基于烧结工艺中固体燃料处理的CO2减排技术——印度比莱钢铁厂愿景

碳排放已经成为全球关注的重点问题。许多国家都致力于减少重点领域的碳排放。在世界范围内,钢铁行业对工业能源消耗量和二氧化碳排放量都有重大影响。随着能源价格的不断上涨,政府减少碳排放的决心和力度不断加大,因此,减少固体能耗成了钢铁厂的首要任务。钢铁工业现有能源中固体燃料最贵,但又必不可少。通过技术创新和固体燃料加工工艺优化,可以实现碳减排的目标。印度钢铁管理局是印度钢铁行业的主要成员之一,极力倡导碳减排持续优化钢铁生产工艺,通过各种具体措施来达到其减排效果。烧结工序采用焦炭作为固体燃料,将精矿粉烧结成块状物料,以改善高炉性能。比莱钢厂3号烧结厂是一个新建工厂,如何减少烧结生产中的焦炭消耗对它是个严峻的挑战。比莱钢铁厂通过采用新型原料加工处理设备,改变标准化操作规程分析烧结生产中不同焦炭破碎强度指标,改进过程自动化控制软件等措施,严格控制碳排放,从而使焦炭消耗量从2002年的91kg/t减少到2009—2010年的59kg/t。烧结生产中焦炭消耗量的减少意味着二氧化碳排放的减少,3号烧结厂致力于成为钢铁行业能源利用和碳减排的标杆企业。如何通过各种创新手段,达到减少固体燃料消耗,改善钢铁行业生产环境的目标,即通过钢铁行业的碳减排,来减少全球范围内的碳减排,是本文的宗旨。     

高炉煤气循环耦合富氢对中国炼铁低碳发展的意义

中国钢铁工业规模巨大,主要由高炉 转炉长流程生产,其能源结构中90%为煤炭,是国家兑现2030年降低碳排放强度承诺的主战场之一。基于当前低碳炼铁技术的研发进展、中国面临的碳减排任务、中国钢铁工业的生产模式、中国钢铁工业碳排放现状等基本事实,提出了以高炉为主体、以炉顶煤气循环耦合富氢还原为技术特征的钢铁工业低碳发展的可行路径,分析了该工艺研发所面临的关键问题,以期引起钢铁行业的重视,为中国钢铁工业进一步深度降低碳排放提供参考。     

中国钢铁工业碳达峰及低碳转型路径

 2020年中国宣布将提高国家自主贡献力度,二氧化碳排放力争在2030年前达峰。钢铁工业作为典型的资源、能源密集型行业,是率先落实碳达峰的重要行业。分析了钢产量、生产结构、节能减排技术和碳税等因素对中国钢铁工业碳排放的影响程度。研究表明,不同的钢产量达峰时间将对钢铁工业的碳达峰产生不同影响,技术和生产结构因素也将对中国钢铁工业产生重要影响。地方区域是落实国家碳达峰任务的责任主体,对京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和两广地区4个具有不同钢铁生产特点的重点区域碳排放进行研究,并分析了区域达峰方案。加快调整产业结构、推广低碳技术、改变能源结构、推进产业间耦合和加强碳资产管理等方面制定钢铁工业低碳转型路径,对实现中国钢铁工业碳排放早日达峰和碳中和有重要意义。     

苏联的焦化生产

焦化工业是钢铁工业的重要组成部分。为了适应钢铁工业的高速发展,苏联一直很重视相应地发展焦化工业。在焦化生产的发展过程中,通过焦炉大型化,研究和采用新技术、新工艺以及生产操作机械化、自动化等,使焦炭产量逐年增长。     

炼铁用焦炭的质量

高炉日趋大型化和大幅度降低焦比是十多年来炼铁生产在技术上的显著进展,为此,必须相应地对冶金焦炭质量提出更高的要求。为了适应我国钢铁工业大幅度稳步上升的需要,我们必须对我圈冶金焦炭质量现状及其差距有所了解,进而寻求改善冶金焦炭质量的途径。     

钢铁工业发展必须重视提高焦炭质量

焦炭是钢铁工业的重要原燃料,其质量优劣直接关系到钢铁工业的发展。近年来一个值得注意的问题是,炼铁技术的发 展对焦炭质量要求越来越高,可焦炭质量却逐年下降,见表1。 “八五”末,我国钢和生铁产量将分     

提高高炉喷吹重油效果的研究

高炉经风口喷吹各种燃料是六十年代以来大幅度降低高炉焦比的重要技术措施。高炉生产消耗大量焦炭。随着钢铁工业规模不断扩大,全世界普遍感到炼焦煤不足的困难。而且焦炭生产工序多,投资大。因此,降低炼铁焦比就成为多快好省地发展我国炼铁工业的关键环节,具有重要的经济和     

焦炭灰分对高炉碳排放量的影响

降低高炉炼铁过程CO2的排放量是冶金工作者长期的努力方向。通过物料平衡与热平衡计算，得出焦炭中灰分含量与焦比、高炉碳排放量的定量关系，并计算了焦炭灰分从7．06％变化到13．06％时，焦比和碳排放量的变化。结果显示，高炉焦比和碳排放量随焦炭灰分含量的增加而上升，对高炉运行影响也很大。因此，操作中需要严格控制焦炭灰分含量。     

碳排放是中国钢铁业未来不容忽视的问题

综述了在全球气候变暖情况下控制碳排放的背景和欧盟控制碳排放的经验,以及中国近年来控制碳排放方面主要出台的政策和采取的措施。重点介绍了目前欧盟、美国、韩国和日本等国在钢铁工业中为减少碳排放而开展的前沿技术和研发进展,以及从节能减排BAT技术、绿色化流程、绿色化产品、绿色化物流和新技术开发等方面,总结了目前钢铁行业可以推广应用的低碳工艺技术,为中国钢铁工业减少碳排放提供参考,并以期引起钢铁企业对碳排放问题的重视。     

基于碳物质流分析的钢铁企业碳排放分析方法与案例

作为中国除电力行业外最大的能源消耗与碳排放部门,钢铁工业碳排放评价方法备受关注.针对目前钢铁工业碳排放分析方法在系统边界,排放因子等方面的问题,以及企业碳排放评价的特定技术要求,在IPCC等结构碳排放评价框架基础上,提出基于碳物质流分析的钢铁企业碳排放评价方法,为企业碳排放核算以及碳减排方案制定提供方法和依据.此外,还以某千万吨长流程钢铁企业作为实例,研究发现该典型钢铁企业实际碳排放量为1 815.06 kg(CO2),理论最大碳减排潜力为624.40 kg.     

高炉使用铁焦的㶲分析

 中国钢铁生产主要以高能耗和高排放的高炉-转炉长流程为主,节能减排压力较大。因此,积极研发高炉低碳炼铁技术,促进高炉工序CO₂减排尤为重要。铁焦是将含铁原料加入适宜的煤中,经焦化或炭化后成型的新型碳铁复合炉料,其高反应性可以显著降低热储备区温度、降低碳消耗,高炉使用适量的铁焦可实现一定程度的节能降碳。基于现场生产数据,采用㶲分析理论,建立高炉使用铁焦的㶲平衡模型,探索铁焦添加量对高炉物料消耗及能量利用效率的影响。结果表明,高炉使用铁焦后,炉内间接还原得到发展,碳利用率提高,炉内灰分量降低,冶炼单位生铁的碳素消耗和炉渣量均会降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg铁焦后,吨铁碳素消耗降低25.95 kg,渣量降低11.28 kg。此外,铁焦内部的金属铁仅需熔化,节省还原所需的㶲量,焦炭和鼓风带入㶲会显著降低,因此高炉冶炼吨铁消耗的总㶲量降低,同时,炉内传热也得到改善,内部㶲损失有效降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg/t铁焦后,目的㶲效率由46.14%提高至48.87%,热力学完善度由87.46%提高到88.02%。在此条件下,高炉吨铁的内部㶲损失降低192.63 MJ,实现节能6.57 kg(标煤)。     

氢冶金还原性气体的制备研究进展

氢冶金是一种绿色低碳的冶炼工艺，是实现钢铁行业转型升级和改变高碳排放形象的有效途径。氢冶金是通过纯氢气或富氢气体替代传统焦炭直接还原铁，可实现CO₂减排。富氢还原性气体的制备是实现氢冶金的关键之一。对比分析了适合于氢冶金的规模化焦炉煤气制氢、天然气制氢、煤制氢和氨分解制氢技术的工艺及相关催化剂，探讨了包括电解水制氢在内的可再生能源制氢的途径。氢冶金技术需要的制氢技术日趋成熟，氢冶金也将成为未来钢铁行业升级改造的重点。     

铁焦制备与高炉应用的研究进展

 钢铁工业长期面临着资源短缺和环境污染的的发展现状,实现节能减排和绿色冶金是钢铁工业实现可持续发展的重点。而高炉炼铁是钢铁工业节能减排的关键,急需研发低碳高炉炼铁新技术。复合铁焦是实现低碳高炉炼铁的一种新型碳铁复合炉料。高炉使用铁焦后可降低热储备区温度,提高冶炼效率,降低焦比,从而实现CO₂减排。综述了国内外铁焦制备与应用的研究进展,主要包括铁焦的制备工艺和高炉应用。归纳了各种铁焦制备工艺的特点。同时提出并研究了矿煤压块-竖炉炭化-高炉应用的冷压型铁焦制备与应用新技术。重点进行了冷压型铁焦的制备及冶金性能优化、高炉应用冷压型铁焦等试验研究。冷压型铁焦制备适宜的工艺条件为,质量分数为30%铁矿粉、45%烟煤1、10%烟煤2、10%烟煤3、5%无烟煤、5%沥青类黏结剂B混合加热至60 ℃,并进行冷压成型;成型压块再经竖炉1 000 ℃炭化4 h;获得抗压强度3 977 N、I型转鼓强度77.7%、反应性69.7%、反应后强(固定气化溶损量20%)42%的优质铁焦。高炉综合炉料中添加质量分数20%~30%冷压型铁焦,综合炉料熔滴性能明显改善。以上研究为铁焦实现工业化生产与低碳高炉炼铁应用提供了参考。     

钢铁典型工序流程节能技术新进展

钢铁工业是典型的流程工业、耗能大户,烧结、焦化和炼铁等铁前三大工序能耗约占全流程钢铁能耗的70%,节能潜力巨大。结合流程工业系统优化与节能技术研发进展,介绍了钢铁典型工序流程节能技术的最新进展情况、新型工艺技术、关键技术问题及预期效果,有望进一步促进钢铁企业技术进步及结构调整。     

中国典型钢铁联合企业的碳足迹分析

 明确了碳足迹概念,综合森林面积对碳排放的缓解作用,并基于物流分析和投入产出的耦合法建立MFA-IO模型分析钢铁企业的碳足迹。以中国5个典型钢铁企业为实例,研究钢铁企业的吨钢产品的碳足迹及其影响因素。结果表明：从钢铁生产工序分析,炼铁工序的碳足迹最大,且消耗的能源中含有大量的焦炭、煤。其次是焦化、烧结工序。从气体种类分析,钢铁生产中碳足迹的主要贡献者是CO2,在5个案例分析中,CO2的贡献值均占到了70%以上。5个典型企业吨钢产品的碳足迹平均为0.325 hm2/t。其中,企业D的吨钢产品碳足迹最高,高达0.353 hm2/t,而企业E的最小,为0.303 hm2/t。这主要是由地域差异、企业周围能源分布差异、生产设备与技术差异等综合因素导致的。总体分析,5个典型企业总碳足迹合计为1 989.58万hm2,超过5省森林面积的总和。表明其总CO2排放量就已超出森林吸收净化的能力,总温室气体排放量更是超出森林净化能力,即碳足迹的承载呈严重赤字。因此,研究如何减少中国钢铁工业吨钢碳足迹是十分必要和紧迫的。     

高炉焦炭在铁水中溶解行为研究现状及展望

 在当前及未来大型高炉高冶炼强度的条件下,加快焦炭在铁水中的溶解速率、提高高炉炉缸铁水的碳饱和度是削弱碳不饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀、保证炉缸正常工作及延长高炉寿命的重要措施,同时可以为下游的炼钢工序提供部分热量来源。首先对国内外焦炭在铁水中溶解的试验和模拟研究方法进行了概括,然后对焦炭自身结构性能、焦炭中矿物质、铁水的物理性质等影响焦炭溶解速率的因素进行了详细分析。结果表明,碳结构的有序度和铁水温度的升高有利于焦炭的溶解,而焦炭中矿物质及铁水中硫、磷等元素的存在会抑制铁水的进一步渗碳。研究结果为高炉操作者理解焦炭在铁水中的溶解行为提供借鉴,指导钢铁工业的节能减排。     

炼铁新技术及基础理论研究进展

从炼铁新技术及基础理论研究方面介绍了烧结球团提质降耗新技术、焦炭在高炉内行为解析研究、高炉喷吹清洁燃料技术、高炉长寿技术、高炉炼铁数据建模技术以及冶金尘泥再处理技术。从基础研究出发,提出了目前最具有潜力的炼铁新技术;然后在国家碳中和战略的大背景下,综述了目前国际上的非高炉炼铁技术研究进展,为我国低碳炼铁发展提供依据;最后从最新微观研究手段出发,介绍了目前炼铁研究领域在微观尺度的研究进展,多尺度综合调控研究高炉炼铁过程机理,为未来低碳炼铁发展方向提供思路。      

铁水w（Si）对高炉碳排放量的影响

高炉炼铁排放CO2是钢铁行业温室气体排放的主要来源,CO2的产生与高炉内众多条件相关。应用物料平衡计算与热平衡计算,根据国内某高炉原料条件与冶炼参数,主要计算分析铁水w（Si）对焦比、碳排放量的影响,得出了定性定量的关系：在本文的计算条件下,铁水w（Si）每升高0.1%,焦比吨铁增加4.54 kg,碳排放量吨铁增加7....     

A Brief Overview of Low CO2 Emission Technologies for Iron & Steel Making

 The global steel production has been growing for the last 50 years, from 200 million metric tons in 1950s to 1,240 million metric tons in 2006. Iron and steelmaking industry is one of the most energy-intensive industries, with an annual energy consumption of about 24 EJ, 5% of the world's total energy consumption. The steel industry accounts for 3-4% of total world greenhouse gas emissions. While enhancing energy efficiency could be a short-term approach for the steel industry to reduce greenhouse gas emission, the long-term approaches to achieve a significant reduction in CO2 emissions from the steel industry would be through (1) developing and applying CO2 breakthrough technologies for iron and steelmaking, and (2) increasing use of renewable energy (in particular, bio-energy) for iron and steelmaking. This paper presents an overview of new CO2 breakthrough technologies for iron and steelmaking, and the current research and development for the use of biomass and bio-fuels as substitutes for coke, coal and natural gas in various iron and steelmaking processes including iron-ore sintering, blast furnace operations, and new iron and steelmaking processes. The key challenges for utilization of bio-energy on a large scale for iron and steelmaking are also discussed in this paper.     

Recent Developments and Mid‐ and Long‐Term CO2 Mitigation Projects in Ironmaking

CO₂ mitigation and the stable supply of raw materials are two major issues for the steel industry. The Japanese steel industry has promoted short term developments and investments to comply with the Japan Iron and Steel Federation's voluntary action plan in parallel with developing plans for drastic CO₂ mitigation programs toward the post Kyoto protocol period. This paper describes short‐term measures in the ironmaking field such as natural gas injection technology to the sintering bed and burden distribution control with coke mixed charging. For mid and long term CO₂ mitigation, the joint project, ‘Preparatory research work for the blast furnace based innovative ironmaking technologies’ was actively promoted by the New Energy and industrial Technology Development Organization (NEDO) from FY2006 to FY2008. Based on the enhancement of carbon ‐ CO₂ reaction by close positioning of carbon and iron oxide/metallic iron, the production process and reaction mechanism in a blast furnace were studied for two innovative composites with iron oxide, metallic iron and carbon. For development at a pilot plant scale, a new project, ‘Development of innovative ironmaking process using low cost iron ore and coal’ started in FY2009. Key technologies of the project are the production process and evaluation in a blast furnace of a hybrid composite of metallic iron and carbon, so called ‘Ferro‐coke’. This paper describes key technologies and recent developments of the project.