生物质重整煤气喷吹-氧气高炉的低碳潜力分析

我国钢铁行业以高炉-转炉长流程为主,一次能源消耗主要为煤粉与焦炭,化石能源消耗大、碳排放高,其中70%的CO_(2)排放集中在高炉炼铁工序。双碳背景下,亟需研发低碳炼铁技术以降低高炉工艺的能源消耗和CO_(2)排放。提出一种生物质重整煤气喷吹-氧气高炉(BRGI-OBF)工艺流程,该工艺通过优化气化炉工艺参数与生物质替代煤粉重整,产生的重整煤气满足高炉的富氢冶炼需求,并降低了化石能源的使用。结合高炉煤气富氧燃烧碳捕集,可实现末流烟气中CO_(2)富集,从而实现高炉低能耗与低碳(负碳)排放。为分析BRGI-OBF工艺的低碳潜力,首先运用Aspen Plus搭建了BRGI-OBF工艺模型,研究了气化炉输入热量与生物质种类对工艺性能的影响。基于计算得到的工艺参数,运用高炉炼铁工艺能耗计算方法,对比分析了传统高炉工艺与炉顶煤气循环-氧气高炉(TGR-OBF)工艺的能耗与碳流情况。结果表明,向气化炉提供适宜的热量可有效减少煤粉用量,同时增加循环煤气量,最多可减少煤粉用量124.2 kg/t(以生铁计);生物质种类对生物质用量与重整煤气的组分产生显著影响,采用杨木半焦进行重整时,杨木半焦用量为204 kg/t,重整煤气中H_(2)体积分数达29.91%,满足富氢冶炼需求。此外,BRGI-OBF工艺显著改善了能源结构,其化石能源占比约55%,与传统高炉相比,降低煤粉消耗17.6%、焦炭消耗29.3%。该工艺流程耦合富氧燃烧碳捕集技术后,末流中存在碳素372.6 kg/t,以易于压缩捕集的高浓度CO_(2)(>90%)形式存在。扣除由杨木半焦造成的碳素排放,总碳素排放为-109.9 kg/t,相当于生产每吨铁水可额外捕集CO_(2)403 kg,可实现生物质+CCS的负碳技术,为钢铁行业实现深度脱碳提供重要支持。

氧气高炉喷吹焦炉煤气数学模型

高炉的工作过程是以焦炭为燃料,燃烧后排放出CO_2气体。目前我国高炉炼铁的发展方向是以低成本消耗为基础,采取有效解决措施来降低焦炭的损耗量,避免大量的CO气体排放空气中污染环境。其中高炉喷吹焦炉煤气是解决措施之一。本文对氧气高炉喷吹焦炉煤气工艺的内容及其数学模型进行了论述。

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。

氧气高炉工艺的探讨

氧气高炉工艺逐步在冶金行业得到推广应用,这种新型的炼铁工艺替代了传统的热风操作,节能减排效果显著,冶炼效率得到大幅提升。本文将围绕炉顶煤气循环-氧气高炉工艺以及喷吹焦炉煤气-氧气高炉工艺予以阐述。

高炉炼铁C02减排与煤气高效利用技术开发的工作

a．高炉富氧喷吹焦炉煤气技术。该技术可行性强，且易于实施，是焦炉煤气最有价值的使用方法之一。b．高炉炉顶煤气循环氧气鼓风高炉炼铁技术。氧气高炉的优势表现在：可节能25％，C02和NOx均可减排约25％，焦炭消耗和炼焦污染减少50％，且炉顶煤气中的CO2可转化为化工原料（如甲醇、二甲醚等）。

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CO_2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 m^3/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/m^3,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%。

高炉炼铁技术的最新进展

当前围绕循环经济和生态化生产等主题,一些革新的高炉炼铁技术已被提出或实际应用。综合介绍了高炉使用热压含碳球团、高炉喷吹含氢物质、高炉炉顶煤气循环利用,以及高炉炼铁与大规模发电相结合等若干炼铁新技术的概况和最新进展。