我国钢铁行业以高炉-转炉长流程为主,一次能源消耗主要为煤粉与焦炭,化石能源消耗大、碳排放高,其中70%的CO2排放集中在高炉炼铁工序。双碳背景下,亟需研发低碳炼铁技术以降低高炉工艺的能源消耗和CO2排放。提出一种生物质重整煤气喷吹-氧气高炉(BRGI-OBF)工艺流程,该工艺通过优化气化炉工艺参数与生物质替代煤粉重整,产生的重整煤气满足高炉的富氢冶炼需求,并降低了化石能源的使用。结合高炉煤气富氧燃烧碳捕集,可实现末流烟气中CO2富集,从而实现高炉低能耗与低碳(负碳)排放。为分析BRGI-OBF工艺的低碳潜力,首先运用AspenPlus搭建了BRGI-OBF工艺模型,研究了气化炉输入热量与生物质种类对工艺性能的影响。基于计算得到的工艺参数,运用高炉炼铁工艺能耗计算方法,对比分析了传统高炉工艺与炉顶煤气循环-氧气高炉(TGR-OBF)工艺的能耗与碳流情况。结果表明,向气化炉提供适宜的热量可有效减少煤粉用量,同时增加循环煤气量,最多可减少煤粉用量124.2kg/t(以生铁计);生物质种类对生物质用量与重整煤气的组分产生显著影响,采用杨木半焦进行重整时,杨木半焦用量为204kg/t,重整煤气中H2体积分数达29.91%,满足富氢冶炼需求。此外,BRGI-OBF工艺显著改善了能源结构,其化石能源占比约55%,与传统高炉相比,降低煤粉消耗17.6%、焦炭消耗29.3%。该工艺流程耦合富氧燃烧碳捕集技术后,末流中存在碳素372.6kg/t,以易于压缩捕集的高浓度CO2(>90%)形式存在。扣除由杨木半焦造成的碳素排放,总碳素排放为-109.9kg/t,相当于生产每吨铁水可额外捕集CO2403kg,可实现生物质+CCS的负碳技术,为钢铁行业实现深度脱碳提供重要支持。

毛文超(1998—),男,江西南昌人,博士研究生。E-mail:d202380575@hust.edu.cn

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毛文超,黄志辉,张泽武,等.生物质重整煤气喷吹-氧气高炉的低碳潜力分析[J].洁净煤技术,2024,30(8):138-149.