1、薛慶國薛慶國北京科技大學北京科技大學 氧氣高爐技術的研究進展及其節(jié)能減排潛力分析2011年9月12011年全國節(jié)能減排與低碳冶金技術發(fā)展研討會年全國節(jié)能減排與低碳冶金技術發(fā)展研討會1開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性2氧氣高爐煉鐵技術研究進展氧氣高爐煉鐵技術研究進展3氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析4結語及展望結語及展望匯 報 提 綱21開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性2氧氣高爐煉鐵技術研究進展氧氣高爐煉鐵技術研究進展3氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析4結語及展望結語及展望匯 報 提

2、綱3q 氧氣高爐氧氣高爐q 采用純氧代替空氣鼓風采用純氧代替空氣鼓風q 爐頂煤氣循環(huán)利用爐頂煤氣循環(huán)利用什么是氧氣高爐？什么是氧氣高爐？傳統(tǒng)高爐煉鐵傳統(tǒng)高爐煉鐵 礦粉礦粉燒結燒結焦煤焦煤焦化焦化制粉制粉煤煤熱風爐熱風爐空空氣氣廢廢氣氣煤煤氣氣 礦粉礦粉燒結燒結焦煤焦煤焦化焦化制粉制粉煤煤氧氣氧氣氧氣高爐煉鐵氧氣高爐煉鐵COCO2 2煤煤氣氣分離分離COCO一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性高爐煉鐵：高爐煉鐵：Fe2O3 + 3.4C + O2+3.2N2 = 2Fe + 1.7CO+1.7CO2+3.2N2熱風熱風低品位煤氣低品位煤氣焦炭、煤粉焦炭、煤粉存存在在問

3、問題題趨趨勢勢焦化：耗能、污染焦化：耗能、污染焦煤資源焦煤資源N2氣占煤氣量的氣占煤氣量的48%，降低煤氣品質降低煤氣品質50%左右的左右的C只轉只轉化為化為CO以煤代焦以煤代焦氧氣代替空氣氧氣代替空氣CO2分離分離CO循環(huán)利用循環(huán)利用氧氣高爐煉鐵技術氧氣高爐煉鐵技術5礦石礦石鐵水鐵水一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性BFG1/3 氧氣氧氣高爐煉鐵氧氣高爐煉鐵CO2分離2/3CO礦石、焦炭煤粉q 降低燃料、 焦比（400 kg/tHM） q 提高煤氣熱值（7000 kJ/m3）q 提高生產效率q 降低CO2分離成本（沒有氮） 6一、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性一、

4、開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性氧氣高爐煉鐵技術優(yōu)勢氧氣高爐煉鐵技術優(yōu)勢1氧氣高爐煉鐵技術研究進展氧氣高爐煉鐵技術研究進展2開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性3氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析4結語及展望結語及展望匯 報 提 綱7二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展q 氧氣高爐的概念及最早的氧氣高爐流程在1970 年由德國Wenzel和Gudenau等人提出q 采用純氧鼓風后帶來的爐內煤氣量過少，造 成爐身爐料加熱不足“上冷”q 理論燃燒溫度提高、煤氣量減少及直接還原 度的降低，導致爐缸溫度過高“下熱”二、氧氣高爐煉鐵技術研

5、究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展Ore CokeTop gas 2Dust34C O2CirculatedgasOxygenFuel Oxygen Fuel SlagHot metal11 blast furnace; 2 dust collector; 3 compressor; 4 removal unit CO2Output gas Fink Fink氧氣高爐流程圖氧氣高爐流程圖u 19781978年德國年德國FinkFink等人等人 提出提出FinkFink流程流程 流程特點：流程特點： （1 1）在爐缸和爐腰處）在爐缸和爐腰處 設置設置兩排風口兩排風口，同，同 時吹氧、噴入燃料，時

6、吹氧、噴入燃料， 并送入脫除并送入脫除COCO2 2的的 循環(huán)煤氣。循環(huán)煤氣。 （2 2）系統(tǒng)中）系統(tǒng)中不設置氣體不設置氣體 加熱設備加熱設備； 為了解決這兩個關鍵問題，國內外學者先后提出幾種流程：為了解決這兩個關鍵問題，國內外學者先后提出幾種流程：二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展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 流程特點：流程特點： （1 1）在爐缸設）在爐缸設一排風一排風 口口，鼓入氧氣和已，鼓入氧氣和已 脫除脫除COCO2 2的爐頂循的爐頂循 環(huán)煤氣環(huán)煤氣, ,同時風口同時風口 大量噴吹煤粉；大量噴吹煤粉； （2 2）氧氣和循環(huán)煤氣）氧氣和循環(huán)煤氣 都都不加熱不加熱，設備，設備 比較簡單；比較簡單； WWK LuK Lu氧氣高爐流程圖氧氣高爐流程圖二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展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）爐缸和爐身下部）爐缸和爐身下部 設設兩排風口；兩排風口； （2 2）爐缸風口鼓入常溫）爐缸風口鼓入常溫 氧氣并大量噴吹煤氧氣并大量噴吹煤 粉；同時送入一定粉；同時送入一定 量的爐頂煤氣；量的爐頂煤氣； （3 3）上排風口噴入脫除）上排風口

9、噴入脫除 CO CO2 2的的加熱煤氣。加熱煤氣。FOBFFOBF氧氣高爐流程圖氧氣高爐流程圖二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展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 流程特點：流程特點： （1 1）爐缸和爐身中部）爐缸和爐身中部設設 置兩排風口置兩排風口； （2 2）爐缸風口吹入常溫）爐缸風口吹入常溫 氧氣并噴吹煤粉，氧氣并噴吹煤粉， 同時送入未脫除同時送入未脫除COCO2 2 的爐頂循環(huán)煤氣；的爐頂循環(huán)煤氣； （3 3）設置一個燃燒爐，）設置一個燃燒爐， 熱氣體送入爐身中熱氣體送入爐身中 部風口。部風口。 NKK NKK氧氣高爐流程圖氧氣高爐流程圖二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展q NKK公司在3.9 m3試驗高爐上進行了試驗。q 煤比可以提高到 320Kg/t；q 焦比大幅度降低；q

11、利用系數達到5.1t/m3d；q 鐵水硅含量明顯下降；第一次試驗證明了氧氣高爐在技術上是可行的！類 別具體措施外部直接向爐身補充熱量 從爐身返回熱煤氣降低爐身熱量需要 風口噴吹熔劑等增加熱量從爐缸向爐身的轉移 爐缸部位返回煤氣，加大煤氣量類別具體措施化學反應吸熱 1、將未脫除CO2的爐頂循環(huán)煤 氣通入爐缸風口 2、爐缸風口噴入水蒸汽 物理吸熱 爐缸風口鼓入大量已脫除CO2爐頂煤氣 二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展解決上冷途徑解決上冷途徑解決下熱途徑解決下熱途徑二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展q 上世紀80年代中期至本世紀初，近20年時間， 氧氣高

12、爐的研究基本處于停滯狀態(tài)，究其原因，主要如下： 1. 經濟原因：制氧成本、二氧化碳分離成本 2. 技術原因：二氧化碳分離技術 3. COREX等熔融還原技術的出現 1989 年 第一座年產能40萬t的COREX -C1000工廠 在南非伊思科爾廠實現工業(yè)化運行； 1995-1999年 一座建在韓國的浦項制鐵； 一座建在南非的撒丹那； 兩座建在印度的金達爾 2007年11月 寶鋼COREX-C3000 4. 二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展 歐盟2004年啟動了超低CO2排放的新一代鋼鐵流程計劃(ULCOS)，其目標旨在使鋼鐵工業(yè)CO2排放減少50%，主要技術方案包括：

13、u爐頂煤氣循環(huán)全氧高爐煉鐵(TGR-BF)u氧-煤-礦熔融還原煉鐵u過剩煤氣重整直接還原煉鐵u生物質氣化直接還原煉鐵u電解煉鐵u煤氣CO2分離捕集與封存u ULCOSULCOS計劃計劃歐盟ULCOS計劃一階段（2004-2009）探索不同技術方案的可行性，投資54 M二階段（2009-2015）進行工業(yè)化試驗，且估算投資和運營費用三階段（2015-） 基于工業(yè)化試驗成果，建設工業(yè)生產線Ultra-Low CO2 Steelmaking17二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展ULCOSULCOS計劃計劃二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展流程特點：(1)

14、設兩排風口； (2) 爐身下部風口鼓入預熱900（蓄熱式）并脫除CO2的爐頂煤氣；(3) 爐缸風口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉，同時送入一定量脫除 CO2的爐頂煤氣。流程特點：(1) 設一排風口；(2) 爐缸風口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉，同時送入預熱 1250并脫除CO2的爐頂煤氣。二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展流程特點： (1) 設兩排風口； (2) 爐身下部風口鼓入預熱900并脫除CO2的爐頂煤氣； (3) 爐缸風口鼓入常溫氧氣并大量噴吹煤粉，同時送入一定量預熱 1250 并脫除CO2的爐頂煤氣。TGR-BF

15、TGR-BF采用的方案采用的方案TGR-BF工藝特點：（1）爐缸和爐身下部設 兩排風口（2）爐身下部風口鼓入 預熱1000并脫除 CO2的爐頂煤氣；（3）爐缸風口鼓入常溫 氧氣并大量噴吹 煤粉，同時送入一 定量預熱1250 并脫除CO2的爐頂 煤氣。二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展在LKAB 8.9 m3高爐上完成了原理示范 u 連續(xù)安全生產7周u 操作順利u 噴煤：170 kg/tHMu 焦比由400 kg/tHM降至 260 kg/tHMu 節(jié)碳24%u 煤氣循環(huán)率：90%u CO回收87% H2回收98% u CO2減排無CCS: 26%有CCS50% 目前正在積

16、極準備1000 m3級的試驗。22二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展q 目前，氧氣高爐煉鐵技術引起了世界范圍內研究工作者 的再次關注，究其原因，包括： 1. 經濟條件：主焦煤資源嚴重匱乏 焦炭價格的大幅度上升（18002000￥/t） 制氧成本大幅度降低 2. 技術條件：CO2分離技術的發(fā)展 3. 外部條件：CO2減排壓力 （全球變暖，京都議定書的簽署） 4. Corex-3000 燃料比高等問題 5. 二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展二、氧氣高爐煉鐵技術研究進展q 優(yōu)勢 利用現有的高爐設備，投資大大降低； 有現有高爐煉

17、鐵技術的基礎，容易形成規(guī)?；夹g；q 劣勢 焦比高于 COREX Corex3000（目標） 產能：150萬噸 /年 焦比：150 Kg/t 燃料比：980 Kg/t與與 COREX COREX 等比較等比較1氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析2開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性開發(fā)氧氣高爐煉鐵技術的必要性3氧氣高爐煉鐵技術研究進展氧氣高爐煉鐵技術研究進展4結語及展望結語及展望匯 報 提 綱25三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析節(jié)能效果如何節(jié)能效果如何26計算方法：計算方法：中華人民共和國國家標準綜合能耗計算通則（GB/T 2589

18、-2008） 煉鐵工序煉鐵工序能耗計算項能耗計算項焦化焦化燒結燒結高爐高爐氧氣高爐與傳統(tǒng)高爐工氧氣高爐與傳統(tǒng)高爐工藝原料結構不變，故兩藝原料結構不變，故兩者燒結工序能耗相同，者燒結工序能耗相同，僅計算焦化和高爐能耗僅計算焦化和高爐能耗 基于如下流程圖，應用已建立的氧氣高爐綜合數學模型，該模型以生產1t鐵水消耗的原燃料為計算單位，其計算所用原料成分由國內某大型鋼鐵企業(yè)提供，計算得到新工藝參數見右表。參數參數數值數值焦比焦比/(kgt-1)200煤比煤比/(kgt-1)200氧耗氧耗(純度純度90%)/(m3t-1)239礦石量/(kgt-1)1660渣量/(kgt-1)327直接還原度0.12物

19、料平衡的相對誤差/%0.10煤氣熱值/(kJm-3)6218脫除CO2和H2O量/(m3t-1)414理論燃燒溫度/K2370外供煤氣量外供煤氣量/(m3t-1)50預熱爐身煤氣燃燒量/(m3t-1)118預熱風口煤氣燃燒量/(m3t-1)71全爐熱損失/%5.38 氧氣高爐煉鐵工藝參數表氧氣高爐煉鐵工藝參數表 氧氣高爐流程圖氧氣高爐流程圖三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析序號序號能源名稱能源名稱單位單位消耗定額消耗定額（噸鐵）（噸鐵）折合系數折合系數單位產品能單位產品能耗，耗，kgce1新水m30.4300.06145 kgce(m3)-10.0262軟

20、化水m30.0110.11 kgce(m3)-10.0013電kwh500.1229 kgcekwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116 kgcet-10.0055壓縮空氣m3250.04 kgce(m3)-11.0006氮氣m334.5900.37 kgce(m3)-112.7987制氧耗電kwh10.50.1229 kgcekwh-11.2908煤粉kg1700.9 kgcekg-1153.009焦炭kg3500.9714 kgcekg-1339.99010高爐煤氣輸出m3-6800.1286 kgce(m3)-1-87.44811TRT發(fā)電kwh-350.1229 kgcekwh

21、-1-4.30212焦化49.700合計472.207國內某廠國內某廠 1080 m3 高爐能源消耗高爐能源消耗71CO2分離三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析200200-50?28.400?8.726180.000194.2800.2122 kgce(m3)-1-10.610傳統(tǒng)高爐傳統(tǒng)高爐氧氣高爐氧氣高爐75.2475.24q 主要CO2分離技術及其與能耗的關系： 1. 變壓吸附技術 能耗 30 kgce/tCO2 2. 化學吸收 標準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. 膜分離技術 具備較好的應用前景，但還 無法實現規(guī)?；瘧?， 能耗約 13 GJ/tCO2 （34102 kgce/tCO2 ）三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析序號序號能源名稱能源名稱單位單位消耗定額消耗定額（噸鐵）（噸鐵）折合系數折合系數單位產品能單位產品能耗，耗，kgce1新水m30.4300.06145 kgce(m3)-10.0262軟化水m30.0110.11 kgce(m3)-10.0013電kwh500.1229 kgcekwh-16.1454蒸汽t0.0460.1116 kgcet-10.0055壓縮空

23、氣m3250.04 kgce(m3)-11.0006氮氣m334.5900.37 kgce(m3)-112.7987制氧耗電kwh710.1229 kgcekwh-18.7268煤粉kg2000.9 kgcekg-1180.009焦炭kg2000.9714 kgcekg-1194.28010高爐煤氣輸出m3-500.2122 kgce(m3)-1-10.6111CO2分離t0.683630 kgcet-120.50812焦化28.400合計441.280氧氣高爐煉鐵工藝能源消耗氧氣高爐煉鐵工藝能源消耗節(jié)能6.55%三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析減排效果

24、減排效果計算方法：計算方法：IPCC2006方法二氧化二氧化碳排放碳排放直接排放直接排放外購電力的間接排放外購電力的間接排放 應用氧氣高爐煉鐵系統(tǒng)和傳統(tǒng)煉鐵系統(tǒng)相比，在原料結構不變的條件下，燒結和球團工序的二氧化碳排放量是不變的，發(fā)生改變的僅僅是高爐煉鐵和焦化工序 。因此，對于新工藝較傳統(tǒng)高爐工藝的CO2減排計算，可以僅僅計算高爐本體和焦化工序的CO2排放。u 焦炭和煤粉：CO2排放量=燃料數量低發(fā)熱值排放因子氧化率 u 電：CO2排放量=電量排放系數 u 煤氣發(fā)電：CO2排放量=電量排放系數，按外供煤氣的發(fā)電量計算 u CO2貯存量為噸鐵直接分離出的CO2量，不考慮CO2運輸的額外排放 三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析三、氧氣高爐煉鐵技術節(jié)能減排潛力分析排放項目噸鐵數量差別氧氣高爐傳統(tǒng)高爐焦炭(kg)200350-150煤粉(kg)20017030電(kwh)36525.5339.5輸出煤氣 (m3)50680-630焦化(kgce)28.449.7-21.3氧氣高爐較傳統(tǒng)高爐氧氣高爐較傳統(tǒng)高爐CO2排放項目對比排放項目對比u 如輸出煤氣按發(fā)電計算如輸出煤氣按發(fā)電計算CO2排放：排放： CO2排放量=煤氣量煤氣熱值