鋼鐵工業是能源密集型產業，CO2排放量大。采用傳統鋼鐵生產工藝路線，無法避免CO2的大量排放。高爐煉鐵過程中產生的CO2在整個聯合鋼廠生產工序中所占比例最大。自20世紀50年代，歐洲致力于改進高爐煉鐵技術，還原劑比已由當時大約1000kg/t降至現在的500kg/t左右。

由于高爐傳統生產工藝操作受到熱力學制約，無論對高爐工藝路線做出多大的改進，CO2減排的效果也并不明顯。因此，迫切要求開發出新的突破性煉鐵技術，以大幅度降低碳耗，從而減少CO2排放。

本文簡要介紹了ULCOS-BF(高爐爐頂煤氣循環利用)工藝的發展。該工藝使用氧氣和富集CO的高爐爐頂煤氣代替熱風，將脫除CO2后的爐頂煤氣經風口吹入爐身下部，將分離的CO2儲存在地下(CCS工藝)。

1、ULCOS項目

歐盟正在開發超低CO2煉鋼(ULCOS)生產技術。該項目于2004年開始啟動，來自歐洲15個國家共48家企業和機構參與到該項目中。

ULCOS項目主席由安賽樂?米塔爾公司擔任，指導委員會由歐洲主要鋼鐵公司組成，包括安賽樂?米塔爾公司、蒂森?克虜伯歐洲鋼鐵公司、塔塔歐洲鋼鐵公司、薩爾茨吉特-迪林根公司、里瓦公司、勞塔魯基鋼鐵公司、瑞典鋼鐵公司和LKAB。

ULCOS項目研發團隊制定的目標是開發出比現在CO2排放量至少減少50%的鋼鐵生產突破性技術。為了找到最佳工藝路線，該團隊針對四種不同的ULCOS工藝進行深入研究。這四種工藝分別是ULCOS高爐爐頂煤氣循環利用(ULCOS-BF)工藝、HISARNA熔融還原工藝、ULCORED直接還原工藝和ULCOWIN/ULCOLYSIS電解工藝。

2、ULCOS-BF工藝

在高爐煉鐵領域，開發出了能夠大幅度減排CO2的多項技術，如高爐爐頂煤氣CO/H2循環利用技術、生物能利用技術、H2替代CO技術、DRI應用技術、低碳電能使用技術和CCS應用技術。

經過對上述技術進行認真研究之后，ULCOS項目研發團隊最終決定深入研究爐頂煤氣循環利用(ULCOS-BF)技術結合CCS技術。ULCOS-BF技術主要特點如下：

1)循環利用含有CO和H2成分的高爐爐頂還原煤氣;

2)用低溫純氧代替熱風從爐缸風口吹入;

3)使用來自于焦炭和噴吹煤中的低碳燃料;

4)高爐爐頂煤氣中的CO2回收后存入地下。

根據這些特點，制定了四種高爐爐頂煤氣循環利用方案，并進行數學模擬。為了判斷各種方案的節碳效果，進行了多次計算，并在實驗室條件下進行了冶金研究。該項目在瑞典LKAB廠實驗高爐獲得成功。

ULCOS-BF項目方案共有四種，方案一、方案三和方案四及其節碳情況見原創表1，表1中數值是以安賽樂?米塔爾公司比利時西德瑪廠A高爐為例計算得到的。由于方案二節碳效果不好，因此被ULCOS項目研發團隊否決了。

1)方案一

脫碳后的低溫高爐爐頂煤氣與氧氣、煤粉經爐缸風口吹入，脫碳后的高溫爐頂煤氣經爐身風口吹入。

采用該方案，能夠將由焦炭和煤粉帶入的碳量減少21%。在該方案中至關重要的一點是在風口水平面上會殘留有少量煤氣，因此與傳統高爐工藝相比，回旋區較小，火焰溫度較高。此外，由于煤氣流速較慢及噴吹低溫煤氣，因此需要重新設計風口。

2)方案三

僅將脫碳后的高溫爐頂煤氣與氧氣、煤粉經風口吹入。采用該方案最高節碳量能夠達到25%。為了達到這一目標，必須同時在低RAFT和高噴煤比條件下操作高爐。

3)方案四

將脫碳后的高溫爐頂煤氣從兩個風口噴吹。采用該方案帶入的碳量能夠減少26%。

針對三種方案進行了非常全面的數學模擬，除了評價高爐內部工況以外，還開展了大量實驗室試驗，以便評價在新型爐頂煤氣循環利用條件下不同含鐵爐料的性能，并研究了熱裂、軟化和熔化行為以及積碳的影響。此外，利用CFD模型模擬回旋區條件。根據計算結果設計風口的幾何形狀，以防止在操作期間出現過熱點及發生失效現象，并使氣流具有足夠的沖擊力，以形成大深度回旋區。此外，為了找到合適的加熱技術和絕緣材料，進行了實驗室試驗，以便對富含CO/H2的煤氣進行加熱。

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