降低高炉炼铁碳排放技术的发展

以生产高炉为基础,通过Rist操作线模型计算了＂理想＂高炉的还原剂消耗。针对＂理想＂高炉的计算和我国目前高炉碳排放潜能的分析,提出了在我国现有条件下,降低高炉燃料比是减排高炉碳排放的主要措施,然而考虑到整个钢铁厂的能量平衡,应该选择最佳的方法减少CO2排放量。氧气高炉、炉顶煤气循环、高炉喷吹废旧塑料以及使用预还原炉料都...     

武钢炼铁CO2排放现状及减排方向

计算分析了武钢高炉炼铁的CO2排放量,结果表明,2007年的CO2排放量比2004年下降了60～70kg/t.但距离理想高炉的排放水平仍然有152.83 kg/t的差距.通过改进过程效率、回收余热余能和使用金属化炉料,能够降低高炉的综合能耗,达到减少高炉CO2实际排放量的目的.     

高炉富氧喷吹焦炉煤气对CO_2减排规律研究

将高炉分为高温区和固体炉料区两个区域,在物料平衡和热量平衡的基础上,以大型高炉生产数据做支撑,建立了高炉富氧喷吹焦炉煤气数学模型。计算结果表明:高炉富氧喷吹焦炉煤气,焦炉煤气喷吹量每增加50m3,可减少炼铁工序CO2排放量约5%,同时风口理论燃烧温度降低约35℃;如果保持风口理论燃烧温度与现有大型高炉相同,那么随着焦炉煤气喷吹量的增大,炼铁工序CO2排放量要比不考虑风口理论燃烧温度时大,但仍可以显著降低CO2排放量。     

氧气高炉炼铁技术分析

对氧气高炉进行了数值模拟,数值模拟结果表明氧气高炉炉顶煤气循环利用,可以降低燃料消耗5%左右,炉顶煤气CO2进行储存及资源化利用,可以减少CO2排放56%以上。通过分析氧气高炉的工业化试验情况,说明氧气高炉要实现低成本生产,尚需要解决高效喷吹及全流程优化控制技术,循环煤气加热技术,炉顶煤气CO2脱除技术和CO2储存及资源化利用技术四个关键问题,同时为发展氧气高炉炼铁新工艺提出建议。     

我国氢冶金发展现状及未来趋势

高炉富氢冶炼和富氢气基竖炉是我国氢冶金发展的两大主要方向。高炉富氢冶炼以喷吹焦炉煤气最为典型,与未喷吹焦炉煤气相比,喷吹50 m~3/t HM焦炉煤气,炉料还原速度加快,焦比降低14.43%,碳排放减少8.61%。年产1万t DRI煤制气-气基竖炉直接还原中试基地正在建设,该流程吨钢总能耗为263.67 kgce,吨钢CO_2排放量为829.89 kg,优于传统高炉-转炉流程。综合考虑目前制氢和储氢装备与技术尚待完善、氢气还原吸热降低炉温、氢气比重低、制氢成本高等,我国原燃料条件下更适宜发展富氢气基竖炉,大规模产业化经济制氢与储氢将推动全氢竖炉的进一步发展。     

50%CO2+50%CO气氛下金属化炉料非等温反应动力学

高炉使用金属化炉料作为一种新型的低碳炼铁技术为高炉炼铁过程深度降碳提供了新的可能。由于金属化炉料的易再氧化性，装入高炉炉顶中的金属化炉料是否能被炉顶煤气中的CO₂再氧化成为一个需要关注的问题。对70%金属化率炉料在体积分数为50%CO₂+50%CO气体混合物中的非等温反应过程动力学进行了研究。采用KAS动力学分析方法计算了反应过程的表观活化能和反应机理，分析了反应过程的特征温度。结果表明，70%金属化率炉料在50%CO₂+50%CO混合气氛中的非等温反应过程表现为单步反应行为，反应的最佳机理模型为化学反应控制的A₁模型。金属化炉料低温下反应需要克服较大的反应能垒，主要反应阶段的表观活化能为114.22 kJ/mol,指前因子为2 785/s。金属化炉料反应过程随加热速率增大存在滞后现象，加热速率从5 K/min增大到20 K/min时，反应开始温度从1 045 K增加至1 140 K,快速反应温度从1 267 K增加到1 470 K,而实际高炉炉顶温度远低于1 045 K,因此金属化炉料在高炉顶部不...     

高炉炼铁降低CO2排放的潜力

在多方努力减少温室气体排放以及欧盟加紧实施CO2排放贸易的大背景下,高炉工艺也开始重新考虑减少CO2排放的可能性。由蒂森克虏伯钢公司开发的高炉平衡模型可提供减少还原剂加入量,即减少CO2排放量的方法。与实际生产高炉作对比,对"理想"高炉进行了计算。"理想"高炉中浮氏体还原动力学的"理想操作点",直接取决于贝-波反应平衡曲线,可在远离平衡位置的低温下实现。统计分析发现,"理想高炉"的燃料比只比德国高炉目前的平均燃料比低5%。高炉中加入预还原炉料,如热压铁块(HBI),对降低还原剂消耗和高炉过程的CO2排放都起有利作用。为了评估减少还原剂消耗和CO2排放的潜力,应用平衡模型对与传统高炉不同的两种新的高炉工艺进行了评价。这两种新流程是无氮高炉和等离子加热高炉,其共同特点是都配有从炉顶煤气中脱除CO2的装置,这两种新工艺虽然降低了还原剂消耗量,但都需要消耗更多的电能,特别是等离子加热高炉工艺。     

赤泥固废资源利用研究

研究目的是应用赤泥固废资源搭配不同比例的含铁矿物和还原煤直接还原炼铁,提高固废资源利用率,扩大炼铁资源应用范围,节能减排。应用赤泥、含铁矿物和还原煤等造球时,不需加粘结剂;球团在1200℃高温、CO/CO_29.00还原气氛下直接还原,生成的DRI球团经低温煤气冷却,高温煤气被冷球团冷却,出炉DRI球团和煤气温度小于200℃。实验表明:按DRI球团物理热及煤气热值利用率70.00%、95.00%铁品位折算:炉料成本1530元/t以下,能耗450 kgce/t以下,CO_2排放1.15 t/t以下,考虑到加热熔化后能耗500 kgce/t以下;以赤泥配比63.40%、含铁矿配比23.24%、还原煤配比13.36%为最优,入炉品位29.72%,可以消化赤泥2.111 t/t,炉料成本965元/t,能耗415 kgce/t, CO_2排放1.10 t/t。与目前高炉炼铁系统相比,降低炉料成本、降低能耗、减少CO_2排放量。     

高炉炉型计算

高炉的现代化生产工艺在不断变化,除了改善原料质量外,还采用一些新工艺,例如,提高炉顶煤气压力,喷入代用燃料,提高吹入空气中的氧含量,等等。这些实际情况显著地影响了高炉炉内热量的传递过程及炉料和煤气运动等。高炉内下降的炉料与上升的煤气相互作用的特点均与高炉炉型有关。高炉炉型合适与否,直接影响生产技术经济指标及各种新技术应用的效果。     

炉料金属化率对高炉工艺和操作参数的影响

针对不同金属化率的炉料,采用离散物料平衡和热平衡系统,描述了铁矿在高炉内还原和熔化过程中的传热和传质。该计算模型将高炉在垂直方向分为12层,沿半径方向分成10圈。结果表明,随着炉料金属化率的提高,直接还原所需的热量和热流比减少,导致高炉下部传热强度降低,这可使高炉下部高度增加而上部高度减小。煤气等温线上移,炉顶热损失增加。同时,软熔带上移,区间扩大,布料对高炉操作参数的影响减弱。由于直接还原度的降低,喷吹天然气对焦比的影响减小。当炉料金属化率大于20%时,金属化炉料的使用并不能降低焦比。     

Numerical simulation on novel blast furnace operation of combining coke oven gas injection with hot burden charging

A novel blast furnace operation of coke oven gas (COG) injection simultaneously with hot burden charging has been proposed to solve the problem of insufficient heat in the BF shaft zone under the condition of COG injection and make full use of the abundant sensible heat of high temperature burden. In this paper, the novel process has been simulated with a multifluid blast furnace model. The results show that, in comparison with the operation of COG injection only, under the operation of COG injection together with hot burden charging, the temperature in the upper zone of the shaft increases while that in lower zone decreases. Furthermore, the reduction of iron bearing material is improved in the top zone, and the cohesive zone tends to descend and narrow. The coke ratio, fuel ratio and CO₂ emissions of the operation of charging hot pellet and coke with the temperature of 800°C are decreased by 4.0, 4.7 and 5.3% respectively, while the hot metal productivity is increased by 7.14%. Therefore, COG injection combined with hot burden charging operation not only increases temperature in the upper part of the blast furnace but also decreases energy consumption per tonne hot metal.     

Optimisation study of ironmaking using biomass

Abstract

The economic advantage of using biomass as partial substitute for fossil reductants in the blast furnace (BF) process was studied by simulation. A thermodynamic model of the BF was used in combination with simple models of the coke plant, sinter plant, hot stoves, basic oxygen furnace and power plant. Pretreatment of the biomass before its injection in the BF is considered in a pyrolysis unit where the carbon content and heating value are raised and the oxygen content is lowered, which is beneficial for the BF. The system was optimised with respect to the price of raw steel, considering costs of raw materials, energy and CO₂ emissions of the unit processes. The study demonstrates that biomass in partially pyrolysed form is a potential auxiliary reductant and that the optimal states of operation within certain regions depend strongly on the price structure of the raw materials and emissions.     

高炉喷吹还原气操作的数学模拟研究

副产煤气的高效利用对钢铁产业的节能降耗和环境保护意义重大。为此,提出了一个新的高炉风口喷吹高炉、转炉和焦炉煤气技术,并利用多流体高炉模型对其进行了详细模拟研究,预测了炉内现象和操作性能的变化。在维持回旋区温度、炉腹煤气量及渣面处铁水温度一致的条件下,模拟结果表明与现行常规操作相比,风口喷吹煤气后炉身温度下降,但整个炉内H₂/CO浓度显著提高,炉身烧结矿间接还原加速,产量明显增加,热利用效率明显改善。其中喷吹焦炉煤气效果最为显著,高炉CO₂产生量大幅度降低。随工艺氧制备等技术的进步,高炉喷吹副产煤气技术具有广阔的应用前景。     

近零碳排电弧炉炼钢工艺技术研究及展望

 中国钢铁工业碳排放占全国总排放比例达16%,减少钢铁工业碳排放是中国政府实现“碳达峰、碳中和”承诺的重要抓手。在碳中和背景下,全球钢铁行业正加速推动技术革新以降低碳排放。提出近零碳排电弧炉炼钢新工艺,从能量来源碳近零、冶炼过程碳近零、原料生产碳近零3个层面开展技术创新,以实现炼钢工序碳近零。在能量来源碳近零方面,提出利用太阳能、风能及谷电等能源昼夜交替补充,能量有效存储及释放、微型智能电网及电弧炉优化供电,实现绿色能源的直接高效利用;在冶炼过程碳近零方面,提出利用氢能烧嘴、无碳发泡剂、CO₂-Ar动态底吹脱氮、熔池内O₂-CaO喷吹脱磷及系统能效评价等关键技术实现非涉碳冶炼;在原料生产碳近零方面,提出利用绿氢直接还原炼铁及相关配套技术、绿电等离子热风窑炉配合碳捕集工艺等大幅降低原辅料生产过程碳排放。对电弧炉炼钢过程能量输入、冶炼涉碳及原料带碳的吨钢坯二氧化碳排放进行了衡算,并结合上述关键技术减碳能力分析,计算预测该近零碳排电弧炉炼钢新工艺最终极限碳排放可降低到64 kg/t(钢)。因此,开展近零碳排电弧炉炼钢工艺研究,加速其工业落地应用,将有助于促进中国钢铁工业创新发展和绿色低碳发展。     

高炉喷吹焦炉煤气技术的研究进展

综述了国外高炉风口喷吹焦炉煤气(COG)技术的研究进展,包括瑞典律勒欧使用风口理论模型模拟高炉风口喷吹焦炉煤气,奥钢联林茨厂和维也纳大学联合对高炉风口采用单、双枪喷吹焦炉煤气的模拟研究,以及喷吹焦炉煤气时在炉子下部形成CO和H2的还原能力分析。介绍了日本高炉炉身喷吹焦炉煤气的基础研究。也介绍了喷吹焦炉煤气的工业高炉及相关结果,其经验可供钢铁企业鉴借。     

钢铁厂流程结构优化与高炉大型化

高炉是钢厂生产流程中物质、能量最为密集的工艺装置,对钢厂的物质流网络和能量流网络的构建与合理化运行有着重大影响。高炉的功能不仅是通过还原反应过程获得优质的铁水,而且伴随大量的能量转换和信息的输入/输出过程,应当在整个钢铁生产流程结构优化的前提下,综合思考高炉的合理座数、合理容积和合理位置。通过分析国际高炉的发展趋势和首钢京唐钢厂5 576m3高炉与迁安钢厂4 080m3高炉的比较,建设2×5 576m3高炉和3×4 080m3高炉可以得到相近的产量,但前者在节省投资、能源节约和信息控制等方面具有明显优势。由此可以看出,为了优化钢厂生产流程,提高市场竞争力,高炉大型化是一种明显的趋势。但是,并不是追求单座高炉越大越好,更不应盲目追求"最大"。应该在产品结构、物质流结构、能量流结构优化和动态运行优化前提下实施高炉大型化。一般的趋势是一个高效益、低成本生产的钢厂应以2～3座高炉为宜,并由此得到高炉大型化的合理容积、合理座数及其合理位置。这种发展趋势不仅适合于生产薄板的大型联合企业,而且也适合于生产建筑用棒/线材的中、小型钢厂。     

二氧化碳在钢铁冶金流程应用研究现状与展望

从二氧化碳在钢铁冶金流程的资源化应用出发,介绍了近年来二氧化碳在烧结、高炉、转炉、电炉、炉外精炼、连铸和冶炼不锈钢等流程的应用研究现状和发展情况。结合国内外应用研究现状和本课题组的研究情况,分析了二氧化碳在钢铁冶金各流程应用的可行性和冶金效果。主要介绍的新工艺有烟气循环烧结、高炉风口喷吹CO_2及CO_2作为高炉喷煤载气、转炉顶底吹CO_2、LF炉和电弧炉底吹CO_2、CO_2作为连铸保护气、CO_2用于冶炼不锈钢和循环CO_2燃烧。CO_2在钢铁冶金各流程的应用,合计使用量有望达到吨钢100kg,应用前景非常广阔。     

结合CCS的炉顶煤气循环—氧气鼓风高炉CO2减排分析

 介绍了炉顶煤气循环—氧气鼓风高炉炼铁技术的研发进展,阐述了碳捕捉及封存技术(CCS)的特点及其技术成熟度,重点分析了几种CO2分离方法的原理及其适用条件,最后应用IPCC2006方法计算分析了结合碳捕捉及封存技术的炉顶煤气循环氧气鼓风高炉的CO2减排效果。结果表明：新工艺的吨铁CO2排放量为582.40kg,较传统高炉CO2减排55%。结合碳捕捉及封存技术的炉顶煤气循环氧气鼓风高炉炼铁技术的开发,能够促进中国钢铁工业CO2减排,对钢铁工业的可持续发展具有十分重要的现实意义和深远影响。     

氧气高炉喷吹焦炉煤气数学模型

 为降低氧气高炉炼铁流程中循环煤气脱除CO2及煤气预热成本,提出了氧气高炉喷吹焦炉煤气炼铁流程,并建立了新流程能质平衡数学模型,应用该模型分别对传统高炉、传统高炉喷吹焦炉煤气、氧气高炉（鼓风氧体积分数为30%、40%、50%、100%）喷吹焦炉煤气炼铁流程主要技术参数进行计算并对比。结果表明,传统高炉喷吹少量焦炉煤气（30 m3/t）可降低燃料比13 kg/t,焦炉煤气置换焦炭的置换比为0.433 kg/m3,但是对其他参数影响不大。氧气高炉喷吹焦炉煤气流程随着富氧率提高,炉内还原势提高,CO和氢利用率下降,炉内存在还原剂表观过剩,非全氧鼓风条件下炉内没有发生氮气富集。新流程外供煤气总热值为3 000 MJ/t左右,与传统高炉相比变化不大,对现有钢铁联合企业煤气供需平衡影响较小。全氧高炉喷吹焦炉煤气炼铁流程相较于目前的高炉炼铁流程可节焦43%,增煤33%,总燃料比降低20%。