氢冶金与低碳经济

氢冶金技术与低碳经济

摘要：中国把排放数字与经济发展联系到一起，其意义在于将努力走低碳道路，发展中国经济。由于未来十年工业发展还将沿用传统的碳化发展方式，特别是钢铁工业按现在的发展方式，以现在的发展速度，二氧化碳的排放量成倍的增长，占排放总量20%以上，可见转变钢铁生产方式，势在必行。本文将通过热力学计算,对不同模式下用氢气取代碳以减轻熔炼炉下部热负荷的可行性进行了研究，研究发现：通过减少喷煤量和增加氢气喷吹量,使C：O小于1:1,能够达到减轻铁浴炉下部还原所需热负荷的目的；全氮熔态还原可以实现绿色冶金,但有待进一步开发。以及利用焦炉煤气生产直接还原铁，减少碳污染，减少碳排放，应积极推行和发展。

关键词：低碳经济；氢冶金；高温熔态；焦炉煤气

0 前言

钢铁工业属于资源、资金和科技密集型产业，包括了地质、采矿、选矿、炼铁、炼钢、轧制和金属制品等系列工程，是生产、经营、科技和经济的综合体。钢铁制造过程在消耗大量原材料和能源的同时，也带动了机械、电力、化工、建材、交通、通讯、商业、文教、卫生、房地产和农副产品等部门和行业的发展。无论实在过去和现在，还是在将来相当长的历史时期内，钢铁工业的发展水品仍是衡量一个国家工业化和现代化水品高低的重要标志之一。专家们估计，随着生产技术的不断发展，钢铁产品应用的日趋广泛和深入，世界钢材消耗量仍将占全部金属的95%以上。这一发展趋势将促使钢铁行业在环境友好、资源循环方面不断取得新进展，氢冶金将成为21世纪钢铁新技术的重中之重。

随着世界钢铁技术的发展和资源环境条件的变化，直接使用煤和铁矿石的熔融还原技术日益受到各国冶金工作者的关注[1]。以COREX工艺为代表的非高炉炼铁工艺的产业化,使熔融还原法的开发取得了突破性的进展,但是COREX流程仍存在较多问题,如能耗较高,不能彻底摆脱焦炭,不能处理高磷矿等。我国的铁矿资源以贫矿为主,开发可以直接利用粉矿的熔融还原新工艺,对我国炼铁技术的发展具有重大的现实意义。碳一直以来是钢铁工业最重要的还原剂,但同时也造成了二氧化碳的大量排放[2],随着人们环保意识的增强,由于二氧化碳排放造成的环境问题亟待解决。氢气作为一种优良的还原剂和清洁的燃料,其大规模制备技术将有望在本世纪得以实现,用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术的研究,有望彻底改变钢铁行业的环境现状,为钢铁工业的可持续发展带来了希望[3]。

1 氢冶金技术概述

碳冶金是钢铁工业传统发展方式的典型代表模式，高炉冶炼基本反应式为：

Fe

2O

3

+3CO==2Fe+3CO

2

。从反应式中不难看出，还原剂是碳，故称为碳冶金。

最终产物是二氧化碳. 氢冶金基本反应式Fe

2O

3

+3H

2

==2Fe+3H

2

O，可以看出，还原

剂为氢气，最终产物是水，当然二氧化碳是零排放。可见，将碳冶金改为氢冶金

发展方式，是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。

铁矿石的氢还原工艺包括低温还原和高温熔态还原两种工艺路线。流化床低温氢冶金直接还原技术的研究表明[4]：全氢还原气体消耗最大,利用率低,需要对原料进行预热,同时为了降低气体用,应采用多级流化床进行还原,以弥补单级流化床温降过低和气体利用率低的缺点；现有的铁矿石高温熔态还原工艺包括:铁浴法熔融还原[5][8]、COREX类熔融还原以及高炉等[6]。铁浴式熔融还原法可以直接使用粉矿进行全煤冶炼,它的突出好处在于可以处理廉价的高磷矿,但由于要在铁浴炉下部完成铁矿粉的还原与熔化,在铁浴炉的上部完成气体的二次燃烧,氧化气氛和还原气氛同时出现在一座熔炼炉内。如何使得上部燃烧充分而下部氧化铁的还原又不会出现二次氧化这对生产控制的要求很高;另外,铁浴炉上部二次燃烧产生的热要通过炉渣带人下部还原区,如何保证二者之间的热量迅速高效的传递, 也是需要进一步解决的问题。因此Hismelt存在氧化与还原矛盾和吸热与供热矛盾,而且高温尾气也带走了相当多的热,至今此类流程也未完全打通。如果向铁浴炉下部喷吹氢气,能否通过控制碳的燃烧率,用还原性能优良的氢气来代替碳作为还原剂,从而减轻碳热还原所需的热负荷,达到加快还原速度和降低碳耗的目的,如果这种想法可行,将会推动Hismelt等铁浴式熔融还原技术的发展。

2 高温熔态氢冶金技术

2.1 高温氢还原热力学计算

由式（1）、（2）和式（6）、（7）可以得到熔态下，H

和CO还原氧化亚

2

铁的平衡图[7]，见图1、2.由图1和图2可知，铁矿熔态还原平衡态气氛中的H 和CO含量要高于固态还原。在温度为1500℃时，用H

和CO还原熔态氧化亚

2

铁,平衡气相中的H2和CO含最分别为45.6％和81.8％.

2.2 高温氢冶金流程分析

向铁浴炉下部喷吹氢气,能否通过控制碳的燃烧率,用还原性能优良的氢气来代替碳作为还原剂,从而减轻碳热还原所需的热负荷,达到加快还原速度和降低碳耗的目的。如果这种想法可行，将会推动钒、钛等铁浴式熔融还原技术的发展。在此可分碳过剩、碳不足和全氢还原三种情况进行讨论,如图3所示。

2.2.1碳过剩

如图3（a）所示,向原铁浴炉中喷吹少量氢气,控制碳的燃烧率,使C：O大于1。高温条件下(1500℃),喷人铁浴炉内的氢气和煤粉可以很快地与氧化铁发生还原反应,如式(4)和式(5)。同时,高温下碳也与H2O发生反应。因此,在碳过剩的条件下,通过向铁浴炉下部喷吹H2不能降低还原反应的热负荷。由于通人高温区的氢气虽然能够与氧化铁反应,但同时碳也非常容易与H2O发生反应式,从而使H2O 又转变为H2。根据盖斯定,铁浴炉内的氧化铁还原反应的吸热量并未发生本质改变,高温条件下,这种反应同样需要吸收大量热。因此在碳过剩条件下,喷吹氢气不能减少下部还原区所需的热。

2.2.2碳不足

在1500 ℃碳不足的条件下,平衡气体成分中将会出现H2O和CO2,其含量多少与喷吹的氢气和煤粉比例有关,吹的氢气和煤粉比例有关,随着煤粉量的增加,平衡气体成分中的H2O和CO2不断减少,而CO和H2含量则不断升高，当C和H2的摩尔比大于2:1时,平衡气体成分中的H2O和CO2消失。因此,要想通过向铁浴炉中喷吹氢气,从而减轻氧化铁还原所需的热负荷,除非改变Hismelt现有的流程工艺,使铁浴炉内的碳处于不足状态,即控制碳的燃烧率,使C:O小于1：1。