日本高炉减排CO₂技术的试验研究

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COURSE50开发概要

COURSE50项目的目标是最大限度地利用钢铁厂现有设备，将钢铁厂排放的CO₂量削减30%。在30%的CO₂减排率中，20%通过高炉炉顶煤气中CO₂的分离回收来实现，10%通过高炉的送风操作和原料操作来实现。本项目作为NEDO的100%支援项目，从2008财年开始由新日本制铁、住友金属工业、日新制钢（以上3家现为日本制铁），JFE钢铁、神户制钢、新日铁工程（现为日铁工程）6家公司开发。2012财年之前进行要素开发（阶段I-STEP1），从2013财年开始到2017财年进行以试验高炉为主体的氢还原和CO₂分离回收综合技术开发（阶段I-STEP2）。

传统高炉和COURSE50高炉的比较。传统高炉内发生的还原反应中，CO还原比例为60%，H₂还原比例为10%，固体C还原FeO的直接还原比例为30%。各个反应式和反应热用式（1）-式（3）表示。

FeO + CO = Fe + CO₂+ 17288kJ/kmol                    （1）

FeO + H2= Fe + H₂O - 23834kJ/kmol                    （2）

FeO + C = Fe + CO - 15511kJ/kmol                    （3）

另一方面，COURSE50高炉的目标是通过喷吹氢系还原气体，将直接还原的10%置换为氢气还原。直接还原和H₂还原都是吸热反应。但直接还原吸热量极大，因此通过直接还原和H₂还原置换能够降低还原剂比，可以减少CO₂排放量。

为了验证这个概念，开发了对应喷吹高氢气体操作的三维高炉数学模型，并进行了模拟。此外，2016年还建设了试验高炉（内容积12m³），通过2次热试运行和4次操作试验进行了模拟实证试验。通过这三种手段：1）从风口喷吹焦炉煤气（COG）和高富氧；2）从炉身风口喷吹高炉炉顶煤气中分离CO₂后的煤气；3）使用高还原性烧结矿，实现了高炉CO₂排放量减少10%的开发目标。

从2018财年开始阶段II-STEP1，目标是扩大CO2减排措施的自由度，采用1）从风口喷吹氢系还原气体并富氧；2）使用高还原性烧结矿两种方法，探索CO₂减排率的上限。

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试验高炉设备概要

12m³试验高炉是有1个出铁口和3个风口的无料钟高炉，吹入来自热风炉的1000℃热风来冶炼生铁。风口可通过双管或三管喷吹含有煤粉和氢气的还原气体。与实际高炉一样，从原料料斗中排出烧结矿和块矿，调整炉渣成分用的其他原料和块焦，用传送带运送至炉顶，分层装入。按日出铁量为34t设计各条件，以2h间隔用开口机钻开出铁口。一次出铁共排出铁水和炉渣约4t，铁水炉渣用铁罐装运。在测量方面，垂直探头、炉体温度计、静压计等通常高炉的附属设备一应俱全，但作为实际高炉中没有的测量仪器，在炉子高度方向上有3级探头，可在操作中采集水平截面的内容物和炉内气体。

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试验

4.1 三维高炉数学模型概况及模拟条件

4.1.1 概要

图1是三维高炉数学模型的概要。计算对象不包括滞留在炉底的铁水和渣的区域，考虑了气体、固体和液体各相关的物质平衡、能量平衡和动量平衡。该模型考虑的主要反应为氧化铁还原（利用三界面未反应核模型计算）、焦炭的气化反应（这些反应速度是采用从过去的基础试验中得到的阿雷尼厄斯式化学反应速度常数计算，但速度常数中可以乘以校正系数）。在进行模拟试验时，根据试验高炉的实际情况分析来确定校正系数的值，并利用该校正系数提高预测精度。

4.1.2 模拟

为了调查氢系还原气体的喷入量与减排CO₂量效果的关系，进行了单独喷吹COG、混合喷吹COG + H₂和单独喷吹H₂三种气体的喷吹操作模拟。

4.2 试验高炉操作试验

4.2.1 操作试验条件

表1是用三维高炉数学模型设计的第5次、第6次操作的操作条件和当时的碳单耗削减率的预测值。操作设计为风口温度、铁水温度和出铁量恒定。A是通常的高炉操作，为了确认各操作试验的标准不会因某种干扰而发生偏差而实施。为了确认喷吹高氢气体操作的再现性，在第5次和第6次都实施了C操作，为了区别起见，第6次操作实例名称为C-2。在此，尽管是同样的情况，第5次和第6次操作的数据略有不同是第5次操作后重新调试的结果。B和E、C和C-2以及F的氢总投入量相近，只是变更了从风口喷吹气体的种类。另外，氢总投入量是指源于风口喷吹的COG和纯H₂气体的氢以及源于风口前燃烧PC和焦炭的氢气的总和。而D使用了与C相同规格的高还原性烧结矿。烧结矿的还原性分别使用日本制铁的两台烧结机制造的烧结矿来改变。在此作为烧结矿还原性的指标，本试验中采用了JIS-RI。这是与公司内外的炼铁研究人员讨论的共同指标，只有JIS-RI。当然，在900℃，60% CO-40% N₂气氛下测定的JIS-RI是否可作为高氢浓度气氛下烧结矿的还原性评价指标，还在讨论中。

4.2.2 试验操作方法

在试验操作中，当炉底温度达到恒定时，判断为达到了稳定状态。也就是说，在基准条件下继续操作，直到炉底温度上升速度下降到几乎恒定为止。运行10天后，炉底温度基本稳定，判断达到了稳定状态。此时，进行炉内温度及煤气成分测定。测定结束后，立即转入下一次试验的送风、装入等。在下一次试验条件下连续运行2天，使操作稳定。确认稳定后，进行炉内温度及煤气成分测定。反复进行转入下一条件的运行。全部试验实例结束后，立即将炉内置换为N2冷却约1个月。

4.2.3 测定项目

烧结矿的还原性是操作影响因素之一，所以操作中每天都测定。另外，测定每次出铁的铁水温度、铁水和炉渣成分，对送风、装入各条件进行了微调。如上所述，在确认各要素均符合试验条件并稳定后，在炉子高度方向上利用3级水平探头和垂直探头测定了炉内的温度和煤气成分。

4.2.4 评价方法

在各实例的探头数据取样期间内，提取出判断为连续24h送风量基本稳定运行期间，平均该期间的各项，计算出总平衡。以平衡计算得到的各实例的碳单耗与基准进行比较，计算出了减排率。

本文为部分内容，全文请参阅《世界金属导报》30期B14。