焦裝入、COG 噴吹、COG+爐頂煤氣循環(huán)等方法的CO₂ 排放量均降低，但同時向下道工序的供給能量減少。COG+爐頂煤氣循環(huán)的方法最多可以降低30%CO₂ 排放。在氧氣高爐，隨著爐頂煤氣循環(huán)量的增加，CO₂排放量降低，如果與分離CO₂ 配合，有望比傳統(tǒng)高爐大幅度降低CO₂ 排放量。哪種情況都是在減排CO₂ 的同時，減少了向下道工序的能量供給，所以，確立經(jīng)濟上可行的能量補充方法，包括提高發(fā)電廠效率等，成為實現(xiàn)下道工序節(jié)能的關(guān)鍵。

2.4 高爐以外的低碳化技術(shù)

作為高爐以外的低碳化技術(shù)有上述的ULCOS HIsarna(熔融還原法)，POSCO 的不需要燒結(jié)和煉焦等預處理工序的FINEX 工藝。HIsarna 工藝是力拓HIsmelt 技術(shù)和艾默伊登廠開發(fā)的Isarna 技術(shù)的結(jié)合，采用CCF(Cycloneconverter furnace)粉礦還原、熔融，用SRV(Smelting reduction vessel)進行熔融還原的工藝。通過使用純氧，與CCS 配合，達到大幅度減少CO₂ 排放量。2011 年在塔塔鋼鐵荷蘭艾默伊登廠中試設(shè)備(8t/h)進行了試驗。經(jīng)過數(shù)次技術(shù)改進和試驗廠自身改進后，進入第二階段測試。新測試的目標是在更長時段內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的煉鐵生產(chǎn)。

FINEX 工藝于1992 年開始研發(fā)，1996 年建設(shè)15 噸/天試驗設(shè)備，1999 年建設(shè)150 噸/天中試設(shè)備，經(jīng)過2003 年60 萬噸/年示范設(shè)備試驗后，2007 年150 萬噸/年的1 號機投產(chǎn)。FINEX 工藝是將氣化熔融爐發(fā)生的煤氣導入4 段流化床，進行礦石還原。特點是還原的礦石熱成型，供給氣化熔融爐。流化床的排氣脫除二氧化碳后，再循環(huán)使用，減少了煤炭使用量，相對于現(xiàn)行高爐可以減少4%的CO₂ 排放量。此外，有報告指出，使用純氧脫除流化床排氣中的二氧化碳，所以，煤氣中的CO₂ 濃度升高，與CCS 配合，有望大幅度減排CO₂。雖然提出了許多低碳煉鐵工藝，但要達到實用化仍存在以下問題。

1)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)成本的最優(yōu)化:新生產(chǎn)設(shè)備的投資構(gòu)筑經(jīng)濟性可行的商業(yè)模式。

2)能源基礎(chǔ)設(shè)施:高爐低碳化意味著向鋼鐵廠內(nèi)的煤氣供給量下降。構(gòu)筑確保鋼鐵廠能源供給的能源基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)下道工序和發(fā)電廠的節(jié)能。

3)按比例擴大:面向工業(yè)機規(guī)模，必須克服中間規(guī)模設(shè)備的工藝驗證等問題。

3 展望

由于計算機等時代尖端技術(shù)的引入，設(shè)備正在向大型化和自動化方向發(fā)展，各國都在積極投資節(jié)能技術(shù)和環(huán)境友好技術(shù)，研發(fā)具有競爭力的最尖端技術(shù)。

高爐低碳化技術(shù)是一個長期的課題，必須根據(jù)能源動向、資源動向進行研發(fā)。東日本大地震導致的核電站事故使日本國內(nèi)外的能源價格體系發(fā)生變化，由于以美國為主的擴大開采頁巖氣，預計煉鐵的能源價格體系將長期處于困難的狀況。此外，中國經(jīng)濟增長速度的降低和印度增長的不確定導致資源需求緩和。因此，煉鐵領(lǐng)域的能源、資源動向等短期可能發(fā)生大的變化。此外，SCOPE21 技術(shù)開發(fā)和工業(yè)化的經(jīng)驗表明，煉鐵新技術(shù)的開發(fā)需要10 年以上的時間。因此，煉鐵領(lǐng)域的課題通常不能左右短期性經(jīng)濟環(huán)境，產(chǎn)官學協(xié)作切實進行研發(fā)很重要，具體總結(jié)為以下3點。

1)面向高爐低焦比操作的設(shè)備和操作技術(shù)。日本的焦爐逐漸老化，到2025 年許多焦爐需要更新。在嚴酷的經(jīng)濟環(huán)境中，為了將設(shè)備投資控制在最低水平，必須向焦比的極限200kg/t 挑戰(zhàn)。

2)擴大利用廉價資源的技術(shù)。世界的優(yōu)質(zhì)鐵礦石、煤炭資源正在枯竭，同時價格高漲。日本鋼鐵業(yè)的競爭力在于為降低鐵水成本利用相對廉價的資源，應(yīng)該繼續(xù)擴大廉價原料的利用。

3)煉鐵領(lǐng)域的低碳化和節(jié)能。作為防止全球氣候變暖的措施，抑制減排CO₂ 的京都議定書生效以后，各國采取的行動不透明，但對長期性的節(jié)能、煉鐵領(lǐng)域低碳化的需求今后也不會變化。必須進行新煉鐵方法的研發(fā)，以及研發(fā)中的新原料的實用化等，向低碳化努力。   

此外，技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)在于人才，但與技術(shù)開發(fā)活躍的20 世紀70 代相比，日本煉鐵領(lǐng)域的研究人員數(shù)量減少了60%，現(xiàn)場的技術(shù)人員數(shù)量減少更多。所以，不僅要攻克焦比200kg/t 的挑戰(zhàn)性課題，而且，還要切實進行氧氣高爐等長期性課題的研發(fā)，積極與產(chǎn)官學合作研發(fā)、并注重人才培養(yǎng)。