鹽城市聯(lián)鑫鋼鐵有限公司

1   氫冶金基礎研究

根據冶金反應過程的基本原理，氫冶金技術的研發(fā)務必要按照氫冶金熱力學、動力學以及工程學的理論去策劃。熱力學決定冶金反應過程的方向、平衡前提以及范圍，動力學探索冶金過程的速度、效率、激勵以及制約步驟，工程學探究冶金過程的宏觀輸送幾率、單元操作以及反應器特點；把這三個方面進行有機聯(lián)合，尋找到能夠有效提升反應效率的辦法，改善在實操中出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)工程化推行氫冶金的目標。

1.1 氫冶金概念的提出

氫冶金的定義是在碳冶金的觀念之上被提出來的。碳冶金是鋼鐵工業(yè)具有象征性的發(fā)展形式，冶煉的基本反應式是：Fe2O3+3CO =2Fe+3CO2，還原劑用的是碳，產出了二氧化碳。氫冶金的基本反應式是：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，還原劑是氫氣，最后產生了水，并且二氧化碳的排放量是零。長期以來，碳都是鋼鐵企業(yè)中最重要的還原劑，并且還能產生大量的二氧化碳，造成二氧化碳大量排放。非碳冶金的意思就是不用含有碳的物質作為燃料，不用含有碳的介質作為還原劑的冶金經過，氫氣是一個很好的還原劑以及清潔燃料，把氫氣代替碳用來當作還原劑和能量來源的氫冶金技術研發(fā)，可以扭轉鋼鐵行業(yè)現(xiàn)在的市場環(huán)境以及發(fā)展狀況，是發(fā)展低碳經濟最佳選擇，可以給未來冶金產業(yè)的長遠發(fā)展提供保障。

1.2氫冶金熱力學

溫度提升之后，平衡系統(tǒng)里面的CO和H2O的比例也會增高，H2和CO2的比例反而會降低，所以說升高溫度可以很好的提升氫氣的使用率。

碳太多的時候，只經過噴吹H2是不能把反應碳的熱負荷會減少的，在高溫條件下，氫雖然可以和氧化鐵產生反應，但是還可以和H2O產生反應，進而讓H2O再次蛻變成H2。

1.3氫冶金動力學

氫還原氧化鐵的動力學條件要優(yōu)CO，氫氣的傳質速率明顯高于CO的傳質速率[1]；富氫煤氣或純氫與CO相比，還原動力學條件得以改善。CO還原氧化鐵是放熱反應，H2還原氧化鐵是吸熱反應，因此如何持續(xù)向反應區(qū)供給熱量是富氫或純氫還原的技術難點。

1.3.1低溫氫還原

低溫氫還原的關鍵技術是如何強化氫與鐵礦的反應速率，提高過程效率。從動力學來看，氫在低溫下還原鐵礦的反應速率較慢，平衡氣相中氫氣的濃度較高。為提高低溫下直接還原反應的速率，可采取的技術措施有兩種[2]：一是降低反應活化能，通過物理場的作用將H2激活成為H或H+用激活態(tài)氫在低溫下可以將鐵礦還原成金屬鐵；二是提高反應物的表面積，即減少鐵礦的粒徑；粒徑從 45µm 降到5µm，反應面積可提高81倍。

鐵氧化物低溫氫還原反應初期在界面局部活性點位置發(fā)生，并向內擴展形成小的孔洞，生成的活性鐵通過表面擴散等生成突起，并逐漸發(fā)展；多孔的產物結構可以使氣體還原反應物和氣體產物均能夠順利擴散，界面反應能夠順利進行。

低溫時，燒結過程較緩慢，產物結構不影響氣體的擴散，因此低溫氫還原過程是界面反應控速。隨著溫度的升高（高于 700℃），燒結過程加速，產物燒結對反應速率的影響逐漸增大，反應控速環(huán)節(jié)逐漸由界面反應控速向擴散控速轉變。低溫氫還原（低于1000℃）需要解決的問題是在影響氣體擴散的致密結構形成前，控制前期化學反應速率快速增大，在致密產物結構形成前結束還原過程。

1.3.2高溫氫還原

高溫氫還原的關鍵技術是向鐵浴爐下部噴吹氫氣或富氫氣體，通過控制碳的燃燒率，用氫氣來代替碳作還原劑。在鐵礦還原反應溫度大于1000 ℃時，富氫氣體的熱力學利用率隨著氫含量的增加而提高，因此提高 H2/CO 有利于提高氫還原的綜合利用率。同時，提高 H2/CO 鐵礦還原所需的熱量增加，增加爐內供熱量就須加大還原氣體的總量，這樣反而會造成氣體利用率的降低。這使得高溫氫還原爐內的氣體成分和氣體利用率較難達到最優(yōu)化的協(xié)調統(tǒng)一，即反應爐內的熱量傳輸和化學平衡間的矛盾決定了富氫氣體一次利用率極限的存在。

2 氫冶金工藝進展

2.1傳統(tǒng)冶金流程氫能利用

傳統(tǒng)鋼鐵生產過程中會產生大量氫資源，如焦爐煤氣?；跉湟苯饘W原理，向高爐中噴吹煤、焦爐煤氣、天然氣和塑料等均是傳統(tǒng)高爐氫冶金技術開發(fā)的試驗和實踐[3]。

（1）高爐噴煤。噴煤是富氫還原應用于傳統(tǒng)高爐的典型案例。高爐噴煙煤首先在高溫條件下氣化，產生的碳氫化物以鐵氧化物作觸媒高溫熱裂解成氫氣，與鐵礦進行反應，提高了高爐的還原效率和改善了其技術指標。為克服噴煤帶來的負面影響，采用了一些高爐噴煤新工藝，如以富氫煤氣代替煤粉從風口噴入高爐，使噴吹過程更加高效節(jié)能。

（2）煤氣化技術。煤氣化技術是一個熱化學加工過程，以氧氣、水蒸氣為氣化劑，在高溫高壓下通過化學反應將煤或煤焦中的可燃物轉化為可燃氣體。煤氣化技術在化工領域已廣泛應用，利用不同制氣方法所獲得的還原性富氫氣體對低碳冶金具有借鑒意義。

（3）高爐噴吹廢塑料（廢橡膠）技術。高爐噴吹l kg廢塑料，相當于1.2 kg 煤粉。廢塑料成分簡單，含氫量是煤粉的 3倍，高爐每噴吹1t 廢塑料可減排 0.28t二氧化碳。廢塑料、橡膠以其優(yōu)良的加工性能與耐用性使其可得到回收利用，但需要塑料的分類加工政策支撐。

2.2 國外氫冶金工藝進展

國外多家鋼鐵企業(yè)對氫冶金進行了深度布局，項目大都進入了建設或者試驗階段，其中典型的項目如表1所示。

2.3國內氫冶金技術開發(fā)

我國氫冶金工藝研究起步較晚，鋼鐵企業(yè)近年來開始布局氫冶金領域，在鋼鐵行業(yè)面對去產能、調結構、促轉型的形勢下，氫能行業(yè)和鋼鐵企業(yè)合作可形成互補雙贏效應。氫能利用可幫助鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、產業(yè)延伸和轉型，鋼鐵企業(yè)可為氫能行業(yè)提供更多更具規(guī)模的產業(yè)化示范[4]。