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1、薛庆国,北京科技大学,氧气高炉技术的研究进展及其节能减排潜力分析,2011年9月,1,2011年全国节能减排与低碳冶金技术发展研讨会,汇 报 提 纲,2,1,开发氧气高炉炼铁技术的必要性,2,氧气高炉炼铁技术研究进展,3,氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,4,结语及展望,汇 报 提 纲,3,氧气高炉采用纯氧代替空气鼓风炉顶煤气循环利用,什么是氧气高炉？,一、开发氧气高炉炼铁技术的必要性,高炉炼铁： Fe2O3 + 3.4C + O2+3.2N2 = 2Fe + 1.7CO+1.7CO2+3.2N2,热风,低品位煤气,焦炭、煤粉,存在问题,趋势,焦化：耗能、污染 焦煤资源,N2气占煤气量的48%
2、，降低煤气品质,50%左右的C只转化为CO,以煤代焦,氧气代替空气,CO2分离 CO循环利用,氧气高炉炼铁技术,5,矿石,铁水,一、开发氧气高炉炼铁技术的必要性,降低燃料、 焦比（400 kg/tHM） 提高煤气热值（7000 kJ/m3）提高生产效率降低CO2分离成本（没有氮）,6,一、开发氧气高炉炼铁技术的必要性,氧气高炉炼铁技术优势,1,氧气高炉炼铁技术研究进展,2,开发氧气高炉炼铁技术的必要性,3,氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,4,结语及展望,汇 报 提 纲,7,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,氧气高炉的概念及最早的氧气高炉流程在1970年由德国Wenzel和Gudenau等人提出采
3、用纯氧鼓风后带来的炉内煤气量过少，造成炉身炉料加热不足“上冷”理论燃烧温度提高、煤气量减少及直接还原度的降低，导致炉缸温度过高“下热”,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,Fink氧气高炉流程图,1978年德国Fink等人提出Fink流程流程特点：（1）在炉缸和炉腰处设置两排风口，同时吹氧、喷入燃料，并送入脱除CO2的循环煤气。（2）系统中不设置气体加热设备；,为了解决这两个关键问题，国内外学者先后提出几种流程：,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,1984年加拿大WK Lu提出WK Lu流程流程特点：（1）在炉缸设一排风口，鼓入氧气和已脱除CO2的炉顶循环煤气,同时风口大量喷吹煤粉；（2）氧气和循环煤气
4、都不加热，设备比较简单；,WK Lu氧气高炉流程图,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,1985年北科大秦民生教授 提出FOBF流程：（1）炉缸和炉身下部设两排风口；（2）炉缸风口鼓入常温氧气并大量喷吹煤粉；同时送入一定量的炉顶煤气；（3）上排风口喷入脱除CO2的加热煤气。,FOBF氧气高炉流程图,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,1987年NKK公司提出NKK流程流程特点：（1）炉缸和炉身中部设置两排风口；（2）炉缸风口吹入常温氧气并喷吹煤粉，同时送入未脱除CO2的炉顶循环煤气；（3）设置一个燃烧炉，热气体送入炉身中部风口。,NKK氧气高炉流程图,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,NKK公司在3.9 m3
5、试验高炉上进行了试验。煤比可以提高到 320Kg/t；焦比大幅度降低；利用系数达到5.1t/m3d；铁水硅含量明显下降； 第一次试验证明了氧气高炉在技术上是可行的！,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,上世纪80年代中期至本世纪初，近20年时间，氧气高炉的研究基本处于停滞状态，究其原因，主要如下：1. 经济原因：制氧成本、二氧化碳分离成本2. 技术原因：二氧化碳分离技术3. COREX等熔融还原技术的出现1989 年 第一座年产能40万t的COREX -C1000工厂在南非伊思科尔厂实现工业化运行；1995-1999年 一座建在韩国的浦项制铁；一座建在南非的撒丹那；两座
6、建在印度的金达尔 2007年11月 宝钢COREX-C3000 4. ,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,欧盟2004年启动了超低CO2排放的新一代钢铁流程计划(ULCOS)，其目标旨在使钢铁工业CO2排放减少50%，主要技术方案包括：,炉顶煤气循环全氧高炉炼铁(TGR-BF) 氧-煤-矿熔融还原炼铁 过剩煤气重整直接还原炼铁 生物质气化直接还原炼铁 电解炼铁 煤气CO2分离捕集与封存 ,ULCOS计划,欧盟ULCOS计划,一阶段 （2004-2009）,探索不同技术方案的 可行性，投资54 M,二阶段 （2009-2015）,进行工业化试验，且估算投资和运营费用,三阶段 （2015-）,基于工业
7、化试验成果，建设工业生产线,Ultra-Low CO2 Steelmaking,17,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,ULCOS计划,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,流程特点： (1) 设两排风口； (2) 炉身下部风口鼓入预热900（蓄热式）并脱除CO2的炉顶煤气； (3) 炉缸风口鼓入常温氧气并大量喷吹煤粉，同时送入一定量脱除CO2的炉顶煤气。,流程特点： (1) 设一排风口； (2) 炉缸风口鼓入常温氧气并大量喷吹煤粉，同时送入预热1250并脱除CO2的炉顶煤气。,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,流程特点：(1) 设两排风口；(2) 炉身下部风口鼓入预热900并脱
8、除CO2的炉顶煤气； (3) 炉缸风口鼓入常温氧气并大量喷吹煤粉，同时送入一定量预热1250 并脱除CO2的炉顶煤气。,TGR-BF采用的方案,TGR-BF工艺特点： （1）炉缸和炉身下部设两排风口 （2）炉身下部风口鼓入预热1000并脱除CO2的炉顶煤气； （3）炉缸风口鼓入常温氧气并大量喷吹煤粉，同时送入一定量预热1250 并脱除CO2的炉顶煤气。,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,在LKAB 8.9 m3高炉上完成了原理示范,连续安全生产7周操作顺利喷煤：170 kg/tHM焦比由400 kg/tHM降至260 kg/tHM节碳24%煤气循环率：90%CO回收87% H2回收98% CO2减
9、排 无CCS: 26% 有CCS50%目前正在积极准备1000 m3级的试验。,22,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,目前，氧气高炉炼铁技术引起了世界范围内研究工作者的再次关注，究其原因，包括：1. 经济条件：主焦煤资源严重匮乏焦炭价格的大幅度上升（18002000￥/t）制氧成本大幅度降低2. 技术条件：CO2分离技术的发展3. 外部条件：CO2减排压力（全球变暖，京都议定书的签署）4. Corex-3000 燃料比高等问题5. ,二、氧气高炉炼铁技术研究进展,优势利用现有的高炉设备，投资大大降低；有现有高炉炼铁技术的基础，容易形成规模化技术；劣势焦比高于 COR
10、EXCorex3000（目标）产能：150万吨 /年焦比：150 Kg/t燃料比：980 Kg/t,与 COREX 等比较,1,氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,2,开发氧气高炉炼铁技术的必要性,3,氧气高炉炼铁技术研究进展,4,结语及展望,汇 报 提 纲,25,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,26,计算方法：,中华人民共和国国家标准综合能耗计算通则（GB/T 2589-2008）,炼铁工序 能耗计算项,焦化,烧结,高炉,氧气高炉与传统高炉工艺原料结构不变，故两 者烧结工序能耗相同，仅计算焦化和高炉能耗,基于如下流程图，应用已建立的氧气高炉综合数学模型，该模型以生产1t铁水消耗的原燃料为
11、计算单位，其计算所用原料成分由国内某大型钢铁企业提供，计算得到新工艺参数见右表。,氧气高炉炼铁工艺参数表,氧气高炉流程图,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,国内某厂 1080 m3 高炉能源消耗,71,CO2分离,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,200,200,-50,?,28.400,?,8.726,180.000,194.280,0.2122 kgce(m3)-1,-10.610,传统高炉,氧气高炉,75.24,主要CO2分离技术及其与能耗的关系：,1. 变压吸附技术能耗 30 kgce/tCO22. 化学吸收标准MEA水溶液能耗 4.0GJ/tCO2（136kgce/tCO2）
12、日本RITE新型水溶液能耗2.5GJ/tCO2 (85 kgce/tCO2)3. 膜分离技术具备较好的应用前景，但还无法实现规模化应用，能耗约 13 GJ/tCO2（34102 kgce/tCO2 ）,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,氧气高炉炼铁工艺能源消耗,节能6.55%,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,计算方法：,IPCC2006方法,应用氧气高炉炼铁系统和传统炼铁系统相比，在原料结构不变的条件下，烧结和球团工序的二氧化碳排放量是不变的，发生改变的仅仅是高炉炼铁和焦化工序 。因此，对于新工艺较传统高炉工艺的CO2减排计算，可以仅仅计算高炉本体和焦化工序的CO2排放。,焦炭和煤粉
13、：CO2排放量=燃料数量低发热值排放因子氧化率 电：CO2排放量=电量排放系数 煤气发电：CO2排放量=电量排放系数，按外供煤气的发电量计算 CO2贮存量为吨铁直接分离出的CO2量，不考虑CO2运输的额外排放,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,氧气高炉较传统高炉CO2排放项目对比,如输出煤气按发电计算CO2排放：CO2排放量=煤气量煤气热值/电的低发热值发电效率电的CO2排放系数如输出煤气按热值计算CO2排放：CO2排放量=煤气量煤气热值/标煤低发热值 标煤CO2排放系数,氧气与传统高炉CO2减排效果,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,不结合CCS减排16.5%，结合CCS则减排65%,输出煤气按发电计算CO2排放,氧气与传统高炉CO2减排效果,三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析,不结合CCS减排8%，结合CCS则减排62%,输出煤气按热值计算CO2排放,四、结语及展望,氧气高炉炼铁技术对钢铁工业的节能减排具有十分重要和深远的影响。 （1）氧气高炉炼铁可以减少焦炭用量，降低碳耗； （2）经济性取决于：焦炭和煤粉的差价、分离成本； （）节能减排效果：分离能耗、技术的发展。,谢谢， 请批评指正！,36,
