钢铁工业是能源密集型产业，CO2排放量大。采用传统钢铁生产工艺路线，无法避免CO2的大量排放。高炉炼铁过程中产生的CO2在整个联合钢厂生产工序中所占比例最大。自20世纪50年代，欧洲致力于改进高炉炼铁技术，还原剂比已由当时大约1000kg/t降至现在的500kg/t左右。

由于高炉传统生产工艺操作受到热力学制约，无论对高炉工艺路线做出多大的改进，CO2减排的效果也并不明显。因此，迫切要求开发出新的突破性炼铁技术，以大幅度降低碳耗，从而减少CO2排放。

本文简要介绍了ULCOS-BF(高炉炉顶煤气循环利用)工艺的发展。该工艺使用氧气和富集CO的高炉炉顶煤气代替热风，将脱除CO2后的炉顶煤气经风口吹入炉身下部，将分离的CO2储存在地下(CCS工艺)。

1、ULCOS项目

欧盟正在开发超低CO2炼钢(ULCOS)生产技术。该项目于2004年开始启动，来自欧洲15个国家共48家企业和机构参与到该项目中。

ULCOS项目主席由安赛乐•米塔尔公司担任，指导委员会由欧洲主要钢铁公司组成，包括安赛乐•米塔尔公司、蒂森•克虏伯欧洲钢铁公司、塔塔欧洲钢铁公司、萨尔茨吉特-迪林根公司、里瓦公司、劳塔鲁基钢铁公司、瑞典钢铁公司和LKAB。

ULCOS项目研发团队制定的目标是开发出比现在CO2排放量至少减少50%的钢铁生产突破性技术。为了找到最佳工艺路线，该团队针对四种不同的ULCOS工艺进行深入研究。这四种工艺分别是ULCOS高炉炉顶煤气循环利用(ULCOS-BF)工艺、HISARNA熔融还原工艺、ULCORED直接还原工艺和ULCOWIN/ULCOLYSIS电解工艺。

2、ULCOS-BF工艺

在高炉炼铁领域，开发出了能够大幅度减排CO2的多项技术，如高炉炉顶煤气CO/H2循环利用技术、生物能利用技术、H2替代CO技术、DRI应用技术、低碳电能使用技术和CCS应用技术。

经过对上述技术进行认真研究之后，ULCOS项目研发团队最终决定深入研究炉顶煤气循环利用(ULCOS-BF)技术结合CCS技术。ULCOS-BF技术主要特点如下：

1)循环利用含有CO和H2成分的高炉炉顶还原煤气;

2)用低温纯氧代替热风从炉缸风口吹入;

3)使用来自于焦炭和喷吹煤中的低碳燃料;

4)高炉炉顶煤气中的CO2回收后存入地下。

根据这些特点，制定了四种高炉炉顶煤气循环利用方案，并进行数学模拟。为了判断各种方案的节碳效果，进行了多次计算，并在实验室条件下进行了冶金研究。该项目在瑞典LKAB厂实验高炉获得成功。

ULCOS-BF项目方案共有四种，方案一、方案三和方案四及其节碳情况见原创表1，表1中数值是以安赛乐•米塔尔公司比利时西德玛厂A高炉为例计算得到的。由于方案二节碳效果不好，因此被ULCOS项目研发团队否决了。

1)方案一

脱碳后的低温高炉炉顶煤气与氧气、煤粉经炉缸风口吹入，脱碳后的高温炉顶煤气经炉身风口吹入。

采用该方案，能够将由焦炭和煤粉带入的碳量减少21%。在该方案中至关重要的一点是在风口水平面上会残留有少量煤气，因此与传统高炉工艺相比，回旋区较小，火焰温度较高。此外，由于煤气流速较慢及喷吹低温煤气，因此需要重新设计风口。

2)方案三

仅将脱碳后的高温炉顶煤气与氧气、煤粉经风口吹入。采用该方案最高节碳量能够达到25%。为了达到这一目标，必须同时在低RAFT和高喷煤比条件下操作高炉。

3)方案四

将脱碳后的高温炉顶煤气从两个风口喷吹。采用该方案带入的碳量能够减少26%。

针对三种方案进行了非常全面的数学模拟，除了评价高炉内部工况以外，还开展了大量实验室试验，以便评价在新型炉顶煤气循环利用条件下不同含铁炉料的性能，并研究了热裂、软化和熔化行为以及积碳的影响。此外，利用CFD模型模拟回旋区条件。根据计算结果设计风口的几何形状，以防止在操作期间出现过热点及发生失效现象，并使气流具有足够的冲击力，以形成大深度回旋区。此外，为了找到合适的加热技术和绝缘材料，进行了实验室试验，以便对富含CO/H2的煤气进行加热。

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