基于重整煤氣噴吹-氧氣高爐的富氧燃燒碳捕集方案*

黃志輝 毛文超 李小姍 羅 聰 鄔 凡 張立麒

(華中科技大學能源與動力工程學院煤燃燒國家重點實驗室,430074 武漢)

0 引 言

面對氣候變化的全球性挑戰,我國提出了在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的戰略目標?！半p碳”目標既是我國積極應對氣候變化、推動構建人類命運共同體的責任擔當,也是我國貫徹新發展理念、推動高質量發展的必然要求。我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程生產為主,生產過程依賴煤炭作為能源和還原劑,造成CO2排放量占全國CO2總排放量的15%左右[1],面臨著巨大的CO2減排壓力。

目前,鋼鐵生產過程的CO2減排途徑有以下兩種:1) 減少以化石能源為主的含碳燃料輸入,從而降低最終CO2的排放[2-3];2) 使用碳捕集利用與封存(簡稱CCUS)技術進行兜底,將CO2從相關排放源中分離出來,進行封存、固化或資源化利用[4-6]。近年來,我國鋼鐵企業通過能效提升、能源替代和流程優化等措施減少含碳化石燃料的輸入[7-8],在CO2減排工作上取得了一定成果,但相關技術和方案的減排潛力有限,已逐漸進入發展的瓶頸期[9-10]。國際能源署(IEA)預測,到2050年,鋼鐵行業通過工藝改進、效率提升、能源和原料替代等常規減排方案后,仍將剩余34%的碳排放量,即使氫氣直接還原鐵技術取得重大突破,剩余碳排放量也超過8%。僅依靠減少源頭含碳燃料的輸入無法實現鋼鐵行業的碳中和,仍需要探討合適的鋼鐵行業CCUS方案。

長流程鋼鐵生產過程產生碳排放的工序眾多且碳濃度較低,碳捕集的難度較大,目前缺少經濟高效的碳捕集方案。在此背景下,本團隊通過前期研究發現,富氧燃燒碳捕集技術與隔絕N2的氧氣高爐工藝[11],尤其是采用氣化爐的氧氣高爐工藝[12-13]有著良好的承接性與耦合性,將它們進行耦合可以提高排放煙氣中CO2的體積分數,是鋼鐵生產過程低成本、大規模碳捕集的可行技術選擇。因此,通過引入氣化爐用于重整爐頂煤氣,改進現有爐頂煤氣循環-氧氣高爐(top gas recovery-oxygen blast furnace,TGR-OBF)工藝的爐頂煤氣循環方式,耦合富氧燃燒碳捕集技術,本研究提出一種基于重整煤氣噴吹-氧氣高爐的富氧燃燒碳捕集方案,旨在為鋼鐵行業的綠色低碳轉型提供一個可行方案。

1 鋼鐵行業碳捕集方案

1.1 富氧燃燒碳捕集

工業過程中捕集的CO2可以通過多產業協同利用或注入地下封存,所以對于鋼鐵行業來說,碳捕集技術環節是最關鍵的,其成本占CCUS總成本的40%～76%。目前,碳捕集技術主要分為以下三類:燃燒前碳捕集技術、燃燒后碳捕集技術和富氧燃燒碳捕集技術。其中富氧燃燒碳捕集技術是利用高純度氧氣混合循環煙氣代替空氣助燃,在燃燒過程中富集CO2,從而以較小的代價凈化和壓縮煙氣獲得高純度液態CO2的技術。目前富氧燃燒碳捕集技術主要應用在燃煤發電行業,具有相對成本低、易規?；?、對現有設備改動較小等諸多優勢,被認為是最有可能大規模推廣和商業化的碳捕集技術之一[14]。

在鋼鐵行業中,本研究創新地提出了以下應用方案:1) 使用氧氣高爐工藝產生的爐頂煤氣或煤氣的混合氣作為鋼鐵生產工序(煉鐵工序、焦化工序、鋼加工工序等)的燃料;2) 在燃燒過程中,使用純氧混合循環煙氣代替空氣助燃,富集CO2;3) 各燃燒過程產生的煙氣經過脫硫、冷凝和壓縮純化處理,得到純度高達98%的液態CO2,以備運輸、利用與封存。對應的方案流程如圖1所示。

圖1 煤氣富氧燃燒碳捕集方案流程

該方案具有以下應用優勢:1) 利用循環煙氣混合純氧助燃,可實現煙氣中污染物的超低排放[15];2) 對比于從煤炭到CO2煙氣的過程,在鋼鐵廠中從煤炭到煤氣再到CO2煙氣的過程,能夠充分利用高爐鼓氧和鐵礦石攜氧,減少富氧燃燒時所需要的純氧量,從而大大降低富氧燃燒碳捕集能耗;3) 最終捕集到高純度的液態CO2,便于通過管道輸送實現多產業協同利用或注入地下封存。

1.2 重整煤氣噴吹-氧氣高爐工藝

現有的TGR-OBF工藝為降低高爐固體燃料的輸入,循環了大量的爐頂煤氣導致作為燃料供應的煤氣量不足,需要為鋼鐵生產工序補充替代燃料。從整體鋼鐵生產流程來看,這并沒有減少源頭燃料的輸入,還會讓氮的循環聚集問題變嚴重。為了更好地耦合富氧燃燒碳捕集技術和解決相關問題,本研究對TGR-OBF工藝進行了改進,提出了重整煤氣噴吹-氧氣高爐(reformed gas injection-oxygen blast furnace,RGI-OBF)工藝。該工藝的特點是:1) 循環利用一定比例的爐頂煤氣,從爐缸風口處噴吹回高爐;2) 循環的爐頂煤氣不進行CO2脫除,預熱后先在氣化室中以煤炭作為還原劑還原其中CO2和H2O;3) 還原過程所需要的熱量由燃燒室富氧燃燒爐頂煤氣提供;4) 剩余爐頂煤氣作為燃料外供給高爐下游工序。改進前后爐頂煤氣循環工藝流程對比如圖2所示。

圖2 改進前后爐頂煤氣循環工藝流程對比

改進后的工藝具有以下優勢:1) 氧氣高爐噴吹氣化爐煤氣和重整煤氣的工藝早有研究,研究表明其相比于傳統高爐工藝具有更高的能量轉化效率和能耗優勢[12-13];2) 利用煤氣化技術重整爐頂煤氣后再循環,能夠減少循環的爐頂煤氣量,改善氮的循環聚集問題,更有利于煤氣的后續利用和碳捕集;3) 爐頂煤氣的燃燒供熱過程與富氧燃燒碳捕集技術結合,可實現煙氣中CO2的富集;4) 外供的爐頂煤氣可以保持高爐下游工序穩定進行。

1.3 方案流程

利用RGI-OBF工藝進行生鐵冶煉,并在各生產工序中耦合富氧燃燒的碳捕集方案,就是本研究提出的基于重整煤氣噴吹-氧氣高爐的富氧燃燒碳捕集方案。與以IGCC(整體煤氣化聯合循環)為基礎的煤基動力化工多聯產系統[16]類似,該方案流程將煤氣化、高爐煉鐵和富氧燃燒碳捕集等過程集成起來,可以實現煤炭的清潔低碳利用。具體方案流程如圖3所示,其涉及到的煤/CO2氣化技術早有研究[17-18],富氧燃燒碳捕集技術也相對成熟,可以降低流程重構的難度,為鋼鐵行業的綠色低碳轉型提供一個可行的方案。

圖3 鋼鐵行業碳捕集流程

2 節能減排潛力分析

為檢驗該方案的優勢,從高爐煉鐵工藝性能的變化和富氧燃燒碳捕集技術在鋼鐵生產過程中應用的影響出發,進行系統的節能減排潛力分析。

2.1 RGI-OBF工藝性能分析

2.1.1 高爐煉鐵過程建模計算

1) 模型搭建

在Aspen Plus中建立高爐靜態工藝模型,用于模擬計算煉鐵過程的基本工藝參數,其模型結構如圖4所示。該模型由高爐本體模塊和燃料噴吹模塊組成,高爐本體模塊根據物料在爐內進行的反應過程,將高爐本體從上至下劃分為4個區域。使用RGibbs和RStoic反應器模擬各區域物理化學反應;各區域的進出口用物流線聯結,使用SEP組分分離器模擬氣固逆流情況。燃料噴吹模塊負責模擬鼓風預熱、爐頂煤氣重整過程,其中氣化重整過程使用RGibbs反應器進行模擬。

圖4 高爐煉鐵過程模型結構

2) 模型驗證

利用生產高爐的實測參數[19]和Shell氣化爐的實際運行數據[20]對所建模型進行驗證,在相同操作參數的情況下,模型模擬結果與文獻試驗結果的對比情況見表1(表中kg·thm-1指生產1 t生鐵消耗的原料用量,依此類推)。由表1可以看出,除爐頂煤氣的CO體積分數外,其余模型計算結果與實際運行結果相對誤差均在5%以內,求得的風口理論燃燒溫度也在合理范圍內,由此證明所建模型具有一定的可靠性。

表1 模擬結果與文獻試驗結果的對比情況

2.1.2 兩種高爐工藝的模擬比較

調整燃料噴吹模塊,以生產1 t生鐵為基準,在表2所示的燃料條件下進行TGR-OBF工藝和RGI-OBF工藝的模擬計算。其中,TGR-OBF工藝的流程設計和相關參數(鼓風含氧率、預熱溫度、噴吹煤粉量等)的選取參考文獻[21],RGI-OBF工藝選取生產試驗中最可能實現的操作參數。除此之外,加熱單元的熱效率設定為86%[22],高爐散熱損失率控制在5%～8%。模擬計算結果如圖5所示。由圖5可以看出,RGI-OBF工藝在滿足物料平衡和熱量平衡的前提下,能得到一個合理穩定的冶煉參數,其操作條件也是可實現的;RGI-OBF工藝的本質仍是氧氣高爐,其焦比和爐頂煤氣熱值與TGR-OBF工藝的焦比和爐頂煤氣熱值基本相同;對比于TGR-OBF工藝,RGI-OBF工藝氮的循環聚集問題得到明顯改善,爐頂煤氣含氮量僅為2%～3%。

表2 燃料成分

圖5 兩種高爐工藝模擬計算結果

2.1.3 爐頂煤氣分配

RGI-OBF工藝產生的爐頂煤氣是較高品質的燃料,配合富氧燃燒最高可達到2 500 ℃的理論燃燒溫度,目前有以下三種用途:重整后噴吹回高爐利用;富氧燃燒后把熱量傳給重整煤氣;外供給高爐下游工序(焦化、燒結、鋼加工等),合理地將其分配利用是實現鋼鐵生產過程節能減排的關鍵。圖5b所示的情況是煤氣化過程中所需的熱量全部由燃燒爐頂煤氣提供,此時外供的煤氣量最少,而增加氣化室煤粉的用量(往氣化室中鼓入氧氣燃燒部分煤粉供熱)可以減少高爐工序對爐頂煤氣的消耗,增加外供煤氣量。在保證相同煤氣噴吹量的前提下,本研究對增加氣化室用煤量的過程進行模擬計算,結果如圖6所示。由圖6可以看出,當氣化室用煤量在123 kg～255 kg范圍內,氣化室用煤量每增加10 kg,就能夠減少31.9 m3的燃燒用氣和18.3 m3的循環煤氣,增加50.2 m3的外供煤氣。因此,通過調節氣化室用煤量,RGI-OBF工藝可以在一定范圍內控制外供煤氣量。

圖6 氣化用煤量對爐頂煤氣分配的影響

2.2 碳捕集能耗分析

2.2.1 不同應用場景

在燃煤電廠中采用富氧燃燒碳捕集技術,需要付出大量的純氧在煤炭的燃燒過程中富集CO2,同時將獲得的煙氣壓縮純化?？准t兵等[23]的研究顯示,600 MW傳統燃煤電廠改造富氧燃燒時,空分制氧能耗和煙氣壓縮能耗可占到電廠總電耗的58.54%和26.97%。而在鋼鐵廠中,煤炭經過高爐煉鐵過程轉化成了爐頂煤氣(主要成分為CO2和CO),其CO2的富集過程已經完成了相當一部分,此時只需付出較小的氧耗量就可以實現CO2的富集。以相同的煤炭利用量(碳元素含量)為基準,在Aspen Plus中搭建燃煤電廠和鋼鐵廠場景下CO2富集過程的工藝模型,比較在不同場景流程下富氧燃燒富集CO2所需的氧耗量。

所搭工藝模型如圖7所示,其中鋼鐵廠場景下采用圖5b中RGI-OBF工藝產生的爐頂煤氣作為燃料,燃煤電廠場景下煤粉用量設為100 kg,成分見表2,氧氣純度為95%,通過煙氣循環維持1 800 ℃的理論燃燒溫度。模擬計算結果見表3。由表3可以看出,相較于燃煤發電廠,在相同的煤炭利用量(碳元素含量)下,鋼鐵廠通過富氧燃燒完成CO2富集所付出的氧耗能低73%,產生的干煙氣CO2的體積分數也更高,可以實現更低成本的CO2富集,從而降低碳捕集能耗。

表3 不同場景下富氧燃燒情況

圖7 不同場景下的富氧燃燒碳捕集流程模型

2.2.2 不同碳捕集方案

鋼鐵行業中較為成熟的CO2分離技術有醇胺法(NCMA)和變壓吸附法(PSA),李維浩等[24]利用GB 21256-2013中的耗能工質折算系數,對這兩種CO2分離工藝在氧氣高爐系統上的應用進行了初步的能耗測算。利用相同的方法,可計算出富氧燃燒碳捕集技術富集CO2的能耗,與這兩種分離技術的能耗進行比較。計算結果及相關數據見表4和表5,其中捕集流體中CO2的體積分數采用建模計算的結果,其余數據選取生產試驗中最可能實現的操作參數。

表4 碳捕集情況對比

表5 CO2分離能耗

通過表5的計算可以得出各碳捕集方案分離CO2的能耗(處理單位流體),再除以各流體的CO2分離比,可以計算出分離單位CO2所需的能耗。但僅將CO2分離出來不是完整的碳捕集,要考慮后續的儲存和運輸就要將分離后的CO2壓縮液化,即考慮CO2的壓縮能耗。以捕集單位CO2為基準,計算各碳捕集方案的能耗,計算結果見表6。由表6可以看出,富氧燃燒方案單位CO2的捕集能耗是所有方案中最低的,為2 623.91 kJ/kg,比醇胺法的碳捕集能耗低51.4%,比變壓吸附法的碳捕集能耗低26.2%,是實現鋼鐵生產過程低成本碳捕集的可行選擇。

表6 各方案單位CO2的捕集能耗

2.3 碳減排潛力分析

2.3.1 最佳氣化用煤量

在鋼鐵生產過程中高爐煉鐵工序產生的爐頂煤氣會作為燃料提供給下游工序,而多余的部分會作為燃料用于發電。因此,為了更好地體現該方案的碳減排潛力,選擇一個合適的氣化用煤量,在保證外供煤氣量足以維持高爐下游工序燃料需求量的前提下,盡可能地降低高爐固體燃耗。下游工序中需要使用爐頂煤氣作為燃料的工序有焦化工序、燒結工序、球團工序和鋼加工工序,而轉爐煉鋼工序則會產生轉爐煤氣(LDG)替代一部分的爐頂煤氣。生產噸鋼各工序的燃料需求量=單位原料生產燃料耗量×噸鋼生產原料耗量,其中單位原料生產燃料耗量參考2021年鋼鐵行業主要生產工序能耗指標標桿值,噸鋼生產原料耗量采用高爐工藝模型模擬結果(見圖5b)。相關數據及計算結果見表7。

表7 各工序燃料消耗量標桿值

根據表7計算可以得出,生產噸鋼各工序的基本熱量需求為1 503.19 MJ,約223.8 m3的爐頂煤氣。結合2.1.3節的計算結果可知,RGI-OBF工藝的最佳氣化用煤量為123 kg/thm。此時,外供煤氣量可滿足各工序的熱量需求,且高爐固體燃耗最低。

2.3.2 碳流分析

為了評估基于重整煤氣噴吹-氧氣高爐的富氧燃燒碳捕集方案的減排潛力,以生產1 t鋼鐵為基準,基于碳元素的平衡匯制TGR-OBF冶煉系統和RGI-OBF冶煉系統的碳流。其中RGI-OBF工藝的氣化用煤量為123 kg/thm,TGR-OBF工藝下游工序使用煤粉作為爐頂煤氣的替代燃料,生產1 t鋼鋼材消耗1 t的生鐵。所得碳流如圖8所示。

圖8 鋼鐵冶煉系統碳流

由圖8可以看出,RGI-OBF冶煉系統生產每噸鋼材對應通過燃燒產生約1.5 t的CO2,這部分CO2可以通過富氧燃燒碳捕集技術進行捕集;對比于TGR-OBF冶煉系統針對煤氣重整工序進行的碳捕集,RGI-OBF冶煉系統針對其余工序燃燒過程進行的碳捕集能夠實現更大的CO2捕集量,對應的碳捕集能耗也更低(見2.2節計算結果)。

3 結 論

1) 改進后的RGI-OBF工藝除了可實現高爐低碳冶煉外,還可通過調節氣化室用煤量在一定范圍內控制外供煤氣量;爐頂煤氣含氮量降低為2%～3%,為耦合富氧燃燒碳捕集技術創造了條件。

2) 對比于燃煤電廠,在鋼鐵廠中可實現更低成本的富氧燃燒碳捕集;富氧燃燒碳捕集方案單位CO2的捕集能耗為2 623.91 kJ/kg,比醇胺法的碳捕集能耗低51.4%,比變壓吸附法的碳捕集能耗低26.2%;通過富氧燃燒碳捕集在理論上可實現鋼鐵生產過程零碳排放,對應生產每噸鋼材捕集1.5 t CO2。

3) 富氧燃燒碳捕集技術作為主流的碳捕集技術之一,與RGI-OBF工藝有著良好的承接性與耦合性,兩者耦合能夠在高爐低碳冶煉的基礎上,充分利用高爐鼓氧和鐵礦石攜氧逐級富集CO2,實現鋼鐵生產過程低成本、大規模的碳捕集,為鋼鐵行業綠色低碳轉型提供一個合理解決方案。

4) 本研究通過建模計算和碳流分析評估了基于重整煤氣噴吹-氧氣高爐的富氧燃燒碳捕集方案的節能減排潛力,初步驗證了該方案的優越性,但在煤氣化過程和富氧燃燒碳捕集技術的應用上,只是介紹了初步的方案,詳細的流程方案和關鍵技術還有待研究。