创新炼铁工艺，兼顾环保与经济——日本COURSE50技术研究现状

胡俊鸽 周文涛 董刚

COURSE 50（CO2Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for coolEarth 50）是日本的一个国家级项目，以“创新的炼铁工艺”为主要研究内容。该项目同时兼顾环境保护和经济发展，其最终目的是使CO2减排达30%。

该项目由日本钢铁联盟发起、由NEDO资助，由新日铁住金、神户制钢、JFE钢铁和日新钢铁等合作研究。COURSE50研发分两个阶段，第一阶段由2008年至2012年，第二阶段由2013年至2017年。到2030年，该项目使所开发的技术达到工业化推广应用水平。

COURSE 50项目简介

COURSE 50项目主要包括减少CO2排放的高炉炼铁技术和从高炉煤气捕集、分离与回收CO2的技术（CCS）。

减少CO2排放的炼铁技术主要指氢气还原技术，即以改质（使焦炉煤气中氢含量增加）后的富氢焦炉煤气还原铁矿石的高炉炼铁技术，其支持技术包括与氢还原相配套的新型焦炭技术及改质焦炉煤气技术。

从高炉煤气捕集、分离与回收CO2的技术主要包括CO2高效吸收剂的开发、中试设备实用性评估、钢铁厂未利用的余热回收技术开发。

高炉氢气冶炼及其支持技术

高炉氢气冶炼技术开发现状。日本的高炉氢气冶炼技术是使用改质后的富氢焦炉煤气的高炉冶炼技术。使用氢气代替焦炭和煤粉作还原剂不仅可提高还原效率，还具有较好的减排CO2的效果。因为氢气作还原剂时只产生H2O，不像CO作还原剂时产生CO2。目前，该项目已完成了实验室基础性研究和小高炉工业试验研究。

到2012年，氢气还原冶炼的基础研究工作已完成，取得以下研究成果：一是研究发现，向高炉喷吹改质焦炉煤气，可以大幅度提高铁矿石还原率。二是建立了高炉炉身喷吹改质焦炉煤气的气固两相流冷态模型，对炉内煤气流量、流速对气流分布的影响进行了研究。三是使用高炉内反应模拟装置（BIS）的研究表明，改质焦炉煤气的喷吹量可达到200m3/t，在炉身喷吹改质焦炉煤气有降低高炉碳耗的可能性。

2013年上半年，研究者在瑞典LKAB试验高炉上完成了工业试验。工业试验的主要目的，是研究和评价使用普通焦炉煤气或改质焦炉煤气置换焦炭和降低还原剂比的潜力，以及喷吹热态炉顶煤气对高炉上部温度和烧结矿粉化的影响。

试验发现，在喷吹焦炉煤气和喷吹改质焦炉煤气时，焦比和还原剂比均降低；CO气体利用率（ηCO）降低；而氢气利用率（η）在喷焦炉煤气时升高，在喷改质焦炉煤气时下降。另外，热态炉顶煤气从炉身上部风口喷吹24小时后，高炉炉顶煤气温度开始升高。

从炉身下部风口喷吹改质焦炉煤气的径向渗透深度意味着改质焦炉煤气进入炉子中心的深度，提高改质焦炉煤气的径向渗透深度能够提高煤气利用率。但探针测量的结果表明，喷吹改质焦炉煤气时，改质焦炉煤气只在风口处快速还原铁矿，却不进入料层。而且，无论是喷吹焦炉煤气还是喷吹改质焦炉煤气，有或没有喷吹热态炉顶煤气，烧结矿的粒度变化都与基准情况没有大的区别。

支持技术开发现状。支持技术主要包括焦炉煤气改质技术和Hypercoal技术。

日本的焦炉煤气含氢气量一般在50%多，为了提高焦炉煤气中的氢气含量，开发了改质焦炉煤气的技术，即使用催化剂使焦炉煤气中的氢气含量超过60%，然后再喷进高炉中。

该项目研究了对800℃高温焦炉煤气中的煤焦油进行改质来提高焦炉煤气中氢气含量的效果，在新日铁八幡厂内建成了规模约10m3/h的实验设备，对催化剂及其改质效果进行了研究。高温焦炉煤气含有不易分离的焦油成分，而且含有较高浓度的硫化氢，所以新研制的催化剂必须具有既耐硫化氢又耐析碳的特性。研究结果显示，在实验室不同条件下，焦油分解率大约在20%～80%的范围内波动，最高值为73%，平均值为46%；氢气提高比率与焦油分解率呈正比关系。

在COURSE 50项目中，一方面，使用氢气含量较高的焦炉煤气作高炉还原剂时，焦比会比传统高炉低，需要强度更高的焦炭来保持高炉透气性；另一方面，氢气还原铁矿石时的吸热反应会降低炉内温度，需要与之相适应的高反应性焦炭。因此，COURSE50项目的成功需要高强度、高反应性焦炭作为支撑。Hypercoal是日本正在开发的脱灰煤，用作配煤黏结剂可生产出高反应性、高强度焦炭，满足COURSE50技术中高炉喷吹焦炉煤气对焦炭的要求。

即使是普通高炉，使用Hypercoal作配煤黏结剂，也可大大提高低价的弱/非黏结煤在炼焦配煤中的比例，甚至在确保焦炭质量的情况下可几乎全部使用弱/非黏结煤配煤。Hypercoal技术既能帮助钢铁企业应对将来黏结煤资源的短缺，又有利于降低生产成本。

神户钢铁公司与JCOAL（Japan CoalEnergy Center：日本煤炭能源中心）等正在合作开发研究该技术。神户制钢曾用小型实验焦炉研究了炼焦配煤中添加Hypercoal对焦炭质量的影响，发现确实可提高焦炭强度，并且在配煤中多使用高反应性煤种可提高焦炭反应性。

目前，日本已对提高Hypercoal生产率和降低生产成本的技术进行了基础研究，也建成中试装置进行了试验。接下来的研究中，既要提高Hypercoal萃取率，又要控制其成分，使Hypercoal含有较多与煤分子相似的大分子芳香族化合物，以便更有效地提高焦炭强度。

高炉煤气分离回收CO2及其支持技术

高炉煤气（BFG）分离回收CO2技术。在COURSE50项目研究中，研究者研究了用化学吸收方法从高炉煤气分离CO2的技术，进行了多种高性能吸收液从高炉煤气中分离CO2的实验，开发了CO2分离回收工艺与炼铁工艺的整合模型，以评价分离CO2和降低成本的效果；在规模为1t-CO2/d的小型实验设备基础上，开发了规模为30t-CO2/d的化学吸收试验装置，利用该装置可进行定量研究，以获取使用不同高性能吸收液的技术数据。

在地球环境产业技术研究机构（RITE：ResearchInstitute of Innovative Technology for the Earth）的指导下，他们研究开发了性能优良的新型胺类吸收液和催化剂。

他们还对物理吸附法进行了研究，该法在分离CO2的同时分离N2，这样可提高气体中（CO+H2）的含量和气体价值。最后，他们研究了化学吸收与物理吸附相结合的系统，以达到最佳分离效率。

支持技术开发现状。从高炉煤气中分离回收CO2本身是一项没有经济驱动力的技术，而且在实施中还需要消耗一定能量。例如，从高炉煤气中分离回收CO2时，需要消耗一定量的蒸汽和电力。日本不希望在实施CCS技术中外购额外能源，而希望对钢铁厂中未利用余热的回收技术进行开发，将这部分未利用的余热用于CCS。为此，研究者研究了将钢铁厂尚未利用的余热用于CO2分离回收的技术。开发的具体技术包括：钢渣显热回收技术、低温余热发电技术、相变材料（PCM：PhaseChange Material）的利用技术、热泵利用技术。

钢渣显热回收技术：从1200℃~1600℃高温熔融态钢渣制造渣制品的过程中回收其显热，提高余热回收效率的关键点是炉渣冷却方法和形状控制等。为提供分离CO2所需的热能，从钢渣回收的气体温度应达到140℃以上，目前正在进行实验研究。

低温余热发电技术：世界上已有回收100℃左右余热的低温余热发电的实例，如Kalina发电技术，但是，在设备成本、余热回收效率方面还存在问题，仍没有达到推广应用的程度。该项目拟通过探索低热发电系统的低沸点媒介物，来提高余热回收效率；还通过开发降低发电设备的成本和体积的技术来解决以上问题。

相变材料储热技术：利用某些物质在相变过程中的吸热和放热现象可进行热能储存和温度调控，具有热能储存和温度调控功能的这类物质被称为相变材料或潜热储能材料(LTES)。相变材料具有能量密度较高、所用装置简单、使用方便、易于管理的特点。利用相变材料可以从环境吸收热量或向环境放出热量，从而达到热量储存和释放的目的，诸如石蜡、三水醋酸钠等都可用作相变材料。如果能够使用绝热容器运输PCM材料，将可减少运输途中的热损失。把钢铁厂中发生的不易回收的废热存储在PCM材料中，有望成为CCS技术所需的能源。

热泵技术：为了将中低温废热作为化学吸收法所需的热源加以有效利用，研究者计划进行热泵利用技术开发。热泵是由能量（动力、热）作用产生温度差的装置，将余热本身的温度和环境温度差作为工作驱动力，不用从外部投入能量，就可制取高温热源。虽然现在有许多应用实例，但对于目前尚无法利用的低温余热，如果使用热驱动热泵，可期待将其一部分能量用于分离和回收CO2。

第二阶段的研究课题

COURSE 50项目第一阶段的研究任务已圆满完成。小高炉试验研究证明，高炉喷吹改质焦炉煤气能够降低碳耗，即能够减少CO2排放；高炉喷吹焦炉煤气不仅有降低焦比和还原剂比的效果，而且没有发生烧结矿严重粉化的现象。虽然至2030年才推广应用COURSE50技术，但其中一些支持技术非常有意义。譬如Hypercoal技术，随着该技术的开发成功，使低等级煤大量用于炼焦成为可能，这对提升企业竞争力和钢铁企业的可持续性发展具有很大的战略意义。又如钢渣显热回收技术、低温余热发电技术、相变材料的利用技术和热泵利用技术，这些技术的开发成功对企业节能减排和提升企业竞争力非常重要。

该项目已于2013年进入第二阶段研究，计划于2017年结束。目前，研究者已在君津厂建设了10m3的试验高炉，日产量为35t左右，用该炉子进行工业试验及研究，具体内容包括：在氢还原铁矿石技术方面，使用新建的10m3试验高炉研究气体喷吹优化和进一步提高冶炼效率的技术；在10m3试验高炉上对COURSE50项目进行评估；开发未利用余热的高效利用技术，进行化学吸收法与10m3试验高炉的联动试验，详细设计物理吸收法的实际设备生产（50万吨/年×2系列）工艺；通过提高整体优化评价，确立减少CO2排放量达30%的技术；开发在高炉达800℃以上的温度条件下，降低焦炉煤气甲烷含量的技术。