鹽城市聯(lián)鑫鋼鐵有限公司

1   氫冶金基礎(chǔ)研究

根據(jù)冶金反應(yīng)過(guò)程的基本原理，氫冶金技術(shù)的研發(fā)務(wù)必要按照氫冶金熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及工程學(xué)的理論去策劃。熱力學(xué)決定冶金反應(yīng)過(guò)程的方向、平衡前提以及范圍，動(dòng)力學(xué)探索冶金過(guò)程的速度、效率、激勵(lì)以及制約步驟，工程學(xué)探究冶金過(guò)程的宏觀輸送幾率、單元操作以及反應(yīng)器特點(diǎn)；把這三個(gè)方面進(jìn)行有機(jī)聯(lián)合，尋找到能夠有效提升反應(yīng)效率的辦法，改善在實(shí)操中出現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工程化推行氫冶金的目標(biāo)。

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(lái)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(yīng)式是：Fe2O3+3CO =2Fe+3CO2，還原劑用的是碳，產(chǎn)出了二氧化碳。氫冶金的基本反應(yīng)式是：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，還原劑是氫氣，最后產(chǎn)生了水，并且二氧化碳的排放量是零。長(zhǎng)期以來(lái)，碳都是鋼鐵企業(yè)中最重要的還原劑，并且還能產(chǎn)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(zhì)作為燃料，不用含有碳的介質(zhì)作為還原劑的冶金經(jīng)過(guò)，氫氣是一個(gè)很好的還原劑以及清潔燃料，把氫氣代替碳用來(lái)當(dāng)作還原劑和能量來(lái)源的氫冶金技術(shù)研發(fā)，可以扭轉(zhuǎn)鋼鐵行業(yè)現(xiàn)在的市場(chǎng)環(huán)境以及發(fā)展?fàn)顩r，是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)最佳選擇，可以給未來(lái)冶金產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供保障。

1.2氫冶金熱力學(xué)

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

碳太多的時(shí)候，只經(jīng)過(guò)噴吹H2是不能把反應(yīng)碳的熱負(fù)荷會(huì)減少的，在高溫條件下，氫雖然可以和氧化鐵產(chǎn)生反應(yīng)，但是還可以和H2O產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而讓H2O再次蛻變成H2。

1.3氫冶金動(dòng)力學(xué)

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

1.3.1低溫氫還原

低溫氫還原的關(guān)鍵技術(shù)是如何強(qiáng)化氫與鐵礦的反應(yīng)速率，提高過(guò)程效率。從動(dòng)力學(xué)來(lái)看，氫在低溫下還原鐵礦的反應(yīng)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(yīng)的速率，可采取的技術(shù)措施有兩種[2]：一是降低反應(yīng)活化能，通過(guò)物理場(chǎng)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(yīng)物的表面積，即減少鐵礦的粒徑；粒徑從 45µm 降到5µm，反應(yīng)面積可提高81倍。

鐵氧化物低溫氫還原反應(yīng)初期在界面局部活性點(diǎn)位置發(fā)生，并向內(nèi)擴(kuò)展形成小的孔洞，生成的活性鐵通過(guò)表面擴(kuò)散等生成突起，并逐漸發(fā)展；多孔的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可以使氣體還原反應(yīng)物和氣體產(chǎn)物均能夠順利擴(kuò)散，界面反應(yīng)能夠順利進(jìn)行。

低溫時(shí)，燒結(jié)過(guò)程較緩慢，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)不影響氣體的擴(kuò)散，因此低溫氫還原過(guò)程是界面反應(yīng)控速。隨著溫度的升高（高于 700℃），燒結(jié)過(guò)程加速，產(chǎn)物燒結(jié)對(duì)反應(yīng)速率的影響逐漸增大，反應(yīng)控速環(huán)節(jié)逐漸由界面反應(yīng)控速向擴(kuò)散控速轉(zhuǎn)變。低溫氫還原（低于1000℃）需要解決的問(wèn)題是在影響氣體擴(kuò)散的致密結(jié)構(gòu)形成前，控制前期化學(xué)反應(yīng)速率快速增大，在致密產(chǎn)物結(jié)構(gòu)形成前結(jié)束還原過(guò)程。

1.3.2高溫氫還原

高溫氫還原的關(guān)鍵技術(shù)是向鐵浴爐下部噴吹氫氣或富氫氣體，通過(guò)控制碳的燃燒率，用氫氣來(lái)代替碳作還原劑。在鐵礦還原反應(yīng)溫度大于1000 ℃時(shí)，富氫氣體的熱力學(xué)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(shí)，提高 H2/CO 鐵礦還原所需的熱量增加，增加爐內(nèi)供熱量就須加大還原氣體的總量，這樣反而會(huì)造成氣體利用率的降低。這使得高溫氫還原爐內(nèi)的氣體成分和氣體利用率較難達(dá)到最優(yōu)化的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，即反應(yīng)爐內(nèi)的熱量傳輸和化學(xué)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(jìn)展

2.1傳統(tǒng)冶金流程氫能利用

傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氫資源，如焦?fàn)t煤氣。基于氫冶金學(xué)原理，向高爐中噴吹煤、焦?fàn)t煤氣、天然氣和塑料等均是傳統(tǒng)高爐氫冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)和實(shí)踐[3]。

（1）高爐噴煤。噴煤是富氫還原應(yīng)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(chǎn)生的碳?xì)浠镆澡F氧化物作觸媒高溫?zé)崃呀獬蓺錃?，與鐵礦進(jìn)行反應(yīng)，提高了高爐的還原效率和改善了其技術(shù)指標(biāo)。為克服噴煤帶來(lái)的負(fù)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(fēng)口噴入高爐，使噴吹過(guò)程更加高效節(jié)能。

（2）煤氣化技術(shù)。煤氣化技術(shù)是一個(gè)熱化學(xué)加工過(guò)程，以氧氣、水蒸氣為氣化劑，在高溫高壓下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。煤氣化技術(shù)在化工領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，利用不同制氣方法所獲得的還原性富氫氣體對(duì)低碳冶金具有借鑒意義。

（3）高爐噴吹廢塑料（廢橡膠）技術(shù)。高爐噴吹l kg廢塑料，相當(dāng)于1.2 kg 煤粉。廢塑料成分簡(jiǎn)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(guó)外氫冶金工藝進(jìn)展

國(guó)外多家鋼鐵企業(yè)對(duì)氫冶金進(jìn)行了深度布局，項(xiàng)目大都進(jìn)入了建設(shè)或者試驗(yàn)階段，其中典型的項(xiàng)目如表1所示。

2.3國(guó)內(nèi)氫冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)

我國(guó)氫冶金工藝研究起步較晚，鋼鐵企業(yè)近年來(lái)開(kāi)始布局氫冶金領(lǐng)域，在鋼鐵行業(yè)面對(duì)去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型的形勢(shì)下，氫能行業(yè)和鋼鐵企業(yè)合作可形成互補(bǔ)雙贏效應(yīng)。氫能利用可幫助鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)延伸和轉(zhuǎn)型，鋼鐵企業(yè)可為氫能行業(yè)提供更多更具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化示范[4]。