东北大学,冶金学院
1 低碳共识与我国钢铁工业的发展方向
2015年12月12日，联合国气候变化巴黎大会成功通过《巴黎协定》。中国政府承诺将于2030年左右CO2排放达到峰值并实现单位GDP的CO2排放量比2005年下降60%~65%。2017年，中国粗钢产量为8.32亿吨，占世界粗钢产量的49.2%，而生铁产量为7.108亿吨，占全世界生铁产量的60.54%，但是吨钢能耗、CO2排放量及污染物排放量均为世界第一[1-2]。统计数据显示，按产业划分，我国钢铁工业的CO2排放量占全国CO2排放总量的16.02%，如图1所示。因此，我国政府和钢铁企业将长期承受巨大的碳减排压力。
现代钢铁生产主要有四种工艺流程：(1)高炉-转炉;(2)废钢-电炉;(3)直接还原铁-电炉;(4)熔融还原-转炉。其中，高炉-转炉又称传统长流程，已获得长足发展，是现代钢铁生产的主流工艺，而直接还原和熔融还原属于新一代钢铁生产技术，也是现代钢铁生产的重要组成部分。气基竖炉直接还原具有工艺自动化程度高、产品质量稳定、环境友好等优势，《中国制造2025》明确指出气基竖炉将是后高炉时代的首选工艺之一。我国主要采用高炉-转炉长流程，生铁产量占粗钢产量的比例高于90%，电炉短流程产量比例偏低，前些年在10%左右，近年呈降低趋势(约6%)，如图2所示。这也是我国吨钢能耗高于世界平均能耗的主要原因之一。因此，我国钢铁产业正面临产品结构调整和升级换代的重大需求。
对于钢铁产业低碳发展的选择，除了压缩产能、逐渐提高废钢比以外，有限的选择方向是改变钢铁产业的能源和产品结构，逐渐对传统高炉-转炉长流程进行流程优化，从而实现“绿色低碳”。而直接还原-电炉流程短、节能、二氧化碳减排效果显著，是钢铁工业摆脱焦煤资源羁绊，提高废钢比、进一步降低能耗，减少二氧化碳排放1/3~1/2的主要途径。基于低碳钢铁的发展需求，我国钢铁工业的发展应逐步由直接还原-电炉短流程替代高炉-转炉流程。
在直接还原工艺中，气基竖炉法因其产品清洁、环境负荷低、自动化程度高，得到了大力发展。世界直接还原铁产量中，气基竖炉直接还原工艺产量达到80%以上，如表1所示。从能源结构上来看，我国天然气储量不大且资源分布不均，天然气供应紧张，且价格连续上涨，严重限制了我国竖炉直接还原的发展。但是，我国煤储量丰富，煤制气工艺日趋成熟，直接使用焦炉煤气、合成气、煤制气为还原气的HYL-ZR/ENERGIRON新工艺方案的提出，为天然气资源不足而非焦煤资源丰富的中国发展气基竖炉直接还原工艺提供了有力条件[3-5]。另外，“十三五”期间我国钢铁产业废钢蓄积量将超80亿吨，年供应量将达1.5~2.5亿吨。废钢蓄积量和产出量的迅速增长为我国发展煤制气-气基竖炉-电炉短流程创造了有利条件。
表1 世界各种直接还原工艺产量
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项目 |
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 |
|
其他气基/% |
0.5 |
0.7 |
0.7 |
0.2 |
0 |
0.7 |
0.3 |
0.7 |
|
煤基/% |
25.7 |
23.6 |
23.3 |
21.3 |
20.6 |
20.2 |
17.5 |
17.6 |
|
总产量/万t |
7037 |
7321 |
7314 |
7492 |
7455 |
7257 |
7276 |
8710 |
2 煤制气-气基竖炉-电炉短流程
以煤为能源，采用煤气化技术将其转化为粗煤气，粗煤气中含有CO2、H2S、苯萘等杂质，需进一步净化才可达到气基竖炉还原气的成分要求。净化后的气体在煤气加热炉中被加热至一定温度，最终送至气基竖炉作为还原剂使用。竖炉炉顶煤气因工艺不同，处理方式也不相同，常见的手段一般为炉顶煤气经除尘、换热、脱水后，与粗煤气混合进行净化处理，实现循环。因炉顶煤气主要成分依然是H2和CO，热值较高，因此，也可将全部/部分炉顶煤气作为燃料引至加热炉作为燃料。
2.1 煤制气工艺及合理选择
目前，世界上技术成熟的煤气化工艺主要有：固定床法(UGI、Lurgi)、流化床法(灰熔聚、Ende)、气流床法(Texaco、Shell)等。国内几种有代表性煤气化工艺比较结果如表2所示。结合煤种、气化能力、投资等关键指标，对比分析可知流化床煤制气工艺最适合我国发展气基竖炉直接还原工艺。
表2 常见煤制气工艺比较
|
指标 |
U-gas |
Ende |
Lurgi |
Shell |
|
|
气化工艺 |
流化床 |
流化床 |
固定床 |
气流床 |
|
|
煤种 |
褐煤到无烟煤 各弱黏结性煤 |
从褐煤到无烟煤各种弱黏结性煤 |
褐煤到无烟煤 各弱黏结性煤 |
全部煤种 均可 |
|
|
进煤系统 |
锁斗间断加入 |
螺旋加入 |
锁斗间断加入 |
氮气输送 |
|
|
入炉粒度 |
＜6 mm |
＜10mm |
6-50 mm |
90%＜150 μm |
|
|
灰分/% |
＜30 |
＜30 |
无限制 |
无限制 |
|
|
含水/% |
＜8 |
＜8 |
＜20 |
＜2 |
|
|
灰熔点/℃ |
＞1150 |
＞1250 |
＞1500 |
＜1500 |
|
|
气化压力/MPa |
0.7-2.4 |
常压 |
2~3 |
2~4 |
|
|
排渣方式 |
固态 |
固态 |
固态 |
液态 |
|
|
气化剂 |
氧气+水蒸气 |
氧气+水蒸气 |
氧气+水蒸气 |
氧气 |
|
|
水蒸气耗/(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 |
|
|
气化温度/℃ |
950~1050 |
1300-1400 |
900~1100 |
1400~1600 |
|
|
碳转化率/% |
97 |
97 |
90 |
99 |
|
|
冷煤气效率/% |
＞78 |
＞73 |
＞80 |
＞83 |
|
|
净热效率/% |
73 |
69 |
65 |
95 |
|
|
单炉气化煤能力/(t·d-1) |
500-1000 |
400 |
600 |
2000 |
|
|
国产化水平 |
国产化 |
国产化 |
国产化 |
关键设备引进 |
|
|
粗煤气 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 |
|
……
