日本COURSE 50技術研究現狀

胡俊鴿，周文濤，董剛（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

綜 述

日本COURSE 50技術研究現狀

胡俊鴿，周文濤，董剛
（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

介紹了日本COURSE 50技術，包括高爐氫氣冶煉及其支持技術以及從高爐煤氣捕集、分離和回收CO2的技術（CCS）。闡述了高爐氫氣冶煉及其支持技術開發現狀，主要包括高爐氫氣冶煉技術的實驗室研究結果、瑞典小高爐工業試驗及結果以及焦爐煤氣改質技術和Hypercoal技術的研究現狀，高爐煤氣分離回收CO2的技術及其支持技術開發現狀以及COURSE 50于2013～2017年的研究課題。指出其中一些支持技術對提升企業競爭力和促進鋼鐵企業的可持續性發展具有很大戰略意義。

COURSE 50；CO2減排；高爐；焦爐煤氣噴吹；氫氣冶煉

COURSE 50是日本的一個國家級項目，以“創新的煉鐵工藝”為主要研究內容。該項目同時兼顧環境保護和經濟發展，其最終目的是使CO2減排達30%。

該項目由日本鋼鐵聯盟發起、由NEDO資助，新日鐵住金、神戶制鋼、JFE鋼鐵和日新鋼鐵等合作研究。COURSE 50研發分2個階段，第一階段為2008～2012年，第二階段為2013～2017年。至2030年，使所開發的技術達到工業化推廣應用水平。

1　COURSE 50項目簡介

COURSE 50項目主要包括：減少CO2排放的高爐煉鐵技術和從高爐煤氣捕集、分離與回收CO2的技術（CCS）。

減少CO2排放的煉鐵技術主要指氫氣還原技術，即以改質（使焦爐煤氣中氫含量增加）后的富氫焦爐煤氣還原鐵礦石的高爐煉鐵技術；其支持技術包括與氫還原相配套的新型焦炭技術及改質焦爐煤氣技術。

從高爐煤氣捕集、分離與回收CO2的技術主要包括CO2高效吸收劑的開發、中試設備實用性評估、鋼鐵廠未利用的余熱回收技術開發。

2　高爐氫氣冶煉及其支持技術開發現狀

2.1高爐氫氣冶煉技術開發現狀

日本的高爐氫氣冶煉技術即是使用改質后的富氫焦爐煤氣的高爐冶煉技術。使用氫氣代替焦炭和煤粉作還原劑不僅可以提高還原效率,而且還具有較好的減排CO2效果。因為氫氣作還原劑時只產生H2O，不像CO作還原劑時產生CO2。目前已完成了實驗室基礎性研究及小高爐工業試驗研究。

2.1.1實驗室研究結果

至2012年，氫氣還原冶煉的基礎研究工作已完成，取得以下研究成果：

（1）研究發現，向高爐噴吹改質焦爐煤氣的情況下，可以大幅度提高鐵礦石還原率。

（2）建立了高爐爐身噴吹改質焦爐煤氣的氣固兩相流冷態模型，對爐內煤氣流量、流速對氣流分布的影響進行了研究。

（3）使用高爐內反應模擬裝置（BIS）的研究表明，改質焦爐煤氣的噴吹量可達到200 m3/t，在爐身噴吹改質焦爐煤氣有降低高爐碳耗的可能性。

2.1.2瑞典小高爐工業試驗及結果

（1）試驗目的及瑞典LKAB試驗高爐簡介

2013年上半年在瑞典LKAB試驗高爐上完成了工業試驗。工業試驗的主要目的是研究和評價使用普通焦爐煤氣或改質焦爐煤氣置換焦炭和降低還原劑比的潛力，以及噴吹熱態爐頂煤氣對高爐上部溫度和燒結礦粉化的影響。

LKAB試驗高爐的工作容積為9.0 m3，爐喉和爐缸直徑分別為1.0 m和1.5 m，3個鐵口，無料鐘爐頂；另外，除了爐缸風口外，還設有爐身上部風口和爐身下部風口。熱風可加熱到1 200℃，可噴吹煤粉、石油和各種氣體。

（2）工業試驗簡介

富氫改質焦爐煤氣通過爐身下部3個風口噴吹進高爐。普通焦爐煤氣通過爐缸風口噴進高爐，以充分利用CH4的燃燒。爐缸風口噴吹焦爐煤氣時，使用同軸噴槍，煤粉走內管，以N2作載氣，焦爐煤氣走外管。

普通焦爐煤氣成分為 57%H2，31.3% CH4，11.7%N2，富氫改質焦爐煤氣成分有2種：1種為77.9%H2、22.1%N2和77.9%H2，另1種為10% CO、12.1%N2、當含有CO時，添加H2S以減少碳沉積，添加量最多為0.01%。

在噴吹焦爐煤氣時，必須提高富氧量，以補償碳氫化合物分解所需要的熱量，從而保持理論燃燒溫度不變。這樣導致上部溫度降低，延長了燒結礦滯留時間，易使燒結礦發生粉化。另外，氫氣也易使燒結礦粉化。為了防止燒結礦在低溫下粉化，把部分熱態爐頂煤氣從爐身上部3個風口噴進高爐以便于控制溫度。

表1表示噴吹氣體條件匯總［1］。從爐缸風口、爐身上部風口和爐身下部風口各選3個風口噴吹焦爐煤氣（COG）、改質焦爐煤氣（RCOG）和熱態爐頂煤氣，各排所選風口的方向相同。

表1　噴吹氣體條件匯總

2013年4月26日開始試驗，于5月11日結束。目標噴煤率為128 kg/t，試驗期間產量基本不變。第一階段為啟動試驗，時間為7天，鐵料為球團；之后進入基準期，時間為5天，使用70%燒結礦和30%球團礦，并混裝小焦。

操作穩定后，于4月28日開始從爐缸風口噴吹焦爐煤氣，噴吹量為100 m3/t；同時調整富氧量，保持理論燃燒溫度不變；降低噴煤量。噴焦爐煤氣后從爐頂收集的爐塵中觀察到有碳存在。

5月6號開始噴吹預熱到770℃的改質焦爐煤氣，開始噴吹時改質焦爐煤氣化學成分為77.9%H2、22.1%N2，起初噴吹量為150 m3/t，之后把噴吹量調整為200 m3/t，最后在噴吹量為200m3/t的情況下，把煤氣成分調整為77.9%H2、10%CO、12.1%N2。

在噴焦爐煤氣和改質焦爐煤氣期間，從爐身上部風口噴吹熱態爐頂煤氣，溫度為800℃，噴吹量為100 m3/t。

（3）試驗期間試驗高爐操作數據及結果

表2表示基準期、噴吹COG期和噴吹RCOG期的操作數據。

表2　基準期、噴吹COG和噴吹RCOG期間的操作數據

由表2可見，在噴吹焦爐煤氣和噴吹改質焦爐煤氣時，焦比和還原劑比均降低；CO氣體利用率降低；而氫氣利用率在噴焦爐煤氣時升高，在噴改質焦爐煤氣時下降。

另外試驗發現，熱態爐頂煤氣從爐身上部風口噴吹24 h后，高爐爐頂煤氣溫度開始升高。

（4）噴吹氣體徑向滲透深度及燒結礦粉化情況

從爐身下部風口噴吹改質焦爐煤氣的徑向滲透深度意味著改質焦爐煤氣進入爐子中心的深度，提高改質焦爐煤氣的徑向滲透深度能夠提高煤氣利用率。但探針測量的結果表明，噴吹改質焦爐煤氣時，改質焦爐煤氣只在風口處快速還原鐵礦，卻不進入料層。各種情況下燒結礦粒度的變化情況見圖1。

由圖1可知，各種試驗條件下的燒結礦粒度變化與基準期的情況基本相同。

2.2支持技術開發現狀

2.2.1焦爐煤氣改質技術

日本的焦爐煤氣含氫氣量通常達50%以上，為了提高焦爐煤氣中的氫氣含量，開發了改質焦爐煤氣的技術，即使用催化劑使焦爐煤氣中的氫氣含量超過60%。然后再噴進高爐中。

研究了通過對800℃高溫焦爐煤氣中的煤焦油進行改質來提高焦爐煤氣中氫氣含量的效果。在新日鐵八幡廠內建成了規模約10 m3/h的實驗設備，對催化劑及其改質效果進行了研究。高溫焦爐煤氣含有不易分離的焦油成分，而且含有較高濃度的硫化氫，所以新研制的催化劑必須具有既耐硫化氫又耐析碳的特性。重點研究了Ni-MgO系催化劑，發現在實驗室不同條件下，焦油分解率大約在20%～80%范圍內波動，最高值為73%，平均值為46%；氫氣提高比率與焦油分解率呈正比關系。2.2.2 Hypercoal技術

在COURSE 50項目中，使用氫氣含量較高的焦爐煤氣作高爐還原劑時焦比會比傳統高爐低，需要強度更高的焦炭來保持高爐透氣性；另一方面，氫氣還原鐵礦石時的吸熱反應會降低爐內溫度，需要與之相適應的高反應性焦炭。因此，COURSE 50項目的成功需要高強度高反應性焦炭作為支撐。Hypercoal是日本正在開發的脫灰煤，用作配煤粘結劑可生產出高反應性高強度焦炭，滿足COURSE 50技術中高爐噴吹焦爐煤氣對焦炭的要求。

使用Hypercoal作配煤粘結劑可大大提高低價弱或非粘結煤在煉焦配煤中的比例，甚至在確保焦炭質量情況下可幾乎全部使用弱或非粘結煤配煤。Hypercoal技術既能幫助鋼鐵企業應對將來粘結煤資源的短缺，又有利于降低生產成本。

神戶鋼鐵公司與JCOAL（Japan Coal Energy Center：日本煤炭能源中心）等正在合作開發研究該技術［2］。神戶制鋼曾用小型實驗焦爐研究了煉焦配煤中添加Hypercoal對焦炭質量的影響，發現確實可提高焦炭強度，并且在配煤中多使用高反應性煤種可提高焦炭反應性。

目前日本已對提高Hypercoal生產率和降低生產成本的技術進行了基礎研究，也建成中試裝置進行了試驗［3］。接下來的研究中，既要提高Hypercoal萃取率，又要控制其成分，使Hypercoal含有較多與煤分子相似的大分子芳香族化合物，以便更有效提高焦炭強度。

3　高爐煤氣分離回收CO2的技術及其支持技術開發現狀

3.1高爐煤氣分離回收CO2技術

在COURSE50項目研究中，首先研究了化學吸收方法從高爐煤氣分離CO2的技術。進行了多種高性能吸收液從高爐煤氣中分離CO2的實驗，開發了CO2分離回收工藝與煉鐵工藝的整合模型，以評價分離CO2和降低成本的效果。在規模為1 t CO2/d的小型實驗設備基礎上，開發了規模為30 t CO2/d的化學吸收試驗裝置。利用該裝置可進行定量研究，以獲取使用不同高性能吸收液的技術數據。

在地球環境產業技術研究機構（RITE）的指導下，研究開發了性能優良的新型胺類吸收液和催化劑。

還對物理吸附法進行了研究，該法在分離CO2的同時分離N2，這樣可提高氣體中（CO+H2）的含量和氣體價值。最后，研究了化學吸收與物理吸附相結合的系統，以達到最佳分離效率。

3.2支持技術開發現狀

從高爐煤氣中分離回收CO2本身是一項沒有經濟驅動力的技術，而且在實施中還需要消耗一定能量，例如，從高爐煤氣中分離回收CO2時，需要消耗一定量的蒸汽和電力。日本不希望在實施CCS技術中外購額外能源，而希望對鋼鐵廠中未利用余熱的回收技術進行開發，將這部分未利用的余熱用于CCS。為此，研究了將鋼鐵廠尚未利用的余熱用于CO2分離回收的技術。開發的具體技術包括：鋼渣顯熱回收技術、低溫余熱發電技術、相變材料（PCM）的利用技術、熱泵利用技術。

（1）鋼渣顯熱回收技術

從1 200～1 600℃高溫熔融態鋼渣制造渣制品的過程中回收其顯熱。提高余熱回收效率的關鍵點是爐渣冷卻方法和形狀控制等。為提供分離CO2所需的熱能，從鋼渣回收的氣體溫度應達到140℃以上，目前正在進行實驗研究。

（2）低溫余熱發電技術

世界上已有回收100℃左右余熱的低溫余熱發電的實例，如Kalina發電技術。但是，在設備成本、余熱回收效率方面還存在問題，仍沒有達到推廣應用的程度。在該項目中，擬通過探索低熱發電系統的低沸點媒介物，來提高余熱回收效率；還通過開發降低發電設備的成本及體積的技術來解決以上問題。Kalina循環發電技術使用溫度約100℃的廢熱發電，住友金屬已于1999年引進該技術并實現工業化，以氨和水的混合液回收轉爐煤氣除塵冷卻水100℃的低溫余熱，產生蒸汽發電，目前正在其各廠推廣中。但卻存在設備成本較高，廢熱回收效率較低等問題。

（3）相變材料儲熱技術

利用某些物質在相變過程中的吸熱和放熱現象，進行熱能儲存和溫度調控，具有熱能儲存和溫度調控功能的這類物質稱為相變材料或潛熱儲能材料(LTES)。相變材料具有能量密度較高、所用裝置簡單、使用方便、易于管理的特點。利用相變材料可以從環境吸收熱量或向環境放出熱量，從而達到熱量儲存和釋放的目的，諸如石臘、三水醋酸鈉等都可用作相變材料［4］。如果能夠使用絕熱容器運輸PCM材料，可減小運輸途中的熱損失。把鋼鐵廠中發生的不易回收的廢熱存儲在PCM材料中，有望成為CCS技術所需的能源。

（4）熱泵技術

為了將中低溫廢熱作為化學吸收法所需的熱源加以有效利用，計劃進行熱泵利用技術開發。熱泵是由能量（動力、熱）作用產生溫度差的裝置，將余熱本身的溫度和環境溫度差作為工作驅動力，不用從外部投入能量，就可制取高溫熱源。雖然現在有許多應用實例，但對于目前尚無法利用的低溫余熱，如果使用熱驅動熱泵，可期待將其一部分能量用于分離和回收CO2。

4　2013～2017年的研究課題

2013年進入第二階段研究，計劃于2017年結束。目前，已在君津廠建設了10 m3的試驗高爐，日產量為35 t左右，用該爐子進行工業試驗及研究，具體內容包括［5］：

（1）在氫還原鐵礦石技術方面，使用新建的10 m3試驗高爐研究氣體噴吹優化和進一步提高冶煉效率的技術；

（2）在10 m3試驗高爐上對COURSE 50項目進行評估；

（3）開發未利用余熱的高效利用技術，進行化學吸收法與10 m3試驗高爐的聯動試驗，詳細設計物理吸收法的實際設備生產 （50萬t/a×2系列）工藝；

（4）通過提高整體優化評價，確立減少CO2排放量達30%的技術；

（5）開發在高爐達800℃以上的溫度條件下，降低焦爐煤氣甲烷含量的技術。

5　結語

COURSE 50項目第一階段的研究任務已圓滿完成，從2013年開始已進入第二研究階段。小高爐試驗研究證明，高爐噴吹改質焦爐煤氣能夠降低碳耗，即能夠減少CO2排放；高爐噴吹焦爐煤氣不僅有降低焦比和還原劑比的效果，而且沒有發生燒結礦嚴重粉化的現象。雖然至2030年才推廣應用COURSE 50技術，但其中一些支持技術非常有意義。譬如Hypercoal技術，隨著該技術的開發成功，使低等級煤大量用于煉焦中成為可能，這對提升企業競爭力和鋼鐵企業的可持續性發展具有戰略意義。鋼渣顯熱回收技術、低溫余熱發電技術、相變材料的利用技術和熱泵利用技術，這些技術的開發成功對企業節能減排和提升企業競爭力非常重要。

［1］Shiro WATAKABE,Kazuya MIYAGAWA,Shinroku MATSUZAKI,et al.Operation Trial of Hydrogenous Gas Injection of COURSE50 Project at an Experimental Blast Furnace［J］. ISIJ International,2013,53（12）：2 065-2 071.

［2］Yuko Nishibata,Kanji Matsudaira,Masaru Nishimura,et al.Effect of Hyper Coal addition to coal on coke quality［C］//The Iron and Steel Institute of Japan,ICSTI,2006:640-643.

［3］胡俊鴿，郭艷玲，周文濤，等.日本Hypercoal技術現狀及其在煉焦中的應用［J］.上海金屬，2014，36（4）：38-42.

［4］Takahiro NOMURA,Teppei OYA,Noriyuki OKINAKA,et al. Feasibility of an Advanced Waste Heat Transportation System Using High-temperature Phase Change Material(PCM)［J］.ISIJ International,2010,50（9）：1 326-1 332.

［5］全榮，日本環境和諧型煉鐵工藝技術（COURSE50）的研發進展［N］.世界金屬導報，2014-01-07（第B01版）.

（編輯 賀英群）

Current Situatoin of R&D on COURSE 50 Technology in Japan

Hu Junge，Zhou Wentao，Dong Gang
（Iron&Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China）

The COURSE 50 technology consisting of ironmaking process in BF by introducing hydrogen and the relevant supporting process as well as the process for CCS from BF gas is described.Meanwhile the current situation of the developments on the COURSE 50 technology is discussed,concerning the laboratory-based research results on the ironmaking process in BF by introducing hydrogen,experiments and experimental results based on the small blast furnace in Sweden,the latest progress of R&D on both the technology for improving the quality of coke oven gas and the Hypercoal technology,the current situation of R&D on both the process for separating and recovering CO2from BF gas and the relevant supporting process as well as the research subjects of the COURSE 50 programme from 2013 to 2017.At last it is concluded that some supporting processes are of great strategic significance for improving the competitiveness of an enterprise and promoting the sustainability development of the iron&steel industry.

COURSE 50;reduction of CO2emission;blast furnace;injection of COG; ironmaking by introducing hydrogen

TF543

A

1006-4613（2015）01-008-05

胡俊鴿，碩士，高級工程師，1990年畢業于東北工學院鋼鐵冶金專業。E-mail:hjgasr@126.com

2014-09-22