环境和谐型炼铁工艺技术开发培训课程

环境和谐型炼铁工艺技术开发日本COURSE501  COURSE50概要    日本钢铁工业的能源效率达到世界最高水平，为防止地球变暖，减排CO2做出了很大贡献。今后，要在全球范围进一步减排CO2，关键是技术开发。从长远看，革新性的技术开发是根本对策。    2007年5月，日本前首相安倍晋三发表了“美丽星球50(Cool Earth50)”计划，在该计划中提出了开发节能技术，使环境保护和经济发展并举。“创新的炼铁工艺技术开发(COURSE50)”就是为实现这一目标的革新性技术之一。    COURSE50(CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by innovative technology for cool Earch 50)是通过抑制CO2排放以及分离、回收CO2，将CO2排放量减少约30的技术。2030年将确立此项技术，2050年实现应用及普及。    该项技术开发的第一步(20082012财年)主要是应征新能源产业技术开发机构(NEDO)的研究开发计划。该机构的“环境和谐型炼铁工艺技术开发”已正式通过。    COURSE50开拓新的未来，新一代炼铁法的开发终于启动了。COURSE50流程示意图见图1。2  减排CO2技术    用氢作还原剂还原铁矿石，产生H2O，减少CO2的排放量。氢作还原剂炼铁工艺示意图见图2。21氢还原机理    一般情况下，如果用CO气体还原铁矿石，就会产生CO2。而用氢作还原剂的炼铁法只产生H2O，所以，可以说是非常有利于环保的炼铁法。两种还原方法对比见图3。22氢还原的特点    传统的高炉炼铁法是利用CO气体作还原剂，去除铁矿石中的氧(还原)。    CO气体的分子大，所以，难以渗透到铁矿石内部。H2气体的分子极小，能够很容易渗透到铁矿石内部，其渗透速度约是CO气体的5倍。因此，高炉使用H2作还原剂可以实现快速还原。氢还原特点见图4。    现在，世界上有使用天然气的直接还原炼铁法(由铁矿石直接还原成固体铁的方法)。但是，缺乏天然气的日本不能采用这种直接还原炼铁法，而且，也很难制取廉价的H2，所以，目前高炉炼铁法中还没有采用H2还原技术。    3分离、回收CO2技术    31化学吸收法的开发    化学吸收法是在吸收塔让氨等碱性水溶液(吸收液)和含CO2气体接触，选择性地将CO2吸收在吸收液里后，用再生塔加热吸收液，分离、回收高纯度的CO2的技术。化学吸收法流程图见图5。  化学吸收法适用于从常压气体中分离、回收大量的CO2。但是，应用于炼铁工艺还是开发的初始阶段，必须解决几个问题。因此，在COURSE50计划中将30t CO2d规模的工艺评价设备纳入实际炼铁工艺，致力于以下技术开发。：30 t CO2d评价设备和1t CO2d试验装置见图6和图7。 (1)减少能耗(开发新吸收液，有效利用由炼铁工艺中获得的能量)；    (2)定量化分离、回收CO2技术对炼铁工艺影响。    32运用实验方法和计算方法开发新吸收液    充分运用量子化学、统计数据处理等计算方法和实验方法，致力于新吸收液的开发。同传统吸收液相比，该吸收液可大幅度降低分离、回收CO2所需的能量，是高性能化学吸收液。新吸收液开发步骤见图8。 33物理吸附技术的开发    物理吸附法是通过在流体分子和吸附剂表面之间工作的范德瓦尔斯力选择性地将CO2吸附在吸附剂里，采用减压操作，高纯度、高回收率分离、回收吸附的CO2的技术。    物理吸附法系统简易，低能耗就可分离、回收CO2。该项技术应用于从高炉煤气中分离、回收CO2及大规模的煤气处理，这在目本也是初次尝试。    在COURSE50计划中将3t CO2d规模的评价设备纳入实际炼铁工艺，进行工艺开发。同时进行比该项技术能耗更低的，规模化技术的开发。物理吸附法示意图见图9。4支持COURSE50的技术    41焦炭改良    使用氢还原，降低高炉焦炭使用量，有望减少CO2排放量。另一方面，在焦炭用量减少的情况下，仍能维持铁矿石还原反应所需的炉内透气性，就需要高强度焦炭。    由于氢还原时的吸热反应，高炉内温度降低，需要能够与之对应的高反应性焦炭。新开发的高性能粘结剂具有高软化熔融性和膨胀性，将焦炭用配煤颗粒间的空隙填满压实，有提高焦炭强度的效果。利用这种效果，可以提高以前不能使用的高反应性煤的配煤量，可以制造具有高强度和高反应性两种特性的焦炭，见图10。   42提高焦炉煤气的氢含量    开发的必要性    从外部采购高炉还原铁矿石使用的氢时，在制造氢的场所会产生CO2；       现状    钢铁厂生产焦炭时产生的焦炉煤气中含有50以上的氢，目前是作为钢铁厂内的燃料煤气有效利用；    未利用能的开发利用    开发利用钢铁厂未利用的能，通过改质焦炉煤气中的焦油来提高氢含量，并与焦炉煤气中的CO同时喷入高炉，就可以降低高炉焦比；    新技术开发    在COURSE50计划中，将开发促进焦炉煤气中焦油改质的催化剂；    高炉喷吹改质焦炉煤气(H2 60)。    高炉是从炉顶装入铁矿石，从炉子下部吹入还原气体。在铁矿石从炉顶下降的过程中，通过还原反应生产出铁水。在这次技术中，将改质焦炭干馏过程中发生的富氢煤气(焦炉煤气)，进一步提高心含量。然后，将这种气体从高炉下部或中部喷吹到高炉中。通过此项技术，实现比传统高炉炼铁法高速、高效率减少CO2排放量的炼铁法。焦炉煤气改质示意图见图11。43开发利用未利用的余热    日本的钢铁厂已将炼铁工艺中产生的大部分余热作为蒸汽和电力回收利用。在这些世界最尖端的能源利用技术和节能技术的基础上，致力于新技术的开发，将传统技术中不能对应的未利用的余热有效用于分离、回收CO2。钢铁厂余热回收现状见图12。  将钢铁厂余热有效用于分离、回收CO2    为了分离、回收处理高炉煤气中的CO2，需要新的蒸汽和电力等。如果从外部采购这些能源，生产这些能源又会产生CO2。因此，本开发中将研究目前技术上或经济上仍很难利用的钢铁厂未被利用的余热，积极开发利用这部分能源。    具体目标是在下列技术开发中有所突破：       (1)炉渣显热回收技术开发    在化学吸收法中，作为从吸收液中分离出CO2的热能，回收、供给钢铁厂内未利用的高温余热是有效的。    因此，在由12001600高温熔融：状态钢渣制造渣制品的过程中，进行回收钢渣显热的技术开发。开发的关键点是提高余热回收效率的炉渣冷却方法和形状控制等。炉渣显热回收示意图见图13。    (2)低温余热发电技术开发    进行从余热中回收、供给分离、回收CO2所用的电能的技术开发。世界上已有回收100：左右余热的低温余热发电的实施例，见图14。但是，在设备成本、余热回收效率方面还存在问题，仍没有达到普及的程度。通过技术开发解决以下问题：         通过探索低热发电系统的低沸点媒介物，来提高余热回收效率；     降低发电设备的成本及体积的技术开发。(3)PCM(潜热蓄热材)的利用    在化学吸收法中，未利用的中低温余热作为从吸收液中分离出CO2的热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、运输、释放(放热)的方法，预计开发利用潜热蓄热材技术。    PCM蓄热介质利用熔化、凝固潜热，是可以高密度蓄热的物质。在用车辆等运输收纳在绝热容器中的PCM过程中，热损失少。将陆续发生的余热和其它场所一点一点发生的余热积蓄收集在PcM蓄热介质中，有望作为分离、回收CO2的能源利用，见图15。    在COURSE50计划中，预计进行扩大利用温度范围(高温)的高输出功率直接热交换潜热蓄热、输送技术的开发。    (4)热泵的利用    为了将中低温余热作为化学吸收法所需的热源有效利用，预计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、热)作甩，产生出温度差的装置。升温幅度小的情况也可期待高效率，所以，主要用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身的温度和环境温度差作为驱动力工作，不用从外部投入能量，就可制取高温热源。虽然现在有许多采用例，但对目前没有利用方法的低温余热，如果使用热驱动热泵，可期待将其一部分能量用于分离、回收CO2，见图16。(3)PCM(潜热蓄热材)的利用    在化学吸收法中，未利用的中低温余热作为从吸收液中分离出CO2的热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、运输、释放(放热)的方法，预计开发利用潜热蓄热材技术。    PCM蓄热介质利用熔化、凝固潜热，是可以高密度蓄热的物质。在用车辆等运输收纳在绝热容器中的PCM过程中，热损失少。将陆续发生的余热和其它场所一点一点发生的余热积蓄收集在PcM蓄热介质中，有望作为分离、回收CO2的能源利用，见图15。    在COURSE50计划中，预计进行扩大利用温度范围(高温)的高输出功率直接热交换潜热蓄热、输送技术的开发。    (4)热泵的利用    为了将中低温余热作为化学吸收法所需的热源有效利用，预计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、热)作甩，产生出温度差的装置。升温幅度小的情况也可期待高效率，所以，主要用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身的温度和环境温度差作为驱动力工作，不用从外部投入能量，就可制取高温热源。虽然现在有许多采用例，但对目前没有利用方法的低温余热，如果使用热驱动热泵，可期待将其一部分能量用于分离、回收CO2，见图16。(3)PCM(潜热蓄热材)的利用    在化学吸收法中，未利用的中低温余热作为从吸收液中分离出CO2的热能有效利用。将这些中低温余热高效回收(蓄热)、运输、释放(放热)的方法，预计开发利用潜热蓄热材技术。    PCM蓄热介质利用熔化、凝固潜热，是可以高密度蓄热的物质。在用车辆等运输收纳在绝热容器中的PCM过程中，热损失少。将陆续发生的余热和其它场所一点一点发生的余热积蓄收集在PcM蓄热介质中，有望作为分离、回收CO2的能源利用，见图15。    在COURSE50计划中，预计进行扩大利用温度范围(高温)的高输出功率直接热交换潜热蓄热、输送技术的开发。    (4)热泵的利用    为了将中低温余热作为化学吸收法所需的热源有效利用，预计进行热泵利用技术开发。热泵是由能量(动力、热)作甩，产生出温度差的装置。升温幅度小的情况也可期待高效率，所以，主要用于由高温排水制取低压蒸汽等。热驱动热泵将余热本身的温度和环境温度差作为驱动力工作，不用从外部投入能量，就可制取高温热源。虽然现在有许多采用例，但对目前没有利用方法的低温余热，如果使用热驱动热泵，可期待将其一部分能量用于分离、回收CO2，见图16。  5研究开发体制    研究开发体制和开发时间表分别见图17和图18。51研究开发目标    (1)减少高炉CO2排旗量技术开发    开发为减排CO2，用氢等作还原剂还原铁矿石的反应控制技术，目的是降低高炉焦比；    开发利用焦炉未利用余热(800)，提高氢含量的焦炉煤气改质技术；    开发高炉用氢作还原剂时使用的高强度、高反应性焦炭制造技术。    (2)从高炉煤气中分离、回收CO2技术开发    开发与从高炉煤气中分离、回收CO2有关的化学吸收法和物理吸附法；推进扩大利用钢铁厂未利用余热，降低分离、回收CO2用能量技术开发。现有主要炼铁工艺的优缺点和研发方向现有主要炼铁工艺的优缺点和研发方向周渝生，  钱  晖，  张友平，  李肇毅，  范建峰(宝山