日本炼铁技术COURSE50研发现状

日本炼铁技术COURSE50研发现状
1 前言
COURSE50是日本新能源•产业技术综合开发机构（NEDO）委托神户制钢、JFE、新日铁、新日铁工程公司、住友金属、日新制钢6家公司共同开展的“环境友好型炼铁技术开发”项目，于2008年7月22日获得通过。

考虑到今后对钢铁材料的需求会进一步增加，并且对钢材的性能要求也在不断提高，即使到2050年仍需要一定数量的铁矿石还原生产高性能的钢材。

因此，将立足于铁矿石还原能根本性减排CO2的技术作为长期项目展开研发工作。

该项目其中一项技术是碳还原铁矿石产生的CO2无害化处理技术。

为此，需要开发高效CO2吸收剂、评价实验规模设备、开发余热吸收液体的再生技术等，通过这些技术开发形成从高炉煤气中高效分离CO2的技术。

另一项技术是氢还原技术。

氢还原技术是一项中长期的创新型研发项目，在进行氢还原机理等基础性研究的同时，在氢源方面，副产煤气的富氢技术也受到人们的重视。

上述两项技术都需要进行长时间的基础研究和实验研究，所以，各产业界都请求相关的大学和研究单位给予协作，尽快推进开发速度。

这些开发成果实用化时，分离回收CO2的储存和监控技术、低CO2的氢供给和电力供应等社会基础条件的整备也是不可缺少的。

2 COURSE50技术概要
COURSE50技术开发内容是：利用焦炉800℃余热提高焦炉煤气（COG）氢含量技术、用氢还原铁矿石的反应控制技术、从高炉煤气中分离并回收CO2技术以及扩大炼铁厂余热利用减少CO2排放技术。

上述技术的开发分两个阶段进行：第一阶段2008～2012年，共5年；第二阶段是综合实验阶段。

最终目标是使CO2排放量减少30%。

第一阶段（2012年）的目标是：
①开发减少高炉排放CO2的技术
. 研究氢还原铁矿石的机理、研发控制氢还原铁矿石反应的基础技术；
. 开发氢浓度增加一倍的焦炉煤气（COG）富氢改质技术；
. 在高炉用氢还原铁矿石所需高强度-高反应性焦炭制造技术方面，由于高炉的技术要求尚未确定，所以先确定中间实验的焦炭评价指标。

②开发从高炉煤气（BFG）分离回收CO2的技术
从高炉煤气（BFG）分离回收CO2的成本目标是2000日元/t-CO2。

为实现上述两个目标开展的研究工作见表1~表3。

表1 减少高炉排放CO2技术的开发
表2 从高炉煤气（BFG）分离回收CO2技术的开发
表3 炼铁新工艺综合评价及研究
3 COURSE50研发工作的主要进展
3.1 减少高炉排放CO2技术的开发
减少高炉排放CO2技术的开发课题涉及许多研究内容（如图1所示），由各参加单位分担进行研究。

该课题在对高炉使用富氢改质COG（30%CO、60%H2）时炉内还原行为进行研究的同时，还进行了矿石还原粉
化研究、高炉上部热补偿研究、高炉内局部状况评价研究（模型模拟），目的是对CO2减排量进行定量研究。

此外，该课题还开发了高炉使用改质COG时炼铁厂能耗和CO2平衡评价系统。

即在使用改质COG的条件下，建立基于热平衡数学模型的能耗和CO2平衡评价系统并进行估算，考察利用和不利用改质COG情况下的能耗和CO2平衡差异。

图1 氢还原铁矿石技术开发项目分解图
一项主要的研究成果是模拟研究吹入改质COG时高炉内还原率的变化情况（图2）。

图中的虚线是吹入氢提高矿石综合还原率的理论值。

实验结果远远超过该值，主要原因：一是从高炉的块状带到软融带上部，H2的还原作用活跃；二是H2O和C汽化产生的CO+CO2增加。

这个结果说明，如果能够顺利向高炉吹入改质COG，就可以提高矿石的还原率并削减CO2排放量。

这是非常值得期待的结果。

图2 氢提高还原率的效果
（虚线是单纯由氢提高还原率的理论值）
关于改质COG吹入量与产生的CO2排放量间的关系正在研究中。

其它方面正在进行的研究还有在模拟半径方向和高度方向的二元反应行为的高炉总体模型内增加吹入改质COG的功能，建立能够对还原气体循环时高炉内还原行为进行定量预测的模拟系统。

利用该系统在考虑到烧结矿等矿石低温还原和粉化现象的情况下，对高炉吹入还原性气体进行模拟，用数学方法评定还原性气体循环产生的CO2减排效果。

本研究的目的是通过改质COG中氢在高炉内的还原作用，减少传统还原剂焦炭的用量，从而减少焦炭制造和使用过程中产生的CO2。

因此，首先要研究的课题是明确高炉用氢还原铁矿石对焦炭特性的要求，并开发满足这种要求的焦炭制造技术。

3.2从高炉煤气（BFG）分离回收CO2技术的开发
近年来，CCS（碳捕集与封存技术）作为中长期防止地球温室效应对策而备受关注。

作为CCS技术的一部分，从火力发电燃烧废气中分离回收CO2的技术已经在世界各国进行开发。

该技术的关键是提高化学吸收法的吸收液性能（降低再生热量等）。

日本地球环境产业技术研究机构（RITE）也在进行化学吸收液的基础性研发工作。

但是CCS与节能不同，CCS是一项本身没有经济驱动力，并且在实施中还需要消耗一定能量（增能）的技术课题。

因此，重要的问题就是在使化学吸收液实用化的同时，需与炼铁工艺进行整合，以便进一步减少能源投入和降低成本。

与火力发电燃烧废气的情况不同，从BFG中分离回收CO2时，具有CO2浓度高和CO2量常年稳定等有利条件，但是为了将CO2分离后的气体返回高炉循环利用，就必须认真研究CO2的分离回收对炼铁工艺的影响。

因此在开发中，利用实验化学吸收装备用多种高性能吸收液从BFG中进行分离回收CO2实验，收集定量的实验数据，评价对炼铁工艺的影响，研究CO2分离回收工艺与炼铁工艺的整合模型，通过对全系统的评价和研究，了解该项分离技术实用化时CO2削减的程度和降低分离回收成本的效果。

在小型装置（1tCO2/d）进行实验的基础上，开发30tCO2/d可独立用热的实验装置。

利用该实验装置可以定量掌握多种高性能吸收液使用时的热平衡等工艺数据。

在开发化学吸收液时，对市场销售的胺类吸收液的特性进行了评价，以通过这些吸收液的混合液达到最佳特性。

但是用这种方法提高吸收液性能是有限的。

因此，在RITE的协助下，从合成新型胺类吸收液和触媒添加剂入手，进行大幅度降低再生热量、综合吸收特性优良的吸收液的开发。

在开发工作中采用了过去很少使用的量子化学计算等计算化学方法，在电子级别上阐明吸收液和CO2发生反应时的支配因子，为实验研究提供了有用思路。

并且在现有胺类吸收液数据库的基础上，运用多元回归模型解析法设计高性能胺化合物和胺混合物，对计算化学的理论方法起到了相辅相成的作用。

不仅对化学吸收法进行了上述研究，还对物理吸附法分离回收CO2同时分离N2以提高可燃气体（CO+ H2）价值的技术进行了研究。

特别对高炉煤气中各种成分的综合分离条件进行了分析，推进压力变换型（P SA）商用分离机的开发。

利用压力变换法，在升压时将高炉煤气中某一组分吸附在吸附剂内，在减压时使被吸附组分脱离吸附剂。

通过反复升压减压操作将高炉煤气中某一组分分离出来。

在这个过程中，升压减压风机的动力（电力）占分离成本的一大半，降低这部分成本十分重要。

在实验装置上进行实验时，首先
从现有的吸附剂中选取优良的吸附剂，然后查明使用这些吸附剂时满足各个开发目标所要求的分离工艺条件。

在此基础上进行实验，以成本作为评价指标考察分离的综合条件（CO2回收率、回收CO2的浓度、可燃气体（CO+H2）回收率等全工艺最佳值）。

最后，为实现分离工艺效率最大化和适宜的规模，进行化学吸收和物理吸附相组合的综合系统的研究。

为从高炉煤气中分离回收CO2，需要新增蒸汽和电力。

如果从外部调配，在生产蒸汽和电力的工厂又会产生CO2。

因此，本研究提出将炼铁厂尚未利用的余热用于CO2分离回收的课题，这些余热在过去由于技术方面或经济方面的原因难以利用。

具体工作是要在钢渣显热回收技术、低温余热发电技术、PCM（潜热蓄热材料）利用技术、热泵利用技术等方面取得突破性进展。

在这方面代表性的开发工作是钢渣显热回收技术。

钢渣是钢铁厂温度最高的余热源，温度高达120 0℃～1600℃。

过去对钢渣的处理方法是空冷或喷洒一部分水，将钢渣从熔融状态冷却凝固到常温，显热没有被有效利用。

与高炉渣利用相比，发挥钢渣特性的高附加值用途较少。

因此，钢渣显热回收也扩大了钢渣的新用途。

钢渣显热回收可用于化学吸收法分离回收CO2技术。

化学吸收法分离回收CO2时要求的温度在120℃以上。

为提供分离所需要的热能，从钢渣回收的气体温度应达到140℃以上。

目前正在反复进行实验室研究。

4 小结
日本正在持续不断地实施世界顶级水平低碳经济的节能措施，在产业界能源消耗方面，钢铁业的单位能耗是世界最低的。

正如各方面所指出的那样，发达国家的CO2排放量到2050年要比现在减少60%～80%，对钢铁业来说，这一目标仅靠现行的节能减排方法是实现不了的。

因此，需要有像该项目采用创新技术的新技术理念。

该项目需由核心技术和各种相关技术组合进行实施。

高炉利用氢还原等核心技术的研发工作，钢铁业自身就可以完成。

支持核心技术的其它相关技术的研发需要积极导入其它领域的技术，因此本项目是多种技术的集合体，系统整体设计很重要。

今后将集中参加该项目的各公司精英，制定最佳工艺方案，开展多种技术措施的研究，最终实现CO2减排30%的目标。