显著减少CO₂排放｜迪林根高炉喷吹焦炉煤气研究与实践

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前言

截至目前，高炉仍是综合钢铁厂生产铁水最重要设施。然而，钢铁厂90%以上的CO₂排放来自高炉（BF）和碱性氧气炉（BOF），即所谓的BF-BOF路线。为了实现欧盟设定的2030年和2045年CO₂减排目标，几乎所有欧洲大型钢铁公司都宣布并公布了从碳基BF-BOF路线到氢基直接还原（DR）和基于绿色电力的电弧炉（EAF）的技术转型路线图，即所谓的DR-EAF路线。尽管如此，在这一转变过程中，高炉仍然在铁水生产中担任重要角色。因此，制定并实施所有可能的减排措施是非常重要的。

焦炉煤气（COG）是焦化厂炼焦过程的副产品。在综合钢铁厂中，COG通常被用作钢铁厂各种熔炉和炉子的燃料，尤其是热轧机的加热炉。此外，富余的COG被用于天然气发电站发电。表1根据德国迪林根ROGESA公司的数据对天然气（NG）、COG和高炉煤气（BFG）进行了比较。

如表1所示，COG中的含量约为21%的CH4，7%的CO，11.7%的N₂，少量的CO₂和大于55%的H2。由于氢气是高炉中两种还原性气体成分CO和H₂之一。就CO₂排放而言，使用COG作为还原剂比使用燃料效率更高。据报道，COG喷吹速率可达到30-300m3/tHM，焦炭置换率为0.4-0.45kg/m³。根据热量和质量平衡计算，大约0.7kg焦炭/kg COG的替代率是可能的。喷吹COG时，RAFT降低200-230℃/100m³/tHM。COG与NG的置换率在2:1至2.5:1之间。在日本COURSE50计划下，在LKAB的试验高炉（EBF）上，进行了风口喷吹合成COG和高炉炉身下部喷吹改质COG的测试。在Voestalpine的一个工业高炉上研究了COG与油（而不是PC）混合喷吹，证实了技术可行性。CO₂排放量减少78 kg/tHM被认为是可以实现的。除了CO₂减排外，富氢气体的喷吹对高炉运行也有一系列影响。

2017年，德国迪林格ROGESA公司启动了一个项目，将COG用作高炉还原剂的来源。该项目的目标是：

1）通过风口向高炉喷入大量COG以显著减少CO₂。

2）少量COG掺入氧煤喷枪，提高PCI转化率，从而减少CO₂排放。

在这种情况下，首先在实验室规模上进行了全面研究，然后直接在高炉的1:1规模的试验设施上进行了研究。在获得所有必要的结果和经验后，决定在4#和5#高炉建造工业规模COG喷吹设施。实施工作于2020年底完成。从那时起，这些设施运行得非常好。本文介绍了这些研究和ROGESA高炉喷吹COG的首次工业结果。

一

将COG混入氧煤喷枪以提高PCI转化率

为了有效地实现最大煤比，ROGESA高炉采用了氧煤枪（Oxy-Coal-Lance）技术。氧煤枪由两个管组成：在内管中，煤通过氮气作为输送气体进行气动输送；外管用于冷纯氧输入。在喷枪的出口尖端，煤颗粒与纯氧直接接触，从而以非常密集的方式发生反应或燃烧。

然而，观察到煤颗粒在非常高的煤比下点火有时存在问题。为了改善煤颗粒的点火行为，考虑在输送气体氮气中加入少量COG。这个想法是氢与氧的亲和力比氢与煤高得多。喷枪出口的COG中的氢将首先与氧气反应。放热反应产生大量热量并迅速提高温度，从而改善煤颗粒的点火。

为了验证这一考虑，亚琛工业大学进行了相关的研究。图1显示了部分试验结果。在这个系列试验中，氧与碳的比例保持恒定。将COG逐步添加到氮气中，直至120L/h。即使添加少量COG也明显提高了煤颗粒的转化率。最大转化率可达90%。这些结果非常令人鼓舞（图1）。

在5#高炉的风口处建造了一个规模为1:1的中试试验设施。该中试装置能够测试COG掺合到氧煤喷枪、单独喷吹大量COG以及将COG与PC一起喷吹。在试验过程中，通过风口的窥视孔记录回旋区内的运动图像。在不添加COG的情况下，PCI速率为2800kg/h时，观察到一个大的煤云，这表明可能存在点火问题。在氧煤喷枪中加入40Nm³/h COG后，煤云消失并可见明亮的光线。这一观察结果证实了通过添加少量COG，特别是在非常高的PCI速率下，对煤颗粒的点火行为产生了积极影响。点火性能的提高促进了PCI的最终转化。

二

通过风口大量喷吹COG和煤粉

在实验室和中试成功后，于2019年在两座高炉建造工业规模COG喷吹设施。为了最大限度地减少对铁水生产的负面影响，大多数实施工作都在正常生产时间进行。5#高炉于2020年6月5日首次调试。4#高炉的设施同时施工。整个项目于2020年10月竣工。自那时以来，这些设施一直在稳步运行。

为了向高炉同时大量喷射煤粉和COG，需要两种不同的喷枪。世界各地都有各种各样的风口设计和布置。图2给出了一些带有一个或两个喷枪的设计示例。根据综合研究结果，选择了两个喷枪的设计，如图3所示。PCI的氧煤喷枪未受影响，通过风口插入一个额外的喷枪用于喷入COG。每个喷枪的最大喷射能力约为1200Nm³/h。

采用了5#高炉的运行数据以评价COG喷吹的首次工业效果。

图4总结了煤比、焦比、COG喷吹比和还原剂总消耗的演变。如前所述，COG喷吹于2020年4月开始，其用量逐渐增加，最终稳定在17kg/tHM左右的水平，这是目前长期操作的目标。如图4所示，喷煤比保持在一个恒定水平。喷吹的COG用于替代焦炭。COG喷吹的限制因素之一是公司氧气供应不足。尽管在最大喷煤比基础上喷入COG，但富氧并没有增加。其结果是回旋区内的RAFT降低以及氧与碳氢比降低。

图5给出了高炉炉顶煤气效率（CO₂/（CO₂+CO））和氢气含量的演变。很明显，通过COG喷吹提高了高炉炉顶煤气的CO₂效率，同时，由于通过风口输入的氢气增加，炉顶煤气的氢气含量增加。根据热力学平衡计算，理论上COG与焦炭的替代率与喷吹煤的替代率相似。由于仅基于两个设定点很难得出纯COG喷吹的替代率，因此使用煤比和COG比之和来确定它们对焦炭减少的联合作用。图6给出了煤比和COG比之和与焦比的关系。很明显，平均置换率约为0.78。辅助还原剂的总喷吹比达到约230kg/tHM。这是一个显著的价值。通过在每年生产约420万吨铁水的两座高炉喷吹COG，可减少约10万吨/年的二氧化碳排放。

三

结论

为了减少高炉CO₂排放，德国迪林根ROGESA公司已经投运了COG喷吹设施。重点介绍了两种技术：一种是喷吹大量COG以替代焦炭，另一种是在氧煤喷枪中加入少量COG以提高喷吹煤的转化效率。实验室和工业试验验证了该技术的可行性，在PCI速率保持不变的情况下，大量喷吹COG对降低焦炭消耗起到积极作用。COG的氢含量取代了部分的碳，降低了CO₂排放。

《世界金属导报》译

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