氧气高炉技术的研究进展及其节能减排潜力分析

1、薛庆国薛庆国北京科技大学北京科技大学 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12011年全国节能减排与低碳冶金技术发展研讨会年全国节能减排与低碳冶金技术发展研讨会1开发氧气高炉炼铁技术的必要性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氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析4结语及展望结语及展望汇 报 提 纲21开发氧气高炉炼铁技术的必要性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氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析4结语及展望结语及展望汇 报 提

2、纲3q 氧气高炉氧气高炉q 采用纯氧代替空气鼓风采用纯氧代替空气鼓风q 炉顶煤气循环利用炉顶煤气循环利用什么是氧气高炉？什么是氧气高炉？传统高炉炼铁传统高炉炼铁 矿粉矿粉烧结烧结焦煤焦煤焦化焦化制粉制粉煤煤热风炉热风炉空空气气废废气气煤煤气气 矿粉矿粉烧结烧结焦煤焦煤焦化焦化制粉制粉煤煤氧气氧气氧气高炉炼铁氧气高炉炼铁COCO2 2煤煤气气分离分离COCO一、开发氧气高炉炼铁技术的必要性一、开发氧气高炉炼铁技术的必要性高炉炼铁：高炉炼铁：Fe2O3 + 3.4C + O2+3.2N2 = 2Fe + 1.7CO+1.7CO2+3.2N2热风热风低品位煤气低品位煤气焦炭、煤粉焦炭、煤粉存存在在问

3、问题题趋趋势势焦化：耗能、污染焦化：耗能、污染焦煤资源焦煤资源N2气占煤气量的气占煤气量的48%，降低煤气品质降低煤气品质50%左右的左右的C只转只转化为化为CO以煤代焦以煤代焦氧气代替空气氧气代替空气CO2分离分离CO循环利用循环利用氧气高炉炼铁技术氧气高炉炼铁技术5矿石矿石铁水铁水一、开发氧气高炉炼铁技术的必要性一、开发氧气高炉炼铁技术的必要性BFG1/3 氧气氧气高炉炼铁氧气高炉炼铁CO2分离2/3CO矿石、焦炭煤粉q 降低燃料、 焦比（400 kg/tHM） q 提高煤气热值（7000 kJ/m3）q 提高生产效率q 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一、

4、开发氧气高炉炼铁技术的必要性氧气高炉炼铁技术优势氧气高炉炼铁技术优势1氧气高炉炼铁技术研究进展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氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析4结语及展望结语及展望汇 报 提 纲7二、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q 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q 采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”q 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

5、究进展二、氧气高炉炼铁技术研究进展Ore CokeTop gas 2Dust34C O2CirculatedgasOxygenFuel Oxygen Fuel SlagHot metal11 blast furnace; 2 dust collector; 3 compressor; 4 removal unit CO2Output gas Fink Fink氧气高炉流程图氧气高炉流程图u 19781978年德国年德国FinkFink等人等人 提出提出FinkFink流程流程 流程特点：流程特点： （1 1）在炉缸和炉腰处）在炉缸和炉腰处 设置设置两排风口两排风口，同，同 时吹氧、喷入燃料，时

6、吹氧、喷入燃料， 并送入脱除并送入脱除COCO2 2的的 循环煤气。循环煤气。 （2 2）系统中）系统中不设置气体不设置气体 加热设备加热设备； 为了解决这两个关键问题，国内外学者先后提出几种流程：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二、氧气高炉炼铁技术研究进展Ore CokeTop gas 2Dust34C O2CirculatedgasOxygen Pulverised coal SlagHot metal11 blast furnace; 2 dust collector; 3 compressor; 4 removal unit CO2Out

7、put gasu 1984 1984年加拿大年加拿大WWK K Lu Lu提出提出WK Lu流程流程 流程特点：流程特点： （1 1）在炉缸设）在炉缸设一排风一排风 口口，鼓入氧气和已，鼓入氧气和已 脱除脱除COCO2 2的炉顶循的炉顶循 环煤气环煤气, ,同时风口同时风口 大量喷吹煤粉；大量喷吹煤粉； （2 2）氧气和循环煤气）氧气和循环煤气 都都不加热不加热，设备，设备 比较简单；比较简单； WWK LuK Lu氧气高炉流程图氧气高炉流程图二、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Ore CokeTop gas SlagHot metal11 blast furnace; 2

8、 dust collector; 3 compressor; 4 removal unit; 5 hot stove CO22Dust34C O2Pulverised coalCirculated gasPreheated gas53Outputgasu 1985 1985年北科大秦民生年北科大秦民生 教授教授 提出提出FOBFFOBF流程：流程： （1 1）炉缸和炉身下部）炉缸和炉身下部 设设两排风口；两排风口； （2 2）炉缸风口鼓入常温）炉缸风口鼓入常温 氧气并大量喷吹煤氧气并大量喷吹煤 粉；同时送入一定粉；同时送入一定 量的炉顶煤气；量的炉顶煤气； （3 3）上排风口喷入脱除）上排风口

9、喷入脱除 CO CO2 2的的加热煤气。加热煤气。FOBFFOBF氧气高炉流程图氧气高炉流程图二、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Top gas Slag 335kgHot metal 1000kgScrubberCombustionfurnaceOxygen 307Nm3Coal 300kgOxygen 382Nm3Recycle top gas 45Nm3Preheating gas 296Nm3Temp. 100025Nm3296Nm31263Nm31194Nm3TGT150Bosh gas 337 Nm3TFT2600853Nm3u 1987 1987年年NKKNK

10、K公司提出公司提出 NKK NKK流程流程 流程特点：流程特点： （1 1）炉缸和炉身中部）炉缸和炉身中部设设 置两排风口置两排风口； （2 2）炉缸风口吹入常温）炉缸风口吹入常温 氧气并喷吹煤粉，氧气并喷吹煤粉， 同时送入未脱除同时送入未脱除COCO2 2 的炉顶循环煤气；的炉顶循环煤气； （3 3）设置一个燃烧炉，）设置一个燃烧炉， 热气体送入炉身中热气体送入炉身中 部风口。部风口。 NKK NKK氧气高炉流程图氧气高炉流程图二、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q NKK公司在3.9 m3试验高炉上进行了试验。q 煤比可以提高到 320Kg/t；q 焦比大幅度降低；q

11、利用系数达到5.1t/m3d；q 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！类 别具体措施外部直接向炉身补充热量 从炉身返回热煤气降低炉身热量需要 风口喷吹熔剂等增加热量从炉缸向炉身的转移 炉缸部位返回煤气，加大煤气量类别具体措施化学反应吸热 1、将未脱除CO2的炉顶循环煤 气通入炉缸风口 2、炉缸风口喷入水蒸汽 物理吸热 炉缸风口鼓入大量已脱除CO2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解决上冷途径解决上冷途径解决下热途径解决下热途径二、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q 上世纪80年代中期至本世纪初，近20年时间， 氧气高

12、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：

13、u炉顶煤气循环全氧高炉炼铁(TGR-BF)u氧-煤-矿熔融还原炼铁u过剩煤气重整直接还原炼铁u生物质气化直接还原炼铁u电解炼铁u煤气CO2分离捕集与封存u ULCOSULCOS计划计划欧盟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-） 基于工业化试验成果，建设工业生产线Ultra-Low CO2 Steelmaking17二、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ULCOSULCOS计划计划二、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)

14、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

15、TGR-BF采用的方案采用的方案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 u 连续安全生产7周u 操作顺利u 喷煤：170 kg/tHMu 焦比由400 kg/tHM降至 260 kg/tHMu 节碳24%u 煤气循环率：90%u CO回收87% H2回收98% u CO2减排无CCS: 26%有CCS50% 目前正在积

16、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q 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二、氧气高炉炼铁技术研究进展q 优势 利用现有的高炉设备，投资大大降低； 有现有高炉炼

17、铁技术的基础，容易形成规模化技术；q 劣势 焦比高于 COREX Corex3000（目标） 产能：150万吨 /年 焦比：150 Kg/t 燃料比：980 Kg/t与与 COREX COREX 等比较等比较1氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析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氧气高炉炼铁技术研究进展4结语及展望结语及展望汇 报 提 纲25三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析节能效果如何节能效果如何26计算方法：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

18、-2008） 炼铁工序炼铁工序能耗计算项能耗计算项焦化焦化烧结烧结高炉高炉氧气高炉与传统高炉工氧气高炉与传统高炉工艺原料结构不变，故两艺原料结构不变，故两者烧结工序能耗相同，者烧结工序能耗相同，仅计算焦化和高炉能耗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。参数参数数值数值焦比焦比/(kgt-1)200煤比煤比/(kgt-1)200氧耗氧耗(纯度纯度90%)/(m3t-1)239矿石量/(kgt-1)1660渣量/(kgt-1)327直接还原度0.12物

19、料平衡的相对误差/%0.10煤气热值/(kJm-3)6218脱除CO2和H2O量/(m3t-1)414理论燃烧温度/K2370外供煤气量外供煤气量/(m3t-1)50预热炉身煤气燃烧量/(m3t-1)118预热风口煤气燃烧量/(m3t-1)71全炉热损失/%5.38 氧气高炉炼铁工艺参数表氧气高炉炼铁工艺参数表 氧气高炉流程图氧气高炉流程图三、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序号序号能源名称能源名称单位单位消耗定额消耗定额（吨铁）（吨铁）折合系数折合系数单位产品能单位产品能耗，耗，kgce1新水m30.4300.06145 kgce(m3)-10.0262软

20、化水m30.0110.11 kgce(m3)-10.0013电kwh500.1229 kgcekwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116 kgcet-10.0055压缩空气m3250.04 kgce(m3)-11.0006氮气m334.5900.37 kgce(m3)-112.7987制氧耗电kwh10.50.1229 kgcekwh-11.2908煤粉kg1700.9 kgcekg-1153.009焦炭kg3500.9714 kgcekg-1339.99010高炉煤气输出m3-6800.1286 kgce(m3)-1-87.44811TRT发电kwh-350.1229 kgcekwh

21、-1-4.30212焦化49.700合计472.207国内某厂国内某厂 1080 m3 高炉能源消耗高炉能源消耗71CO2分离三、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200200-50?28.400?8.726180.000194.2800.2122 kgce(m3)-1-10.610传统高炉传统高炉氧气高炉氧气高炉75.2475.24q 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/tCO2 2. 化学吸收 标准MEA水溶液能耗 4.0GJ/tCO2（136kgce/tCO2） 日本RITE新型水溶液能耗 2.5GJ/tCO2

22、 (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三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析序号序号能源名称能源名称单位单位消耗定额消耗定额（吨铁）（吨铁）折合系数折合系数单位产品能单位产品能耗，耗，kgce1新水m30.4300.06145 kgce(m3)-10.0262软化水m30.0110.11 kgce(m3)-10.0013电kwh500.1229 kgcekwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116 kgcet-10.0055压缩空

23、气m3250.04 kgce(m3)-11.0006氮气m334.5900.37 kgce(m3)-112.7987制氧耗电kwh710.1229 kgcekwh-18.7268煤粉kg2000.9 kgcekg-1180.009焦炭kg2000.9714 kgcekg-1194.28010高炉煤气输出m3-500.2122 kgce(m3)-1-10.6111CO2分离t0.683630 kgcet-120.50812焦化28.400合计441.280氧气高炉炼铁工艺能源消耗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三、氧气高炉炼铁技术节能减排潜力分析减排效果

24、减排效果计算方法：计算方法：IPCC2006方法二氧化二氧化碳排放碳排放直接排放直接排放外购电力的间接排放外购电力的间接排放 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。u 焦炭和煤粉：CO2排放量=燃料数量低发热值排放因子氧化率 u 电：CO2排放量=电量排放系数 u 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 u 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排放项目吨铁数量差别氧气高炉传统高炉焦炭(kg)200350-150煤粉(kg)20017030电(kwh)36525.5339.5输出煤气 (m3)50680-630焦化(kgce)28.449.7-21.3氧气高炉较传统高炉氧气高炉较传统高炉CO2排放项目对比排放项目对比u 如输出煤气按发电计算如输出煤气按发电计算CO2排放：排放： CO2排放量=煤气量煤气热值