“以氢代煤”炼铁，氢冶金技能你了解多少？

钢铁工业作为国民经济重要的根底原材料工业，归于动力、水资源、矿石资源耗费大的资源密集型工业，出产进程中会发生很多的二氧化碳等污染物。工信部材料显现，2020年我国全国生发生铁、粗钢和钢材产值别离为8.88亿吨、10.53亿吨和13.25亿吨，同比别离增加4.3%、5.2%和7.7%，粗钢产值初次超越10亿吨，一向稳居全球榜首。国际钢铁协会统计数据显现，全球均匀每出产1吨钢会排放1.8吨CO2，钢铁职业CO2排放量约占全球CO2总排放量的6.7%，而我国作为钢铁大国，钢铁职业碳排放量占全国碳排放总量约15%。在传统的工艺流程中，需要在高炉中耗费300千克的焦炭和200千克的煤粉作为复原剂，才干出产出1吨生铁。而以氢代煤的钢铁冶金能大大削减污染物的排放。

2020年9月我国初次提出“碳达峰”和“碳中和”国家战略方针，在此布景下，钢铁职业转型晋级势在必行。为处理钢铁职业高排放的现状，氢冶金技能被给予期望。

下面跟小编一起来了解一下氢冶金技能吧！

氢冶金的根本原理

碳冶金是钢铁工业代表性的展开形式，锻炼的根本反响式为Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，碳作为复原剂并生成产品二氧化碳。而氢冶金的概念是依据碳冶金的概念提出的，氢冶金的根本反响式为Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，氢气充当了复原剂且产品是水，二氧化碳的排放量为零。

从氢冶金热力学来看，依据Fe-O-H系统平衡，临界温度（570℃左右）以下，H2复原Fe2O3的次序为Fe2O3—Fe3O4—Fe；临界温度以上，H2复原Fe2O3的次序为Fe2O3—Fe3O4—FeO—Fe。反响进程氢复原热力学包含低温复原和高温熔态复原两种工艺道路。从氢冶金动力学来看，氢复原氧化铁的动力学条件要优于CO，氢气的传质速率显着高于CO的传质速率；比较于CO的复原动力学条件，富氢煤气或纯氢的复原动力学条件得以改善[1]。

氢冶金工艺

氢冶金工艺现在主要有富氢复原高炉与气基直接复原竖炉两类工艺。富氢复原高炉工艺是对现有长流程工艺的改善，减排潜力有限；气基直接复原竖炉是直接复原技能，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，减排潜力较大。纯氢气炼铁的探究相同一向在活跃推动。与长流程工艺比较，该工艺下二氧化碳排放将下降98%。可是现有技能条件下，还不能大面积推行运用，本钱较高是主要原因。

国内外氢冶金展开状况

在氢冶金运用方面，现在国内还处于研制试验阶段，而在国际上，现已开端超高温煤气炉和智能原子炉等氢锻炼技能密切相关技能的研讨，蒂森克虏伯现已完结了在高炉中运用氢气。

国外演示项目

（1）蒂森克虏伯“高炉氢能炼钢”项目

2019年11月11日，德国钢铁出产商蒂森克虏伯正式发动了氢能冶金的测验。据蒂森克虏伯称，这是全球范围内钢铁公司榜初次在炼钢工艺中运用氢气代替煤炭，以削减二氧化碳的排放。2021年2月3日，蒂森克虏伯已成功完结了杜伊斯堡9号高炉氢使用的榜首阶段试验。受新冠肺炎疫情影响，第二阶段试验方案推迟到2022年开端。第二阶段试验的研讨重点将放在氢气使用技能对高炉冶金工艺的影响上。

（2）瑞典HYBRIT项目——全球榜首个无化石燃料海绵铁中试线

HYBRIT为瑞典的“突破性氢能炼铁技能”技能攻关项目，由三家职业巨子（SSAB、欧洲最大铁矿石出产商LKAB公司和欧洲最大电力出产商之一瑞典大瀑布电力公司）合资创立的HYBRIT展开有限公司担任推动。SSAB、LKAB和Vattenfall方案打造国际上榜首个具有“无化石钢铁制作”价值链。SSAB的方针是，到2026年，经过HYBRIT技能，在国际上首先完结无化石锻炼技能；到2045年，SSAB将彻底按无化石工艺道路制作钢铁。

图1 高炉工艺和HYBRIT工艺出产铁水和海绵铁的流程比照

（3）奥钢联H2FUTURE项目

2017年头，由奥钢联合建议的H2FUTURE项目旨在经过研制突破性的氢气代替焦炭炼铁技能，下降钢铁出产进程中的二氧化碳排放，最终方针是到2050年削减80%的二氧化碳排放。H2FUTURE项目的成员单位包含奥钢联、西门子、VERBUND（奥地利抢先的电力供货商，也是欧洲最大的水力发电商）公司、奥地利电网（APG）公司、奥地利K1-MET（冶金才能中心）中心组等。

图2 奥钢联H2FUTURE项目工业链

现在国外的氢冶金项目状况，如下表所示。

表1 国外钢企氢冶金展开态势

来历：冶金工业规划研讨院

国内氢冶金展开状况

（1）我国宝武的核能-制氢-冶金耦合技能

2019年1月15日，我国宝武与中核集团、清华大学签定《核能-制氢-冶金耦合技能战略协作结构协议》，三方将协作一起打造国际抢先的核氢冶金工业联盟。以国际抢先的第四代高温气冷堆核电技能为根底，展开超高温气冷堆核能制氢技能的研制，并与钢铁锻炼和煤化工工艺耦合，依托我国宝武工业展开需求，完结钢铁职业的二氧化碳超低排放和绿色制作。其间核能制氢是将核反响堆与选用先进制氢工艺的制氢厂耦合，进行大规划H2出产。经开始核算，一台60万千瓦高温气冷堆机组可满意180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的需求，每年可减排约300万吨二氧化碳，削减动力消费约100万吨标准煤，将有用缓解我国钢铁出产的碳减排压力。我国宝武的低碳冶金技能道路图见图3。

图3 我国宝武的低碳冶金技能道路图

2020年7月宝武在八钢进行了富氢碳循环氧气高炉工艺试验，把脱碳后的煤气接入富氢碳循环高炉，与接入欧冶炉脱碳煤气前比较，富氢碳循环高炉吨铁燃料比下降近45千克，比传统高炉减排CO230%。2021年7月八钢富氢碳循环高炉已完结第二阶段50%（榜首阶段35%）富氧方针，后期八钢富氢碳循环高炉将经过技能晋级和优化，完结全氧锻炼方针。宝武2021年1月宣告2023年完结碳达峰，2035年完结减碳30%，2050年完结碳中和。

（2）河钢集团富氢使用项目

2019年11月22日，河钢集团与意大利特诺恩集团签署体谅备忘录，商定两边在氢冶金技能方面展开深化协作，使用国际最先进的制氢和氢复原技能，并联手中冶京诚，一起研制、建造全球首例120万吨规划的氢冶金演示工程，运用于河钢宣钢转型晋级项目。2021年5月，河钢宣钢氢动力开发和使用工程演示项目正式发动建造。该项目充分使用张家口区域国家级可再生动力演示区优势，打造可推行、可仿制的“零碳”制氢与氢能工业展开协同互补的立异展开形式。该项目开发的氢复原新工艺，依托自主和集成立异，选用产学研相结合的形式，核心技能为Tenova公司的Energiron-ZR（零重整）技能，可代替传统高炉碳冶金工艺，预计年可减碳起伏达60%。

现在国内的氢冶金展开状况，如下表所示。

表2 国内氢冶金展开态势

来历：冶金工业规划研讨院