1米德雷克思冶煉技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司  2，3 Midrex Technologies, Inc.

1 背景

今天的大部分能源來自三種碳?xì)浠衔飦碓粗?石油、煤炭或天然氣。當(dāng)談到能源及其與全球市場的關(guān)系時，這被稱為“碳?xì)浠衔锝?jīng)濟(jì)”。氫經(jīng)濟(jì)是一種使用氫來傳遞能量的系統(tǒng)。它被提出作為一種方法來解決使用碳?xì)浠衔锶剂系囊恍┴?fù)面影響，排放到大氣中的二氧化碳，一氧化碳，未燃燒的碳?xì)浠衔锏取?/p>

世界規(guī)模的氫經(jīng)濟(jì)的支持者認(rèn)為，對最終用戶來說，氫是一種更環(huán)保的能源，在最終使用時不會釋放污染物，如顆粒物或二氧化碳。然而，要使氫成為一個主要的經(jīng)濟(jì)因素，還有許多問題需要克服。例如，氫按重量計算能量密度很高，但在沒有壓縮或液化的情況下，按體積計算能量密度很低，因此氫燃料電池的高成本一直是其發(fā)展的主要障礙。其他相關(guān)問題，如儲存、分銷基礎(chǔ)設(shè)施、氫純度和安全問題，都必須克服才能使氫經(jīng)濟(jì)起飛。

此外，還有典型的“雞和蛋”綜合癥。潛在的生產(chǎn)商正急切地等待消費者站出來，以便他們能夠大規(guī)模地展示氫的使用，而一旦足夠的氫能夠以具有競爭力的成本生產(chǎn)出來，消費者似乎已經(jīng)準(zhǔn)備好了。氫經(jīng)濟(jì)的全面實現(xiàn)需要產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界、政府和消費者的合作。

2 關(guān)于氫能

如今，氫有兩種主要用途。大約一半用于生產(chǎn)氨(NH3) 用于化肥。另一半用于將重質(zhì)石油轉(zhuǎn)化為可作為燃料使用的較輕餾分，這就是所謂的加氫裂化。由于這種方法可以有效地改善焦油砂和油頁巖等較差的原料，因此加氫裂化被視為一個增長領(lǐng)域。

2016年，全球96%的氫產(chǎn)量來自化石燃料:48%來自天然氣，30%來自石油，18% 來自煤炭; 電解水占4%。將氫的集中生產(chǎn)與輕型燃料電池汽車連接起來，將需要一個昂貴的分銷基礎(chǔ)設(shè)施的選址和建設(shè)。此外，必須克服在汽車上提供安全、能量密集的氫儲存的技術(shù)挑戰(zhàn)，以提供足夠的加油間隔。

大多數(shù)氫氣是在以天然氣為原料的蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化爐(SMR)中產(chǎn)生的。這與MIDREX®重整器的技術(shù)類似。轉(zhuǎn)化爐產(chǎn)生含有H2和CO的氣體，然后將CO除去。雖然利用蒸汽重整器進(jìn)行大規(guī)模制氫已經(jīng)成為現(xiàn)實，但由于它是由天然氣制成的，因此并沒有提供大幅減少二氧化碳排放的解決方案; 因為，SMR有大量的二氧化碳排放。

另一種生產(chǎn)氫氣的技術(shù)是電解，利用電將水分解成氫氣和氧氣?，F(xiàn)在已經(jīng)做到了，但是在氫經(jīng)濟(jì)中使用它有兩個問題:1)在大多數(shù)國家，電力主要是用化石燃料產(chǎn)生的，因此仍有很大的二氧化碳排放足跡;2)以現(xiàn)行電價計算，氫的成本對許多應(yīng)用來說太高了(大約是蒸汽重整氫成本的兩倍)。目前可用的電解槽容量為1.0 MW，但全球裝機容量僅為50 MW左右。

2016年，美國能源部 (DOE) 認(rèn)為 “H2@規(guī)模”是一個被低估的重大機遇，他們稱之為 “大想法” 。美國能源部正與17個國家實驗室中的14個共同努力，重點關(guān)注這一問題。能源部設(shè)想使用低成本的非高峰功率制氫，儲存產(chǎn)生的氫氣，然后在需要時將其運送給用戶，而不是使用用電高峰時產(chǎn)生的電能來電解氫氣。圖1顯示了它的經(jīng)濟(jì)性。使用0.01美元/千瓦時的電力，氫的成本與蒸汽重整器的成本差不多(見圖1左起第二個柱) 。進(jìn)一步的研究開發(fā)有可能會使電解氫的成本更低。以這種成本所能產(chǎn)生的產(chǎn)量，將來我們有可能將氫氣用于煉鐵和煉鋼。

圖1 綠氫的經(jīng)濟(jì)性評估

3 氫煉鐵技術(shù)

全世界對減少二氧化碳排放有著極大的興趣和正在著手推進(jìn)工作。一個非常有前途的解決方案是使用氫作為燃料和化學(xué)反應(yīng)物，而不是化石燃料。

由于大量使用煤炭，鋼鐵行業(yè)的溫室氣體排放量占全球總量的5%。世界上大約75%的鋼鐵是由在轉(zhuǎn)爐 (BOF) 加工高爐 (BF)生產(chǎn)的鐵水制造的。高爐以焦炭(精煤)為能源和還原劑。這一工藝路線每生產(chǎn)一噸鋼鐵會產(chǎn)生大約兩噸二氧化碳。

以天然氣為基礎(chǔ)的MIDREX®直接還原(DR)工藝，與電弧爐(EAF)配合使用，在所有商業(yè)煉鋼路線中二氧化碳排放量最低。這是因為天然氣比煤含有更多的氫。MIDREX®工廠的工藝氣體中含有約55%的氫氣和36%的一氧化碳(CO)，而高爐煤氣中幾乎全是CO。因此，MIDREX/EAF組合每噸鋼產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為高爐/轉(zhuǎn)爐的一半。通過添加二氧化碳脫除裝置，Midrex可以通過去除煙氣中的二氧化碳來進(jìn)一步降低二氧化碳排放。如果二氧化碳可以被使用和/或儲存，排放將比BF/BOF再次減少一半。

最終極的零二氧化碳排放煉鐵方案是使用低碳能源，如太陽能、風(fēng)能、水力或核能生產(chǎn)純氫，并在豎爐中使用氫來制造DRI。Midrex已經(jīng)商業(yè)化推出Midrex H2™來實現(xiàn)這一目標(biāo)。

4 煉鐵工藝技術(shù)

在深入了解氫煉鐵的細(xì)節(jié)之前，讓我們先回顧一些基本知識。火法煉鐵(高溫)使用CO和H2來完成還原，即從礦石中除去氧氣(與氧化相反)。在直接還原反應(yīng)器或高爐中有許多反應(yīng)發(fā)生，但主要的反應(yīng)如圖2所示。鐵以Fe表示，甲烷(天然氣的主要組分)以CH4表示。

 
圖2 煉鐵反應(yīng)

5 煉鐵反應(yīng)

在高爐中，幾乎所有的還原都是用焦炭生成的CO(反應(yīng)2)來完成的。在直接還原中，用CO和H2完成還原。在使用天然氣的MIDREX®標(biāo)準(zhǔn)工藝中，60% (H2 / CO的比例) 是用氫氣完成的。由于還原發(fā)生在1300℃左右的高爐和900℃左右的DR爐中，溫度控制是一個非常重要的考慮因素。反應(yīng)1是吸熱的(需要熱量)，反應(yīng)2是放熱的(放出熱量)。MIDREX®工藝采用55% H2和36% CO的典型氣體含量，由于爐內(nèi)溫度保持相對恒定，因此易于控制。

由于炭的存在，高爐內(nèi)的滲碳反應(yīng)會自動發(fā)生;在直接還原過程中，如果還原氣體中含有CH4和CO，就會發(fā)生滲碳反應(yīng)。當(dāng)高爐或DR爐中存在甲烷時，就會發(fā)生滲碳反應(yīng)。許多高爐現(xiàn)在向爐內(nèi)注入甲烷(天然氣)以減少焦炭消耗。

6 氫在MIDREX® 工廠的應(yīng)用

氫在DR工廠中可以以兩種方式使用。一些氫氣可以引入以天然氣為基礎(chǔ)的工廠，作為部分天然氣的替代品，或者DR工廠可以基于100%的氫氣。在MIDREX®工廠中添加H2的情況下，可以替代所需天然氣的三分之一。例如，在一個2.0 Mtpy的工廠中，60000 Nm³/h的H2可以替代20000 Nm³/h的天然氣，這大約占天然氣總消耗量的30%。此方法的流程圖如圖3所示。這可以用現(xiàn)有的或新的工廠來完成。

MIDREX H2™是指使用100%氫氣作為原料氣。Midrex擁有在豎爐中使用氫氣制鐵的豐富經(jīng)驗。自1969年以來，MIDREX®工廠已經(jīng)生產(chǎn)了超過9.55億噸的DRI，其氫氣含量超過50%。MIDREX®工廠使用三種不同比例的H2和CO，大多數(shù)使用天然氣和標(biāo)準(zhǔn)的MIDREX®重整器，產(chǎn)生的還原性氣體為55% H2和36% CO (H2/CO為1.5)。委內(nèi)瑞拉的FMO MIDREX®工廠

使用蒸汽轉(zhuǎn)化爐，H2/CO從3.3到3.8不等。有6個MIDREX®模塊利用煤制成的氣體，它們的氫與CO的比值從0.37到0.56。因此，MIDREX®工藝在H2/CO比從0.37到3.8的條件下成功地產(chǎn)生了DRI。

基于初始建模和實驗室實驗，可以在MIDREX®豎爐中使用幾乎純氫氣來制造DRI。流程圖如圖4所示。它類似于標(biāo)準(zhǔn)MIDREX®工藝，唯一不同的是H2輸入氣體是在工藝外部產(chǎn)生的。因此，不需要轉(zhuǎn)化爐，而使用氣體加熱器將氣體加熱到所需的溫度。在實際應(yīng)用中，還原氣H2含量約為90%，平衡CO、CO2、H2O和CH4。這些成分是為溫度控制而添加天然氣和添加碳的結(jié)果，如下一節(jié)所述。

由于H2在頂氣洗滌器中轉(zhuǎn)化為H2O并冷凝，因此不需要CO2去除系統(tǒng)。氫氣消耗約為550 Nm³/t DRI。此外，還原氣體加熱器還需要高達(dá)250nm³/t的氫氣或其他環(huán)保熱源，如廢熱、電力和/或天然氣作為燃料。與高爐/轉(zhuǎn)爐煉鋼路線相比，該工藝的二氧化碳排放量可減少80%。

MIDREX H2™工藝有很多需要考慮的因素，首先是溫度。有了如此多的氫氣，由于煉鐵反應(yīng)1，還原氣體進(jìn)入直爐時DRI冷卻(見圖2)。因此，有必要添加天然氣以保持所需的還原溫度。根據(jù)Midrex模型，以50 Nm3/t DRI的速度添加天然氣就可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。

第二個問題是DRI碳含量。絕大多數(shù)DRI用于EAF。電弧爐煉鋼一般采用在金屬爐料(如DRI、HBI和生鐵) 中添加碳或作為純碳的方法。將這些碳與注入的氧氣一起燃燒，可以產(chǎn)生大量的熱量，從而減少電力消耗，加快融化速度。由于生鐵是由含碳飽和的高爐鐵水制成的，所以它含有4- 4.5%的碳。DRI可以有1- 4.5%的碳，這取決于過程，減少氣體使用和DRI工廠的運作方式。大多數(shù)電爐煉鋼企業(yè)傾向于使用含碳量在1.5- 3%的DRI，但最佳含碳量取決于金屬爐料混合和生產(chǎn)的鋼級。

由于還原性氣體中含有大量的氫，因此必須在過程中的某些地方添加碳?xì)浠衔?，以達(dá)到所需的碳水平。DRI滲碳選擇包括在冷卻區(qū)或爐下錐添加碳?xì)浠衔?。添?0 Nm3/t的天然氣用于溫度控制，達(dá)到DRI碳約為1.4%。煉鋼的下一步發(fā)展將是在不使用碳的情況下熔化鐵，但這將是非常耗能的，因為隨著碳含量的降低，鋼的熔點會增加。

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