劉志國(guó)，回士旭

（鹽城市聯(lián)鑫鋼鐵有限公司，江蘇 鹽城 224100）

1 氫冶金基礎(chǔ)研究

根據(jù)冶金反應(yīng)基本原理，氫冶金技術(shù)的研發(fā)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、效率以及制約步驟，工程學(xué)探究冶金過(guò)程的宏觀特點(diǎn)；把三個(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)式為：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，用碳作為還原劑，生成二氧化碳；氫冶金的基本反應(yīng)式為：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，用氫氣作為還原劑，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。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)，是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)最佳選擇。

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)于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，改良了還原動(dòng)力學(xué)條件。CO還原氧化鐵為放熱反應(yīng)，H2還原氧化鐵為吸熱反應(yīng)，所以怎樣連續(xù)給反應(yīng)區(qū)供熱是富氫或者純氫還原技術(shù)的難題。

2 氫冶金工藝進(jìn)展

2.1 傳統(tǒng)冶金流程氫能利用

在傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)制作的時(shí)候會(huì)形成大量的氫資源，比如說(shuō)焦?fàn)t煤氣就是一種?；跉湟苯饘W(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。

（1）高爐噴煤。噴煤技術(shù)是富氫還原在傳統(tǒng)高爐中使用的經(jīng)典例子。高爐噴煤需要先在高溫條件之下氣化，形成的碳?xì)浠镉描F氧化物作為催化劑，在高溫條件下熱解成氫氣，與鐵礦進(jìn)行反應(yīng)，提升了高爐的還原效率并且改良了它的技術(shù)指標(biāo)。為了攻克噴煤技術(shù)帶來(lái)的不良影響，可以使用新型高爐噴煤工藝，比如說(shuō)用富氫煤氣替代煤粉從風(fēng)口噴進(jìn)高爐里面，讓噴吹作業(yè)更加高效。

（2）煤氣化。煤炭氣化技術(shù)是用氧氣、水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓條件下經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)讓煤或者煤焦中的可燃物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w的熱化學(xué)處理過(guò)程。煤氣化技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中已經(jīng)普遍應(yīng)用了。

（3）高爐噴吹廢塑料(廢橡膠)技術(shù)。高爐噴吹1公斤廢塑料，等同于1.2公斤煤粉。廢塑料成分單一，含氫量是煤粉的3倍。高爐中每注入1噸廢塑料，就能夠減少0.28噸二氧化碳排放。

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)行了布局，項(xiàng)目大都進(jìn)入建設(shè)或者試驗(yàn)階段，其中典型的項(xiàng)目如表1所示。

表1 國(guó)外氫冶金工藝進(jìn)展

德國(guó)蒂森克虜伯公司計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)溫室氣體的“凈零排放”。

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，面對(duì)鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能、結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型，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[2]。

2.4 氫制備技術(shù)

發(fā)展氫能的基礎(chǔ)是利用含氫化合物規(guī)?；迫錃狻Ｖ茪浞绞街饕须娊馑茪?、化石燃料制氫和生物質(zhì)制氫。氫氣必須經(jīng)過(guò)壓縮、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和輸送才能到達(dá)終端用戶(hù)。氫的大規(guī)模生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)依賴(lài)于技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)[3]。

化石能源重整和水電解制氫是傳統(tǒng)的制氫方法?；茉粗卣茪涫菍⒒剂吓c水蒸汽混合，在催化作用下產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，通過(guò)變壓吸附、膜分離和蒸發(fā)產(chǎn)生高純氫氣。水電解制氫是將帶中間隔膜的一對(duì)電極浸在電解液中，電把水分解成氫和氧?；剂虾碗娊馑a(chǎn)氫都會(huì)排放大量的二氧化碳，這種高碳?xì)浔环Q(chēng)為“灰氫”或“黑氫”。實(shí)際的制氫過(guò)程是低碳化的，為了獲得全生命周期意義上的低碳“藍(lán)氫”和零碳“綠氫”，需要在化石燃料制氫系統(tǒng)中增加碳捕集和存儲(chǔ)，或者直接利用非化石燃料產(chǎn)生的電進(jìn)行電解制氫?！盎剂现茪?碳捕儲(chǔ)”是低碳制氫的中短期轉(zhuǎn)型模式。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，非化石燃料發(fā)電的電解制氫將逐漸成為主要的低碳制氫模式。

3 氫冶金工業(yè)化推廣方向

3.1 氫能在傳統(tǒng)冶金的擴(kuò)展應(yīng)用

高爐爐頂氣體回收。高爐爐頂氣體回收工藝的核心是將還原后的組分(CO、H2)經(jīng)過(guò)除塵凈化脫碳后噴入風(fēng)口或爐體，然后返回爐膛參與氧化鐵還原。采用CO和H2進(jìn)一步提高高爐指標(biāo)、降低能耗、減少CO2排放。

高爐吹出含氫物質(zhì)。高爐噴吹的富氫介質(zhì)主要有天然氣、焦?fàn)t氣、廢塑料、舊輪胎等[3]。

高爐噴入含氫物質(zhì)后，氫參與鐵礦還原，強(qiáng)化了高爐對(duì)原燃料的適應(yīng)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高爐功能的多元化，這對(duì)鋼鐵工業(yè)的節(jié)能減排具有現(xiàn)實(shí)意義。天然氣的主要成分為CH4，與富氧熱風(fēng)一起注入高爐風(fēng)口，可降低高爐焦炭比。北美和俄羅斯的一些高爐是用天然氣泵送的，噴吹量為40kg/t～110kg/t。焦?fàn)t煤氣是化工生產(chǎn)后回收凈化的廢氣產(chǎn)品，將焦?fàn)t煤氣噴入高爐已使高爐焦炭比降低到200kg/t以下的情況。

塑料是石油化工產(chǎn)品，噴吹舊塑料不僅可治理“白色污染”，而且可實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。廢塑料用于高爐，包括分選、粉碎、造粒等環(huán)節(jié)，取代部分煤粉從風(fēng)口噴入高爐，最大噴吹量可達(dá)60kg/t，廢塑料的最大理論噴吹量為200kg/t。需要完善的工藝包括塑料造粒、脫氯處理等。

3.2 氫冶金工業(yè)化創(chuàng)新路徑

對(duì)于我國(guó)傳統(tǒng)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)而言，氫冶金發(fā)展不具有天然氣資源區(qū)域優(yōu)勢(shì)，受大規(guī)模制、儲(chǔ)運(yùn)等設(shè)施制約，以氫代煤的成本較高，同時(shí)也缺乏氫冶金技術(shù)基礎(chǔ)積累，因此需要尋求適合于企業(yè)自身特點(diǎn)的新發(fā)展思路。

（1）我國(guó)氫能生產(chǎn)主要依賴(lài)化石能源。鋼鐵行業(yè)本身伴隨了大量富氫副產(chǎn)品的產(chǎn)生，但現(xiàn)階段這些富氫副產(chǎn)品尚未得到充分分離提純和高效利用。高爐仍為煉鐵主流工藝，圍繞高爐增加含氫資源循環(huán)利用比例應(yīng)是現(xiàn)階段工藝技術(shù)改進(jìn)的首選方式。

（2）鋼鐵工業(yè)具有生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品、消納處理社會(huì)廢棄物和實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化三個(gè)重要功能。消納固體廢棄物和能源轉(zhuǎn)化功能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用應(yīng)該得到重視和關(guān)注。

（3）在傳統(tǒng)的煤鐵制造工藝中，會(huì)產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和蒸汽。煤氣富余是普遍現(xiàn)象，目前主要僅作為燃料用于各類(lèi)鍋爐系統(tǒng)發(fā)電。進(jìn)一步考慮將富氫副產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為還原劑，用于冶金全流程或化工產(chǎn)品，擺脫只靠碳作為還原劑的局面，必將有力地推進(jìn)氫冶金技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)階段鋼鐵企業(yè)最合理的做法是對(duì)傳統(tǒng)流程富氫能源轉(zhuǎn)換利用的深度潛力挖掘。

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)氫冶金原理，富氫或純氫還原過(guò)程的實(shí)現(xiàn)要求保持原料氫平衡比例和反應(yīng)過(guò)程中能量的持續(xù)供給，克服鐵礦還原過(guò)程中的溫度效應(yīng)，突破熱平衡、化學(xué)平衡和傳質(zhì)間矛盾導(dǎo)致的氫利用率極限，才能真正支撐工業(yè)大規(guī)模氫能冶煉技術(shù)的應(yīng)用。規(guī)?；G色低碳低成本制氫技術(shù)的進(jìn)展是實(shí)現(xiàn)氫冶金廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，氫能產(chǎn)業(yè)與冶金行業(yè)進(jìn)行合作開(kāi)發(fā)模式，可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)雙贏。