全球變暖是世界各國(guó)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。氣候變暖影響著人類的生存和發(fā)展，應(yīng)對(duì)這一難題是世界各國(guó)共同的責(zé)任，因此必須站在新的高度強(qiáng)調(diào)國(guó)際間的技術(shù)合作，以及向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)讓技術(shù)。在二氧化碳減排方面，不能低估煉鐵工藝在整個(gè)鋼鐵工序中的作用?？梢院敛豢鋸埖刂v，鋼鐵工業(yè)未來(lái)的發(fā)展依賴于未來(lái)煉鐵技術(shù)的進(jìn)步。因此，既要從短期著手又要從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度出發(fā)，針對(duì)局部區(qū)域和全球范圍研究開(kāi)發(fā)煉鐵工藝技術(shù)。在日本，鋼鐵工業(yè)面臨降低能耗的任務(wù)是到2010年能源消耗在1990年的基礎(chǔ)上下降10%。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，日本鋼鐵業(yè)者一直致力于煉鐵新工藝、新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
3二氧化碳減排和能量平衡
雖然降低煉鐵還原劑消耗是應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候問(wèn)題不可缺少的重要方面，但是其減排行為需要考慮維持鋼鐵廠的總能量平衡。輸入70%碳元素消耗于煉鐵工藝，碳元素通過(guò)煉鐵工藝的焦?fàn)t和高爐分別轉(zhuǎn)化為高溫氣體，供給下游工序如發(fā)電廠、制氧廠和軋鋼廠。由于降低煉鐵還原劑消耗意味著對(duì)下游能源供應(yīng)的減少，因此鋼鐵聯(lián)合企業(yè)必須保持總能量平衡。在日本大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，特別是生產(chǎn)能力超過(guò)1000萬(wàn)t/a的企業(yè)，總體能量平衡是主要問(wèn)題。由于大型鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的鋼材品種繁多，再加上在日本采購(gòu)能源成本高昂，因此，在現(xiàn)有條件下，過(guò)度依靠使用大量的天然氣和核能并不現(xiàn)實(shí)。
盡管高爐產(chǎn)生的二氧化碳備受關(guān)注，但來(lái)自高爐的二氧化碳僅占20%左右。其余的二氧化碳則來(lái)自于熱風(fēng)爐、焦?fàn)t、燒結(jié)機(jī)和下游工序。因此，必須采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)與設(shè)備如SCOPE21新型焦?fàn)t。同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮穩(wěn)步提高產(chǎn)能的措施，或考慮改善焦炭質(zhì)量和燒結(jié)礦性能的措施。更重要的是鋼鐵企業(yè)的二氧化碳排放與發(fā)電廠不同，排放點(diǎn)分布廣泛。因此，鋼鐵企業(yè)靠采用碳封存技術(shù)來(lái)大幅度減少二氧化碳排放則更為復(fù)雜。
4低碳高爐的原料設(shè)計(jì)
4.1高爐爐料的多樣化
在煉鐵工藝中，焦炭和團(tuán)礦（如燒結(jié)礦）是傳統(tǒng)的主要原料。過(guò)去的研究主要集中在如何提高其強(qiáng)度和反應(yīng)性。既然目前的高爐已經(jīng)達(dá)到還原劑消耗的理論極限，因此，不再期望未來(lái)還原劑消耗能夠進(jìn)一步降低。
低碳高爐新型爐料的設(shè)計(jì)理念如圖1所示。該理念為傳統(tǒng)爐料如燒結(jié)礦和焦炭的多功能性提供了思路。例如部分還原燒結(jié)礦，就是由傳統(tǒng)燒結(jié)礦經(jīng)部分還原得到的。實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，用該工藝可生產(chǎn)還原度為40%的燒結(jié)礦。另外還有使用由精礦粉和碳素材料經(jīng)造塊制成的含碳素材料的鐵礦石。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)有望看到氣態(tài)還原劑與固態(tài)還原劑的問(wèn)世，以提高高爐爐料的滲碳率和還原率。
4.2鐵炭復(fù)合材料
高爐中部的溫度范圍在1000℃左右。這個(gè)溫度區(qū)被稱為熱儲(chǔ)備區(qū)，在該區(qū)間鐵礦石還原處于FeO-Fe還原平衡態(tài)。高爐還原劑的消耗在理論上受該還原平衡態(tài)發(fā)生部位的控制。目前的高爐操作水平處于臨近該還原平衡點(diǎn)的某一點(diǎn)，還可以允許小范圍降低還原劑用量。圖2說(shuō)明通過(guò)控制還原平衡點(diǎn)可以減少還原劑用量。將臨界點(diǎn)（圖中W點(diǎn)）向更高的氧化度移動(dòng)，然后通過(guò)添加金屬鐵使其轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸F，再把該點(diǎn)向如圖所示的右下方移動(dòng)。此外，該圖還說(shuō)明了鐵炭復(fù)合材料在高爐中的作用。在鐵炭復(fù)合材料中，焦炭?jī)?nèi)部的金屬鐵可以作為焦炭氣化的催化劑，通過(guò)在高爐低溫區(qū)激活焦炭氣化使熱儲(chǔ)備區(qū)向低溫區(qū)移動(dòng)。而且，鐵炭復(fù)合材料中的金屬鐵的任務(wù)是減少氧化鐵的還原負(fù)荷，進(jìn)而也降低了還原劑的消耗。如果熱儲(chǔ)備區(qū)從1000℃移到800℃，通過(guò)模型計(jì)算，還原劑消耗能夠降低60kg/t。
鐵炭復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝如圖3所示。與傳統(tǒng)焦?fàn)t不同，這種垂直豎爐是為煉焦工藝做準(zhǔn)備。這種豎爐的氣密性更簡(jiǎn)化，更具環(huán)保優(yōu)勢(shì)。此外，該工藝還可使用無(wú)粘結(jié)性煤。在這種豎爐中，鐵礦石的還原和煤粉的碳化同時(shí)進(jìn)行。基礎(chǔ)檢測(cè)顯示，該工藝可以實(shí)現(xiàn)80%甚至更高的礦石還原度。高爐礦層混裝被認(rèn)為也是提高還原率的一種可行辦法。
目前已經(jīng)運(yùn)用該生產(chǎn)工藝?yán)碚撨M(jìn)行了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)也對(duì)鐵炭復(fù)合材料的強(qiáng)度和反應(yīng)性進(jìn)行了檢測(cè)。這些生產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)研究是通過(guò)包括校企合作在內(nèi)的綜合研究項(xiàng)目開(kāi)展進(jìn)行的，該綜合研究項(xiàng)目是在日本政府機(jī)構(gòu)NEDO（新能源和工業(yè)技術(shù)部）的資助下，自2006年開(kāi)始實(shí)施的。2011年將在JFE京濱廠安裝30t/d的試驗(yàn)裝置。
5“美麗星球”創(chuàng)新項(xiàng)目
另一個(gè)重要的發(fā)展項(xiàng)目COURSE50是站在長(zhǎng)遠(yuǎn)角度計(jì)劃的。該計(jì)劃是日本政府“美麗星球”項(xiàng)目的一部分，包括利用焦?fàn)t煤氣顯熱進(jìn)行甲烷重整制氫反應(yīng)，進(jìn)而增加焦?fàn)t煤氣中的氫含量，為從高爐煤氣中分離出二氧化碳后循環(huán)利用煤氣，將氫氣作為還原劑。據(jù)估計(jì)，該工藝可以減少二氧化碳排放量約30%。該工藝的前提條件是把煤粉中碳?xì)浠衔镏械臍湓乩塾?jì)并提取出來(lái)，提取效率決定著該工藝的效率。2008年開(kāi)始對(duì)該工藝進(jìn)行基礎(chǔ)研究。對(duì)碳捕集和碳封存技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性等重要因素進(jìn)行了調(diào)查。盡管COURSE50中的煉鐵工藝與ULCOS（超低二氧化碳煉鋼項(xiàng)目）中的新高爐在煤氣循環(huán)利用方面相似，但其運(yùn)行條件指導(dǎo)不同于ULCOS中的新高爐。在COURSE50計(jì)劃中，氫氣還原得以增強(qiáng)，接近于焦?fàn)t煤氣和天然氣噴吹還原。在高爐煤氣循環(huán)利用中，還原方式主要是由一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行的間接還原。另一方面，由氫氣還原發(fā)生的吸熱反應(yīng)得到的熱平衡將會(huì)影響COURSE50中煉鐵工藝的操作限制。
6對(duì)未來(lái)幾種工藝的評(píng)價(jià)
鋼鐵企業(yè)采用碳捕集和碳封存技術(shù)也是降低二氧化碳排放必不可少的辦法。未來(lái)全氧高爐是一種備受推崇的工藝，但其需要消耗大量氧氣。制氧廠生產(chǎn)氧氣又要消耗大量電力，因此，全氧高爐碳消耗的總量與傳統(tǒng)高爐相差無(wú)幾。然而同傳統(tǒng)高爐工藝相比，全氧高爐煤氣中的二氧化碳更為集中，因而引入二氧化碳分離技術(shù)也就相對(duì)容易。在全氧高爐工藝中，由于氮?dú)馐敲赓M(fèi)的，所以二氧化碳?jí)毫兔簹饬扛鼮檫m合。未來(lái)，全氧高爐和二氧化碳分離技術(shù)的結(jié)合將會(huì)顯著降低二氧化碳排放，成為極具推廣價(jià)值的技術(shù)。
由于未來(lái)一系列工藝的發(fā)展都是建立在碳捕集和碳封存技術(shù)之上，因此，二氧化碳的分離成本、運(yùn)輸成本和存儲(chǔ)成本將是考慮的主要因素。
7結(jié)論
受經(jīng)濟(jì)條件變化的影響和應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的長(zhǎng)期減排要求，日本煉鐵條件的顯著變化將會(huì)持續(xù)下去，兩者與日本鋼鐵工業(yè)的未來(lái)發(fā)展密切相關(guān)。更重要的是，在應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的問(wèn)題上，鋼鐵工業(yè)在煉鐵環(huán)節(jié)應(yīng)有屬于自己的核心技術(shù)，這些核心技術(shù)必將對(duì)鋼鐵工業(yè)的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生影響。
(鋼訊)
