鞍鋼集團(tuán)

　　1 制氫技術(shù)的突破為氫時代提供豐厚的氫資源，助力氫時代創(chuàng)新成果爆發(fā)式涌現(xiàn)，氫能煉鐵未來將顛覆鋼鐵工業(yè)。

　　為最近報道的兩項制氫技術(shù)點贊：1、瑞典的HYBRE名為;“突破性氫能煉鐵技術(shù)”旨在用可再生電力生產(chǎn)氫，如果順利將在2035年實現(xiàn)工業(yè)化;2、中國寶武集團(tuán)與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂核能制氫合作協(xié)議。以上兩項試驗項目共同目的是用不同的制氫方法為氫時代的發(fā)展提供大量的廉價氫資源。兩個項目的共同特點是以水為原料生產(chǎn)純氫，產(chǎn)品中不含碳，后續(xù)應(yīng)用過程中CO2排放為0，排放物是水。這是低碳生產(chǎn)、低碳生活共同需求。我們期盼兩項科學(xué)試驗早日成功，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

　　制氫技術(shù)與氫能冶金是兩個不同的跨界技術(shù)，制氫技術(shù)提供了氫能來源，而氫能冶金是將氫能應(yīng)用在冶金工業(yè)中的技術(shù)。應(yīng)該指出制氫技術(shù)為氫能冶金奠定了重要的原料基礎(chǔ)。

　　氫能煉鐵發(fā)展歷史已過百年，其核心技術(shù)為直接還原煉鐵技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展已趨于成熟，據(jù)了解單模塊直接還原鐵裝置的生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)250萬噸/年(美國NURCO鋼鐵廠)，這為全氫煉鐵、氫能煉鐵奠定裝備基礎(chǔ)。由此說，發(fā)展氫能煉鐵必須與直接還原煉鐵技術(shù)相結(jié)合，而我國發(fā)展直接還原煉鐵又必須與我國的氫資源條件相結(jié)合。

　　當(dāng)下，我國鋼鐵生產(chǎn)中，產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣，煤氣中含有60%H2是氫能煉鐵理想的氫資源，是優(yōu)于天然氣，煤制氣制氫等的最佳的氫資源。用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵是推動氫時代發(fā)展最現(xiàn)實，最接地氣的發(fā)展模式。

　　2 我國發(fā)展氫能煉鐵可行性研究

　　2.1 我國各大院校早在上世紀(jì)60-70年代，就已經(jīng)開始研發(fā)直接還原煉鐵技術(shù)，為直接還原鐵技術(shù)開發(fā)積累技術(shù)經(jīng)驗，后因我國天然氣短缺而停步，失去了發(fā)展的良機。各大鋼鐵企業(yè)重視直接還原鐵的生產(chǎn)和開發(fā)，如首鋼率先完成年產(chǎn)50萬噸直接還原鐵裝置的可行性研究報告。特別應(yīng)該提及是山西太行礦業(yè)有限公司已經(jīng)完成全部科學(xué)試驗、工業(yè)設(shè)計、設(shè)備制造，正在緊張施工，預(yù)計在今年8月份，年產(chǎn)30萬噸直接還原鐵廠即將投產(chǎn)(用焦?fàn)t煤氣制氫)。該裝置投產(chǎn)后將成為我國第一套用焦?fàn)t煤氣氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵的工業(yè)裝置，引領(lǐng)我國直接還原工業(yè)的新發(fā)展。

　　2.2 焦?fàn)t煤氣制氫用于合成氨屬我國首創(chuàng)。早在1976年，本溪化肥廠開展實驗室試驗、半工業(yè)性試驗，1979年獲得成功并在當(dāng)年建成年產(chǎn)18萬噸尿素化肥廠，該廠目前仍然正常生產(chǎn)。由此不難看出，焦?fàn)t煤氣制氫技術(shù)經(jīng)40年工業(yè)實踐證明該技術(shù)是先進(jìn)的、成熟的。該技術(shù)用于直接還原鐵的制氫、轉(zhuǎn)化、重整部分是最佳的選擇，采用國內(nèi)技術(shù)和裝備可以大大降低直接還原鐵裝置的建設(shè)投資。

　　2.3 我國鋼鐵流程由于歷史原因和煤資源的稟賦而形成長流程(BF-BOF)占99%，短流程(DR-EAF) 趨于0%，這樣的鋼鐵流程結(jié)構(gòu)應(yīng)該加以改變。但長流程的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的、高化學(xué)能的焦?fàn)t煤氣，為氫能煉鐵提供充足的氫源，從而推動我國鋼鐵流程的再造，顛覆式發(fā)展中國直接還原電爐煉鋼短流程工藝。

　　2.4 中國的鋼鐵工業(yè)要向高質(zhì)量、綠色鋼鐵方向發(fā)展。需要強調(diào)的是直接還原煉鐵就是氫能煉鐵，生產(chǎn)的鐵不與焦炭接觸，為純凈鐵(含S、P 在0.002以下)，適合在電爐中煉純凈鋼，可推動直接還原電爐煉鋼短流程的發(fā)展，催生純凈鋼、高質(zhì)量鋼材、高附加值鋼材的生產(chǎn)構(gòu)建。

　　2.5 據(jù)統(tǒng)計表明，長流程鋼鐵工藝(高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼)噸鋼CO2排放量為1600kg，短流程(直接還原-電爐煉鋼)噸鋼CO2排放量800kg。因為氫能煉鐵其化學(xué)反應(yīng)式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，氫能煉鐵最終產(chǎn)物是鐵和水，無CO2排放，可推動無碳煉鐵或低碳煉鐵的發(fā)展。

　　綜上所述，氫能煉鐵是保持中國鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量、綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

　　3 氫能煉鐵或直接還原煉鐵設(shè)計革命

　　早在1990年，Tanova-HYL公司，在半工業(yè)裝置上曾進(jìn)行過90%H2的直接還原煉鐵工藝試驗。試驗結(jié)果表明，新工藝的優(yōu)勢十分顯著。新工藝與核能制氫、HYBRET制氫技術(shù)相對接，將顛覆鋼鐵工業(yè)。

　　3.1 全氫直接還原工藝流程圖：

　　說明：

　　a 該流程中還原性氣體中H2含量達(dá)90%以上，可大幅度降低DRI能耗50%。

　　b 原料氣加熱重整過程產(chǎn)生的CO2，進(jìn)行重整或回收，CO2不外排。

　　c 原料氣經(jīng)加熱后噴入純氧，提高溫度到1000-1050度，提高DRI質(zhì)量(金屬化率達(dá)94-96以上)，并生產(chǎn)高碳DRI(含碳為4-6%)。

　　d 頂氣的一部分作為加熱器的燃料保持循環(huán)氣體成分的平衡。

　　3.2 傳統(tǒng)流程氫增幅工藝流程圖

 

　　說明;

　　a 用天然氣為原料的傳統(tǒng)還原工藝中，還原性氣體中含H2只能達(dá)到55-60%左右，為提高工藝效能向原料中加入純氫或焦?fàn)t煤氣，使原料氣中含氫量增加，可提高還原工藝效能。降低DRI能耗。

　　b 焦?fàn)t煤氣中含氫60%以上，合理加入原料氣中，保持氫含量的增加，降低DRI能耗。

　　c 在原料系統(tǒng)中增設(shè)增濕器，噴入水蒸汽，經(jīng)加熱后送入還原塔中，在純鐵催化作用下，發(fā)生水煤氣反應(yīng)，生成H2+CO，見反應(yīng)式;C H4+ H2O=CO+3 H2。

　　d 在循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)有CO2回收裝置，選擇性回收CO2，或純CO2商業(yè)出售。

　　3.3 對新設(shè)計工藝流程的工藝效能剖析

　　A圖：

 

　　A圖表明;

　　含H255%，DRI能耗為3.5GJ/ tDRI

　　含H2100%，CDRI能耗;1.4GJ / tDRI

　　HDRI能耗;1.0GJ / tDRI

　　B圖：

 

　　B圖表明;

　　DRI-EAF流程中;最高CO2排放量為，1200kg/tDRI。

　　當(dāng)氫增幅到80-90%，CO2排放量可降到 400kg/tDRI。

　　4 結(jié)論

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