| 摘要：钢铁生产是温室气体及其它污染物排放的一个主要来源，在铁矿石资源衰减、钢铁价格波动及环保压力增大等多重因素制约下，亟需对钢铁生产行业进行转型升级。阐述氢气在钢铁生产中的应用情况，包括各个生产工艺中氢气的产生、使用、参与程度及发展趋势。指出基于氢气的直接还原技术是实现钢铁生产过程节能减排的最佳方案之一。 前言 钢铁工业是国民经济发展的基础性产业，是技术、资金、资源、能源密集型产业，产业关联度大，对国民经济、国家安全各方面都有重要影响，对完善国民经济产业支撑，保障国家安全，提升国际地位有着极其重要的作用,一直以来钢铁工业的还原剂是碳，但是其能源消耗巨大、环境污染严重，自第一次能源危机以来，钢铁工业把节能作为降低成本、增强竞争力的动力，继而开始了用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术的研究,有望 1、氢在钢铁生产中的应用炼铁是将金属铁从铁的氧化物中还原出来，需要用到焦炭（C）、H2、CO等还原剂。炼铁的最终产物是生铁，又叫铁水。炼钢则是将生铁中多余的碳、硫、氧等元素除去。氢气在钢铁行业中主要有两个用途：一是作为中间产物，二是在冷轧时作为保护气体。 1.1炼焦 炼焦是冶金之前的重要工艺，是煤炭在高温缺氧条件下生成焦炭的过程。焦炭用于下一步炼铁；同时此过程会伴随着含有55% ~ 60% H2的焦炉煤气产生，产生的焦炉煤气有一半用于回炉助燃在本行业内部消耗，其余的会进入到化工等行业，国内山钢、泰钢、鞍钢等集团利用焦炉煤气通过变压吸附制备纯净的H2，成本为1元/m3。 1.2炼铁 1.2.1高炉法 高炉法工艺简单、产量大，此法生产的铁占世界总量的95%以上。高炉炼铁工艺流程如图1所示。 图1 高炉炼铁工艺流程 从图1中可知，将铁矿石、焦炭、石灰石等熔剂按规定的配比装入炉内，焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构，从炉子下部鼓入热空气。焦炭同鼓入的热空气生成CO和H2，从而还原得到铁，并在高温下成为液态，得到的铁水被装入鱼雷式罐车中作为炼钢的原料。产生的高炉煤气从炉顶导出，经除尘后作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料，高炉煤气中约含有1% ~ 4%的H2。 1.2.2熔融还原法 熔融还原法炼铁主要有Corex工艺法和HIsmelt工艺法，Corex工艺流程如图2所示。 图2 Corex工艺流程图 该工艺分为气化炉和还原竖炉两部分，煤进入到气化炉内生成炭、焦油、苯酚等物质，这些物质会直接分离，同时底部会吹入O2生成含量95%的CO和H2优质还原气体，还原气体经过除尘器进入到还原竖炉里将矿石还原成海绵铁，其还原率达92% ~ 94%，热的海绵铁会再进入到气化炉进一步还原生成铁水和炉渣。此方法产生的Corex煤气中含10% ~ 30%的H2，它的缺点是耗煤量比高炉炼铁高。 HIsmelt工艺完全舍弃了焦化厂和烧结厂，是利用非焦煤和铁矿粉直接喷射的方式，是当今的前沿技术，它的核心技术是熔融还原炉(SRV)，HIsmelt工艺流程图如图3所示。 图3 HIsmelt工艺流程图 该炉分为上部和下部两个区域。炉下部的高温铁水熔池中，在高温下C熔解在铁液中并与铁氧化物反应生成CO，煤挥发裂解产生H2和喷吹物料载体的N2在上升过程中是高温液态渣铁混合成“涌泉”。在上部的燃烧区，喷入的热风会与CO、H2反应放出热量，使“涌泉”回到下部为铁水熔池提供热能。连续喷入的矿粉、煤粉维持反应的连续。这种技术极大地简化了工艺流程，是降低污染和温室气体排放的最简单工艺，该技术源自澳大利亚，至今已经有40年的历史，国内已经有企业掌握该技术。 1.2.3直接还原法 直接还原法中气基法是比较成功的，主要有Midrex工艺和Finex工艺两种，Midrex工艺流程如图4所示。 图4 Midrex工艺流程图 此工艺的还原气是天然气经催化和炉顶煤气裂化得到的。含70% H2和CO的炉顶煤气加压后进入 Finex工艺流程图，如图5所示。该法利用变压吸附除去煤气中的CO2，剩余气体作为还原剂用于流化床反应器，以此来提高铁矿粉的还原率。输出到气化炉内的煤经燃烧分解得到CO和H2把流化床上的铁矿还原，之后对铁和非焦化煤进行压块转入气化炉，压块煤在炉内产生热量把热压铁块熔化成铁水和炉渣，粉矿和非焦化煤中的硫份在固体状态下以无害化随渣排出。 图5 Finex工艺流程图 1.3炼钢 1.3.1转炉炼钢 转炉炼钢主要用O2，不需要其它燃料，此过程将产生H2含量为0.2% ~ 0.3%的转炉煤气。 1.3.2电炉炼钢 电炉炼钢是利用电能做热源进行冶金，分为电弧炉、感应炉等，世界上电炉钢产量的95%都是用电弧炉生产，电炉炼钢在炉内可以营造氧化气氛和还原气氛，其冶炼过程分为熔化期、氧化期、还原期。熔化期主要是使全部炉料熔化;氧化期主要吹O2进行脱P、脱C;还原期根据炉衬性质的不同选择不同的还原剂，酸性炉主要使用CO和H2混合气体作为还原剂，这个工序主要是脱O和调整成份。电炉炼钢可大幅度节能、节水并大幅度减少废水、废气、废渣的排放，从废钢使用量上看，转炉使用废钢比例为30%，电炉比例为100%。有研究表明，与长流程相比，短流程废气排放量下降95%。它的主要原料是废钢，2018年国内钢铁企业废钢消耗总量为1.41亿吨，同比增幅39%，废钢回收在钢铁总产量中所占的比例预计将更快地增长，从目前的23%增长到2030年的29%，到2050年将增长到47%。 2、钢铁行业的产、耗氢总量目前钢铁行业的产、耗氢情况，如图6所示。钢铁行业约每年生产1400万吨含H2副产品，其中高炉炼铁每年约使用为900万吨，约占全球混合氢使用量的20%，电炉炼铁约每年消耗400万吨，占全球混合氢使用量的10%。 图6 钢铁行业的产、耗氢情况 3、多氢少煤生产钢铁示范项目 炭冶金： 2Fe2O3 + 3C == 4Fe + 3CO2 （1） 氢冶金： Fe2O3 + 3H2 == 2Fe + 3H2O （2） 从化学反应方程式可知，炭冶金的最终产物是CO2，钢铁工业CO2占全国总排放量的11.2%左右，高炉炼铁CO2排放为73.6%，而氢冶金的还原剂为H2，最终产物是H2O,真正做到了CO2零排放，所以将炭冶金改为氢冶金是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。 瑞典的SAAB公司联合开发的HYBRIT项目将H2代替煤炭作为还原剂来生产钢铁的，目的就是“完全取代”传统铁矿石的生产方式，此项目即将进入中试阶段，预计2045年达成实现非化石能源炼钢的目标。到2030年，直接还原铁的H2需求量会增加1倍，到2050年使用HYBRIT项目会使H2需求量增加15倍。 HYBRIT项目使用H2作为还原气体来还原特制的铁矿球团，除了一些中间产物、海绵铁或直接还原铁外，炉顶只有水蒸气排出。现在浦项也正在发展将Finex工艺、炼钢、铸轧相结合的POIST工艺。 日本也一直在通过创新COURSE50项目来减少炼铁工艺中CO2的排放量。 澳大利亚正在研发一种氢等离子熔融还原技术，是用H2和Ar作为还原剂的一种方法，技术评估表明利用这种技术生产的钢比传统工艺生产的钢价格下降20%。 钢企有很多生产方式可以与氢能利用相结合，除前述方法之外，还可将制氢加入热电联产中形成储能，以及使用氢气作为氛围气体等。 4、发展趋势钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业，氢能具备帮助钢铁企业节能减排、完成转型的潜力，加之氢能行业是刚处于起步阶段的行业，钢铁企业为氢能提供了更多的落地应用机会，有着良好的示范效应和应用前景，能够吸引更多行业涉足氢能与精品钢制造。将氢气加入钢铁企业的产业链中，能够升级传统钢铁制造、扩大氢气的使用量、有效利用废钢以及减少铁矿石的使用量，将形成产业结构和能源结构的双赢局面。 来源：CEA氢氢子衿 免责声明：氢云链致力于好文推送，尊重原创，版权归属原作者所有，如涉及作品版权烦请联系我们予以删除！ |
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