ULCORED工艺：兼具CO₂捕集的先进直接还原铁生产技术

ULCORED工艺概述

ULCORED是一种直接还原（DR）工艺，在竖炉中利用天然气（NG）或煤气化还原气生产直接还原铁（DRI）。竖炉尾气经CO₂捕集后循环回工艺流程，高浓度CO₂流送入封存。DRI固体产品随后在电弧炉（EAF）中熔化。该工艺于2006年由LKAB、Voestalpine和MEFOS牵头团队主导设计。

ULCORED目标是降低生产DRI所需天然气消耗。通过用部分氧化（POx）替代传统重整技术实现。结合CCS装置，ULCORED较高炉路线平均水平可减排70% CO₂。

ULCORED核心概念是将CO₂从工艺气体中分离。其特点在于：采用CO₂捕集封存（CCS）技术，将气基直接还原工艺改造为温室气体（GHG）最小排放，同时实现能耗最小化。工艺设计允许CO₂提取封存，因此依赖类似工艺内捕集的CCS技术。

工艺基于利用转化炉将竖炉析出的一氧化碳（CO）转化为氢气（H₂）并配合CO₂移除装置，开启了工艺概念的新演进。

ULCORED直接还原工艺主要特征

① 使用氧气（O₂）代替空气，产生近100% CO₂尾气，仅需压缩；② 天然气需求可降低15%~20%；③ 煤、生物质、生物废弃物气化及氢气可替代天然气。

ULCORED概念旨在利用铁矿石和气基直接还原生产DRI，满足降低CO₂排放需求。概念包含：100%氧气、POx替代重整器、转化炉生产无CO₂还原/过量气体，还原剂为天然气或煤/生物质气化合成气。煤气化还原气可替代天然气。

基于天然气的ULCORED DR工艺

主要特征：① 无重整器；② 无加热器；③ 高压运行。高压使DR竖炉气体流速低、流化少、带出细粉少；CO₂移除和POx装置规模更小，循环压缩机功耗更低。

核心创新：用氧气替代空气，工艺气体中无或极低氮气（N₂）。重整由POx装置完成，对还原气调节（图1）。该技术以天然气部分氧化替代常规重整，降低生产DRI所需天然气消耗。POx反应：CH₄ + 0.5O₂ = CO + 2H₂，ΔH = -8.6 kcal/mol。

图1 部分氧化制取还原气

林德公司试验装置用新设计富氢原料气燃烧器进行两轮部分氧化试验。采用预热气体（60% H₂，40% CH₄）管式反应器。试验结论：① 燃烧器和反应器运行无问题；② 可获得无显著噪音的稳定火焰；③ 烟尘产生量预期<300~460 mg/Nm³（湿气体积）；④ 因常压运行，CO₂和CH₄含量高于基于假设平衡的预计算。升压至7 kg/cm²可降低该含量。

DR竖炉采用逆流操作：还原气从风口喷入，铁矿石从顶部冷装入。炉压6 kg/cm²，温度约900°C。竖炉尾气主要含CO、CO₂、H₂、H₂O。

竖炉尾气（主含CO、CO₂、H₂O）经转化炉（一级或两级）将CO转化为H₂。水煤气转化使还原竖炉获得高H₂含量。反应：CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂ + H₂。竖炉尾气中近乎全部CO转化为H₂，CO₂在CO₂移除装置中去除。过量气体产生增加CO₂移除装置和制氧动力需求。正确过量气体水平计算为迭代过程。预期2.2 Gcal/t-DRI过量水平可补偿额外动力需求，通过部分配气直送转化炉实现。旁路气量按还原竖炉还原气性质确定。系统气量增加致使转化炉和CO₂移除装置需追加投资。

转化炉中CO转化反应放热，高蒸汽气比、低温有利平衡转化，压力不影响。绝热系统中，出口温度决定可达CO滑脱。单床催化剂转化受平衡限制，反应进行高温最终限制进一步反应。两级系统（高温转化+低温转化+床间冷却）可克服。低温操作给出最有利热力学平衡，CO滑脱最小。现代制氢装置在低温转化反应器上游设冷却系统，使操作接近工艺气露点。需在露点以上留安全余量，确保冷却器中可能形成的水滴完全蒸发。

视蒸汽比，低温转化反应器可在190°C无冷凝顾虑运行。概念中顶部气体经高低温转化炉并中间回收热量。高温转化转化率97.2%，低温转化完成至99.5%。换热器加热循环气，热侧设定温差50°C设计容量。换热器余热通过冷凝器/再沸器产蒸汽入蒸汽网。

CO₂移除装置从气体中移除CO₂，产生富氢还原气循环回工艺。装置选择基于CO₂移除效率、H₂和N₂回收率分布。可用两种工艺：真空变压吸附（VPSA）或胺洗。选择取决于现场需求。若有余蒸汽，胺洗CO₂解析可用厂内蒸汽能而非VPSA所需电力。两技术各有优劣需深入分析，均适用ULCORED概念。因工艺本身高压，也可用变压吸附（PSA）替代VPSA。

工艺选择影响流程图和布局。VPSA含深冷及压缩至110 kg/cm²，每吨捕集CO₂耗电260 kWh。高性能胺（活化甲基二乙醇胺aMDEA）胺洗工艺完整流程（胺液+压缩至110 kg/cm²）每吨捕集CO₂需1.6吨低压蒸汽和160 kWh电力。

含N₂的净化富氢气部分排出工艺，防止还原气N₂积累。排气为宝贵燃气，可用于系统产蒸汽或供热。

基于天然气ULCORED工艺流程图见图2。

图2 基于天然气的ULCORED工艺流程图

基于煤气化的ULCORED DR工艺

ULCORED最大CO₂减排方案：煤气化炉生产合成气供DR装置，生产贫CO₂富氢气供厂内所有用户。该概念适用新建及改造系统。

煤基概念：采用现有煤气化技术生产还原气，配合冷法脱硫（现有技术）或热法脱硫。使用氧气替代空气，含CO₂封存。通过水煤气转化炉实现还原竖炉高H₂含量。过量H₂气供厂内其他用户。

煤气化成熟技术，预期为油气枯竭后未来能源转化关键技术。多种煤气化技术差异存在，但通常碳转化效率>80%。大优势：合成气使用前可高效净化（脱硫、脱汞等）。

因DR竖炉运行压力6 kg/cm²，气化炉气体经膨胀透平降压（30→6 kg/cm²）回收动力。

ULCORED DR工艺易与煤气化单元集成，发挥工艺概念独创优势。煤供气化装置，合成气经热法或冷法脱硫，净化合成气与净化富氢循环气混合，经DRI冷却器或高低温转化炉间换热器预热。

气化炉与ULCORED DR工艺集成有三种方式：冷合成气模式、利用热合成气热能模式、其他热能利用模式（图3）。通过净化合成气旁路直送转化炉，实现系统过量氢气生产。

图3 煤气化炉与ULCORED DR装置集成方案

氧气主要消耗于煤气化炉，竖炉前小POx装置亦消耗氧气，确保还原气正确温度。旁路转化气指旁路送转化炉气体，确保还原气正确组成（增加H₂量）。移除CO₂指CO₂移除工艺中从主流程分离的CO₂量。煤基ULCORED工艺流程图见图4。

图4 基于煤气化的ULCORED工艺流程图

煤气化炉和转化炉配合，可将部分合成气旁路直送转化炉，生成超出DR装置需求的气体。此特性可为钢厂生成贫CO₂燃料，使系统仅单一CO₂排放源，基本实现炼钢系统全量CO₂捕集封存。

ULCORED DR工艺现状

ULCORED DR工艺深度基础模型研究已完成，含球团尺度模型、竖炉模型、流程模拟流程模型。模型研究加深对DR工艺含动力学的根本理解。流程模拟优化工艺布局，适配钢厂环境。不同建模路径得出相似结果，为不同场景概念评价建立可信基础。已按1吨冷DRI产出（冶金度92%、C 2.76%）完成物料衡算、质量衡算、能量衡算及CO₂排放核算。

有趣选项：ULCORED DR装置生产低冶金度铁（LRI），配合常规或无氮高炉（BF）生产铁水（HM），额外减排CO₂。LRI可替代DRI，经LKAB实验高炉成功验证。LRI仅65%冶金度产品在高炉中表现极佳，炉况极稳定，焦比显著降低至200 kg/tHM以下。

研究结论：ULCORED DR工艺可成“天然气相对廉价”地区褐地改造减排“快速修复”方案。对高炉路线一体化钢厂，LRI是选择，经LKAB实验高炉验证成功。

ULCORED DR工艺需先试验，可利用LKAB规划在瑞典吕勒奥实验高炉旁新建的EDRP（实验直接还原试验）炉。EDRP规格：① 1 t-Fe/h产能；② 顶部气体循环；③ 竖炉工作压力0~8 kg/cm²；④ 气流量1700~3100 Nm³/h；⑤ 竖炉温度900~1050°C。

ULCORED经试验和示范规模验证可行后，有望成现有直接还原装置改造候选技术，但需10~15年甚至更久。