東北大學(xué),冶金學(xué)院
1 低碳共識(shí)與我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向
2015年12月12日，聯(lián)合國(guó)氣候變化巴黎大會(huì)成功通過(guò)《巴黎協(xié)定》。中國(guó)政府承諾將于2030年左右CO2排放達(dá)到峰值并實(shí)現(xiàn)單位GDP的CO2排放量比2005年下降60%~65%。2017年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量為8.32億噸，占世界粗鋼產(chǎn)量的49.2%，而生鐵產(chǎn)量為7.108億噸，占全世界生鐵產(chǎn)量的60.54%，但是噸鋼能耗、CO2排放量及污染物排放量均為世界第一[1-2]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，按產(chǎn)業(yè)劃分，我國(guó)鋼鐵工業(yè)的CO2排放量占全國(guó)CO2排放總量的16.02%，如圖1所示。因此，我國(guó)政府和鋼鐵企業(yè)將長(zhǎng)期承受巨大的碳減排壓力。
現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)主要有四種工藝流程：(1)高爐-轉(zhuǎn)爐;(2)廢鋼-電爐;(3)直接還原鐵-電爐;(4)熔融還原-轉(zhuǎn)爐。其中，高爐-轉(zhuǎn)爐又稱傳統(tǒng)長(zhǎng)流程，已獲得長(zhǎng)足發(fā)展，是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的主流工藝，而直接還原和熔融還原屬于新一代鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，也是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的重要組成部分。氣基豎爐直接還原具有工藝自動(dòng)化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，《中國(guó)制造2025》明確指出氣基豎爐將是后高爐時(shí)代的首選工藝之一。我國(guó)主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程，生鐵產(chǎn)量占粗鋼產(chǎn)量的比例高于90%，電爐短流程產(chǎn)量比例偏低，前些年在10%左右，近年呈降低趨勢(shì)(約6%)，如圖2所示。這也是我國(guó)噸鋼能耗高于世界平均能耗的主要原因之一。因此，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)正面臨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)換代的重大需求。
對(duì)于鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展的選擇，除了壓縮產(chǎn)能、逐漸提高廢鋼比以外，有限的選擇方向是改變鋼鐵產(chǎn)業(yè)的能源和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，逐漸對(duì)傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程進(jìn)行流程優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)“綠色低碳”。而直接還原-電爐流程短、節(jié)能、二氧化碳減排效果顯著，是鋼鐵工業(yè)擺脫焦煤資源羈絆，提高廢鋼比、進(jìn)一步降低能耗，減少二氧化碳排放1/3~1/2的主要途徑。基于低碳鋼鐵的發(fā)展需求，我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展應(yīng)逐步由直接還原-電爐短流程替代高爐-轉(zhuǎn)爐流程。
在直接還原工藝中，氣基豎爐法因其產(chǎn)品清潔、環(huán)境負(fù)荷低、自動(dòng)化程度高，得到了大力發(fā)展。世界直接還原鐵產(chǎn)量中，氣基豎爐直接還原工藝產(chǎn)量達(dá)到80%以上，如表1所示。從能源結(jié)構(gòu)上來(lái)看，我國(guó)天然氣儲(chǔ)量不大且資源分布不均，天然氣供應(yīng)緊張，且價(jià)格連續(xù)上漲，嚴(yán)重限制了我國(guó)豎爐直接還原的發(fā)展。但是，我國(guó)煤儲(chǔ)量豐富，煤制氣工藝日趨成熟，直接使用焦?fàn)t煤氣、合成氣、煤制氣為還原氣的HYL-ZR/ENERGIRON新工藝方案的提出，為天然氣資源不足而非焦煤資源豐富的中國(guó)發(fā)展氣基豎爐直接還原工藝提供了有力條件[3-5]。另外，“十三五”期間我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)廢鋼蓄積量將超80億噸，年供應(yīng)量將達(dá)1.5~2.5億噸。廢鋼蓄積量和產(chǎn)出量的迅速增長(zhǎng)為我國(guó)發(fā)展煤制氣-氣基豎爐-電爐短流程創(chuàng)造了有利條件。
表1 世界各種直接還原工藝產(chǎn)量
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項(xiàng)目 |
2010 |
2011 |
2012 |
2013 |
2014 |
2015 |
2016 |
2017 |
|
MIDREX/% |
59.7 |
60.5 |
61.2 |
63.5 |
63.2 |
63.1 |
64.8 |
64.8 |
|
HYL/Energiron/% |
14.1 |
15.2 |
14.8 |
15.1 |
16.2 |
16.0 |
17.4 |
16.9 |
|
其他氣基/% |
0.5 |
0.7 |
0.7 |
0.2 |
0 |
0.7 |
0.3 |
0.7 |
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煤基/% |
25.7 |
23.6 |
23.3 |
21.3 |
20.6 |
20.2 |
17.5 |
17.6 |
|
總產(chǎn)量/萬(wàn)t |
7037 |
7321 |
7314 |
7492 |
7455 |
7257 |
7276 |
8710 |
2 煤制氣-氣基豎爐-電爐短流程
以煤為能源，采用煤氣化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為粗煤氣，粗煤氣中含有CO2、H2S、苯萘等雜質(zhì)，需進(jìn)一步凈化才可達(dá)到氣基豎爐還原氣的成分要求。凈化后的氣體在煤氣加熱爐中被加熱至一定溫度，最終送至氣基豎爐作為還原劑使用。豎爐爐頂煤氣因工藝不同，處理方式也不相同，常見的手段一般為爐頂煤氣經(jīng)除塵、換熱、脫水后，與粗煤氣混合進(jìn)行凈化處理，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。因爐頂煤氣主要成分依然是H2和CO，熱值較高，因此，也可將全部/部分爐頂煤氣作為燃料引至加熱爐作為燃料。
2.1 煤制氣工藝及合理選擇
目前，世界上技術(shù)成熟的煤氣化工藝主要有：固定床法(UGI、Lurgi)、流化床法(灰熔聚、Ende)、氣流床法(Texaco、Shell)等。國(guó)內(nèi)幾種有代表性煤氣化工藝比較結(jié)果如表2所示。結(jié)合煤種、氣化能力、投資等關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)比分析可知流化床煤制氣工藝最適合我國(guó)發(fā)展氣基豎爐直接還原工藝。
表2 常見煤制氣工藝比較
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指標(biāo) |
U-gas |
Ende |
Lurgi |
Shell |
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氣化工藝 |
流化床 |
流化床 |
固定床 |
氣流床 |
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煤種 |
褐煤到無(wú)煙煤 各弱黏結(jié)性煤 |
從褐煤到無(wú)煙煤各種弱黏結(jié)性煤 |
褐煤到無(wú)煙煤 各弱黏結(jié)性煤 |
全部煤種 均可 |
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進(jìn)煤系統(tǒng) |
鎖斗間斷加入 |
螺旋加入 |
鎖斗間斷加入 |
氮?dú)廨斔?/span> |
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入爐粒度 |
＜6 mm |
＜10mm |
6-50 mm |
90%＜150 μm |
|
|
灰分/% |
＜30 |
＜30 |
無(wú)限制 |
無(wú)限制 |
|
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含水/% |
＜8 |
＜8 |
＜20 |
＜2 |
|
|
灰熔點(diǎn)/℃ |
＞1150 |
＞1250 |
＞1500 |
＜1500 |
|
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氣化壓力/MPa |
0.7-2.4 |
常壓 |
2~3 |
2~4 |
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排渣方式 |
固態(tài) |
固態(tài) |
固態(tài) |
液態(tài) |
|
|
氣化劑 |
氧氣+水蒸氣 |
氧氣+水蒸氣 |
氧氣+水蒸氣 |
氧氣 |
|
|
水蒸氣耗/(kg/1000Nm3) |
520 |
600 |
1400 |
少量 |
|
|
氧耗/(Nm3/1000Nm3) |
230~340 |
400 |
160~270 |
330~360 |
|
|
煤耗/(kg/1000Nm3) |
476 |
640 |
823 |
505 |
|
|
氣化溫度/℃ |
950~1050 |
1300-1400 |
900~1100 |
1400~1600 |
|
|
碳轉(zhuǎn)化率/% |
97 |
97 |
90 |
99 |
|
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冷煤氣效率/% |
＞78 |
＞73 |
＞80 |
＞83 |
|
|
凈熱效率/% |
73 |
69 |
65 |
95 |
|
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單爐氣化煤能力/(t·d-1) |
500-1000 |
400 |
600 |
2000 |
|
|
國(guó)產(chǎn)化水平 |
國(guó)產(chǎn)化 |
國(guó)產(chǎn)化 |
國(guó)產(chǎn)化 |
關(guān)鍵設(shè)備引進(jìn) |
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粗煤氣 成分/% |
CO |
26~44 |
30-34 |
20~28 |
60~65 |
|
H2 |
27~39 |
32-37 |
38~40 |
22~25 |
|
|
CO2 |
18-31 |
17-20 |
21 |
3 |
|
|
CH4 |
2~8 |
1.2-1.5 |
7~12 |
＜0.1 |
|
|
N2+Ar |
3.2 |
8.5 |
1.2 |
7.5 |
|
|
H2S+COS |
0.9 |
0.9 |
0.7 |
1.3 |
|
……
