日本COURSE 50技术研究现状

胡俊鸽，周文涛，董刚（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

综 述

日本COURSE 50技术研究现状

胡俊鸽，周文涛，董刚
（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

介绍了日本COURSE 50技术，包括高炉氢气冶炼及其支持技术以及从高炉煤气捕集、分离和回收CO2的技术（CCS）。阐述了高炉氢气冶炼及其支持技术开发现状，主要包括高炉氢气冶炼技术的实验室研究结果、瑞典小高炉工业试验及结果以及焦炉煤气改质技术和Hypercoal技术的研究现状，高炉煤气分离回收CO2的技术及其支持技术开发现状以及COURSE 50于2013～2017年的研究课题。指出其中一些支持技术对提升企业竞争力和促进钢铁企业的可持续性发展具有很大战略意义。

COURSE 50；CO2减排；高炉；焦炉煤气喷吹；氢气冶炼

COURSE 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，新日铁住金、神户制钢、JFE钢铁和日新钢铁等合作研究。COURSE 50研发分2个阶段，第一阶段为2008～2012年，第二阶段为2013～2017年。至2030年，使所开发的技术达到工业化推广应用水平。

1　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。

2　高炉氢气冶炼及其支持技术开发现状

2.1高炉氢气冶炼技术开发现状

日本的高炉氢气冶炼技术即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以提高还原效率,而且还具有较好的减排CO2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。目前已完成了实验室基础性研究及小高炉工业试验研究。

2.1.1实验室研究结果

至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：

（1）研究发现，向高炉喷吹改质焦炉煤气的情况下，可以大幅度提高铁矿石还原率。

（2）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。

（3）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200 m3/t，在炉身喷吹改质焦炉煤气有降低高炉碳耗的可能性。

2.1.2瑞典小高炉工业试验及结果

（1）试验目的及瑞典LKAB试验高炉简介

2013年上半年在瑞典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。

LKAB试验高炉的工作容积为9.0 m3，炉喉和炉缸直径分别为1.0 m和1.5 m，3个铁口，无料钟炉顶；另外，除了炉缸风口外，还设有炉身上部风口和炉身下部风口。热风可加热到1 200℃，可喷吹煤粉、石油和各种气体。

（2）工业试验简介

富氢改质焦炉煤气通过炉身下部3个风口喷吹进高炉。普通焦炉煤气通过炉缸风口喷进高炉，以充分利用CH4的燃烧。炉缸风口喷吹焦炉煤气时，使用同轴喷枪，煤粉走内管，以N2作载气，焦炉煤气走外管。

普通焦炉煤气成分为 57%H2，31.3% CH4，11.7%N2，富氢改质焦炉煤气成分有2种：1种为77.9%H2、22.1%N2和77.9%H2，另1种为10% CO、12.1%N2、当含有CO时，添加H2S以减少碳沉积，添加量最多为0.01%。

在喷吹焦炉煤气时，必须提高富氧量，以补偿碳氢化合物分解所需要的热量，从而保持理论燃烧温度不变。这样导致上部温度降低，延长了烧结矿滞留时间，易使烧结矿发生粉化。另外，氢气也易使烧结矿粉化。为了防止烧结矿在低温下粉化，把部分热态炉顶煤气从炉身上部3个风口喷进高炉以便于控制温度。

表1表示喷吹气体条件汇总［1］。从炉缸风口、炉身上部风口和炉身下部风口各选3个风口喷吹焦炉煤气（COG）、改质焦炉煤气（RCOG）和热态炉顶煤气，各排所选风口的方向相同。

表1　喷吹气体条件汇总

2013年4月26日开始试验，于5月11日结束。目标喷煤率为128 kg/t，试验期间产量基本不变。第一阶段为启动试验，时间为7天，铁料为球团；之后进入基准期，时间为5天，使用70%烧结矿和30%球团矿，并混装小焦。

操作稳定后，于4月28日开始从炉缸风口喷吹焦炉煤气，喷吹量为100 m3/t；同时调整富氧量，保持理论燃烧温度不变；降低喷煤量。喷焦炉煤气后从炉顶收集的炉尘中观察到有碳存在。

5月6号开始喷吹预热到770℃的改质焦炉煤气，开始喷吹时改质焦炉煤气化学成分为77.9%H2、22.1%N2，起初喷吹量为150 m3/t，之后把喷吹量调整为200 m3/t，最后在喷吹量为200m3/t的情况下，把煤气成分调整为77.9%H2、10%CO、12.1%N2。

在喷焦炉煤气和改质焦炉煤气期间，从炉身上部风口喷吹热态炉顶煤气，温度为800℃，喷吹量为100 m3/t。

（3）试验期间试验高炉操作数据及结果

表2表示基准期、喷吹COG期和喷吹RCOG期的操作数据。

表2　基准期、喷吹COG和喷吹RCOG期间的操作数据

由表2可见，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气体利用率降低；而氢气利用率在喷焦炉煤气时升高，在喷改质焦炉煤气时下降。

另外试验发现，热态炉顶煤气从炉身上部风口喷吹24 h后，高炉炉顶煤气温度开始升高。

（4）喷吹气体径向渗透深度及烧结矿粉化情况

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。各种情况下烧结矿粒度的变化情况见图1。

由图1可知，各种试验条件下的烧结矿粒度变化与基准期的情况基本相同。

2.2支持技术开发现状

2.2.1焦炉煤气改质技术

日本的焦炉煤气含氢气量通常达50%以上，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。

研究了通过对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10 m3/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。重点研究了Ni-MgO系催化剂，发现在实验室不同条件下，焦油分解率大约在20%～80%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。2.2.2 Hypercoal技术

在COURSE 50项目中，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，COURSE 50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，用作配煤粘结剂可生产出高反应性高强度焦炭，满足COURSE 50技术中高炉喷吹焦炉煤气对焦炭的要求。

使用Hypercoal作配煤粘结剂可大大提高低价弱或非粘结煤在炼焦配煤中的比例，甚至在确保焦炭质量情况下可几乎全部使用弱或非粘结煤配煤。Hypercoal技术既能帮助钢铁企业应对将来粘结煤资源的短缺，又有利于降低生产成本。

神户钢铁公司与JCOAL（Japan Coal Energy Center：日本煤炭能源中心）等正在合作开发研究该技术［2］。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［3］。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，以便更有效提高焦炭强度。

3　高炉煤气分离回收CO2的技术及其支持技术开发现状

3.1高炉煤气分离回收CO2技术

在COURSE50项目研究中，首先研究了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1 t CO2/d的小型实验设备基础上，开发了规模为30 t 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）的指导下，研究开发了性能优良的新型胺类吸收液和催化剂。

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，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。

3.2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）的利用技术、热泵利用技术。

（1）钢渣显热回收技术

从1 200～1 600℃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。

（2）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。在该项目中，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及体积的技术来解决以上问题。Kalina循环发电技术使用温度约100℃的废热发电，住友金属已于1999年引进该技术并实现工业化，以氨和水的混合液回收转炉煤气除尘冷却水100℃的低温余热，产生蒸汽发电，目前正在其各厂推广中。但却存在设备成本较高，废热回收效率较低等问题。

（3）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，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，诸如石腊、三水醋酸钠等都可用作相变材料［4］。如果能够使用绝热容器运输PCM材料，可减小运输途中的热损失。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。

（4）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，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。

4　2013～2017年的研究课题

2013年进入第二阶段研究，计划于2017年结束。目前，已在君津厂建设了10 m3的试验高炉，日产量为35 t左右，用该炉子进行工业试验及研究，具体内容包括［5］：

（1）在氢还原铁矿石技术方面，使用新建的10 m3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；

（2）在10 m3试验高炉上对COURSE 50项目进行评估；

（3）开发未利用余热的高效利用技术，进行化学吸收法与10 m3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t/a×2系列）工艺；

（4）通过提高整体优化评价，确立减少CO2排放量达30%的技术；

（5）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。

5　结语

COURSE 50项目第一阶段的研究任务已圆满完成，从2013年开始已进入第二研究阶段。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COURSE 50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中成为可能，这对提升企业竞争力和钢铁企业的可持续性发展具有战略意义。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。

［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］胡俊鸽，郭艳玲，周文涛，等.日本Hypercoal技术现状及其在炼焦中的应用［J］.上海金属，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］全荣，日本环境和谐型炼铁工艺技术（COURSE50）的研发进展［N］.世界金属导报，2014-01-07（第B01版）.

（编辑 贺英群）

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

胡俊鸽，硕士，高级工程师，1990年毕业于东北工学院钢铁冶金专业。E-mail:hjgasr@126.com

2014-09-22