氫冶金與低碳經(jīng)濟(jì)

1、氫冶金與低碳經(jīng)濟(jì)中國(guó)在哥本哈根大會(huì)上莊嚴(yán)承諾：將在2020年之前使單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年減少40%-50%，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并不意味著中國(guó)的二氧化碳排放量到2020年會(huì)減少，事實(shí)上，未來(lái)10年中國(guó)經(jīng)濟(jì)會(huì)有巨大增長(zhǎng)，溫室氣體排放總量會(huì)增加。 中國(guó)把排放數(shù)字與經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)系到一起，其意義在于將努力走低碳道路，發(fā)展中國(guó)經(jīng)濟(jì)。為什么中國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)總是以二氧化碳排放量的增加為代價(jià)呢？主要由于未來(lái)十年工業(yè)發(fā)展還將沿用傳統(tǒng)的碳化發(fā)展方式，或由于我國(guó)多煤，少油，少氣的能源結(jié)構(gòu)所決定。特別是鋼鐵工業(yè)按現(xiàn)在的發(fā)展方式，以現(xiàn)在的發(fā)展速度，二氧化碳的排放量成倍的增長(zhǎng)，占排放總量20%以上，可見(jiàn)轉(zhuǎn)變鋼鐵生產(chǎn)

2、方式，勢(shì)在必行。碳冶金是鋼鐵工業(yè)傳統(tǒng)發(fā)展方式的典型代表模式，高爐冶煉基本反應(yīng)式為：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2。從反應(yīng)式中不難看出，還原劑是碳，故稱為碳冶金。最終產(chǎn)物是二氧化碳，因此之前的觀念認(rèn)為排放是天經(jīng)地義的。氫冶金基本反應(yīng)式Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，可以看出，還原劑為氫氣，最終產(chǎn)物是水，當(dāng)然二氧化碳是零排放?？梢?jiàn)，將碳冶金改為氫冶金發(fā)展方式，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的最佳選擇。開(kāi)發(fā)氫冶金技術(shù)，首先遇到的是大容量氫制取的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的氫資源，即焦?fàn)t煤氣。按當(dāng)前鋼鐵的生產(chǎn)規(guī)模估計(jì)，年產(chǎn)焦?fàn)t煤氣500-600億立方米，焦?fàn)t煤氣中氫含量為55-64，總氫

3、資源為億立方米以上，是氫冶金最經(jīng)濟(jì)、可靠的氫資源。直接還原煉鐵是氫冶金在煉鐵技術(shù)上的應(yīng)用，國(guó)外氣基豎爐直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)已有百年的歷史，但我國(guó)由于天然氣缺乏，氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)，末能取得突破。焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵半工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)取得完全成功，同時(shí)證明用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵比用天然氣有突出優(yōu)勢(shì)。為了鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)低能耗、低污染、低排放的可持續(xù)發(fā)展，必須大力發(fā)展焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)。二、 用焦?fàn)t煤氣，氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵（DRI）2.1 在高爐煉鐵流程中，必須配備相應(yīng)規(guī)模的煉焦廠，生產(chǎn)焦炭供給高爐煉鐵。在煉焦煤干餾過(guò)程中產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣，其化學(xué)組份如下表所示組份分析表明，焦?fàn)t

4、煤氣氫含量55-64%，可見(jiàn)，焦?fàn)t煤氣本身就是還原性氣體。其中甲烷含量為23-25%，經(jīng)裂解轉(zhuǎn)化成氫和一氧化碳，重整后的焦?fàn)t煤氣中氫含量可達(dá)70%，一氧化碳為30%，是氣基豎爐直接還原的理想還原性氣源。噸裝入煉焦煤產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣為350-400m?，100萬(wàn)噸的焦化廠每小時(shí)產(chǎn)焦?fàn)t煤氣50000-60000m?，噸直接還原鐵需焦?fàn)t煤氣618m?，100萬(wàn)噸規(guī)模焦化廠年產(chǎn)焦?fàn)t煤氣可生產(chǎn)直接還原鐵70-80萬(wàn)噸。我國(guó)焦炭的生產(chǎn)能力為2.6億噸，將生產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣全部或部分用于生產(chǎn)直接還原鐵，可以節(jié)省20-30%煉焦用煤，對(duì)保護(hù)我國(guó)的煉焦煤資源有重要意義。國(guó)外生產(chǎn)直接還原鐵普遍采用天然氣為氣源，經(jīng)高溫?zé)崃?/p>

5、解，轉(zhuǎn)化成還原性氣體進(jìn)行直接還原煉鐵。經(jīng)研究比較，用焦?fàn)t煤氣比用天然氣有突出優(yōu)勢(shì)。其中，原料氣重整過(guò)程節(jié)能近70-80%（甲烷含量比25%：95%）。因此，推薦用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，符合發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的需要。2.2 用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵工藝流程2.3工藝流程和工藝特點(diǎn)的描述直接還原工藝是用焦?fàn)t煤氣重整得到的氫為還原劑生產(chǎn)直接還原鐵的工藝，是氫冶金在煉鐵工藝中的應(yīng)用。在豎爐反應(yīng)器中，以下三種化學(xué)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，以氫冶金過(guò)程為主。（1）自重整反應(yīng)：CH4+H2O=CO+3H2（水煤氣制氫CH4+CO2=2CO+2H2（甲烷裂解制氫（2）還原反應(yīng)：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2（碳冶金Fe

6、2O3+3H2=2Fe+3H2O（氫冶金）（3）滲碳反應(yīng)：直接還原反應(yīng)機(jī)理的剖析從（1）自重整反應(yīng)式中，闡明用反應(yīng)塔中的金屬鐵為觸媒 （不需反應(yīng)塔外的催化劑，稱自重整）。在600-700高溫，有催化劑存在的條件下，將焦?fàn)t煤氣中的甲烷重整為氫和一氧化碳，加上焦?fàn)t煤氣中氫組份，形成含氫70%，含一氧化碳30%的還原性氣體，成為直接還原大容量氫資源。從（2）還原反應(yīng)式可以看到氫冶金煉鐵過(guò)程用氫作還原劑，該過(guò)程的最終產(chǎn)物是水，而不是二氧化碳，或稱氫冶金為二氧化碳零排放。從（3）式中，不難看出反應(yīng)塔中同時(shí)發(fā)生滲碳反應(yīng)，因此，該工藝可以生產(chǎn)高碳直接還原鐵（含碳3-6%）焦?fàn)t煤氣在反應(yīng)塔中進(jìn)行重整反應(yīng)和還原

7、反應(yīng)，煤氣組成發(fā)生較大變化如下表：從上表中發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)塔的頂氣中，氫含量為49.0%，CO2 含量10.4%。為了合理利用氫資源，在工藝流程中設(shè)計(jì)氫資源循環(huán)利用系統(tǒng)。頂氣經(jīng)過(guò)脫水后，在選擇性吸收CO2裝置中回收CO2。脫CO2后的頂氣與原料氣一起送入反應(yīng)塔循環(huán)利用。這樣，原料氣中的氫利用率為100%。如果系統(tǒng)中的CO2全部回收，系統(tǒng)中的CO2排放量為零。這正是低碳經(jīng)濟(jì)所期待的。三、 鋼鐵冶金傳統(tǒng)流程與短流程3.1 鋼鐵冶金短流程及物料，能量平衡 我國(guó)現(xiàn)有獨(dú)立焦化廠（原城市煤氣焦化廠）生產(chǎn)焦炭占全國(guó)焦炭總產(chǎn)量的62%，產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣可用于生產(chǎn)直接還原鐵，作為電爐煉鋼的精料，生產(chǎn)熱軋材。形成我

8、國(guó)特有的鋼鐵冶金短流程，如下示意圖： 本工藝最大特點(diǎn)之一是利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，這樣不僅可以合理利用焦?fàn)t煤氣，而且為氫冶金準(zhǔn)備大容量氫資源，同時(shí)為鋼鐵冶金超低二氧化碳排放找到新途徑。如果將直接還原過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳全部選擇性吸收，二氧化碳排放為零排放，二氧化碳排放只發(fā)生在選礦，球團(tuán)燃料燃燒的過(guò)程。 氣基豎爐直接還原鐵工廠所生產(chǎn)的直接還原鐵為高純鐵（硫，磷含量為0.002以下）100%的直接還原鐵在電弧爐中煉鋼，生產(chǎn)高純鋼，生產(chǎn)高質(zhì)量熱軋材。3.2傳統(tǒng)鋼鐵冶金長(zhǎng)流程及物料，能量平衡我國(guó)的鋼鐵冶金長(zhǎng)流程是沿用傳統(tǒng)的高爐，轉(zhuǎn)爐流程。碳冶金為工藝流程的主要特點(diǎn)。高爐煉鐵耗用大量焦炭，在還原過(guò)程中

9、全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳。因此。二氧化碳高排放成為高爐，轉(zhuǎn)爐流程的最大弊病。傳統(tǒng)的工藝流程中，必須配以燒結(jié)，煉焦工序。在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的二惡瑛，3，4苯并比，成為鋼鐵生產(chǎn)中的最大污染源。工藝流程示意圖如下：本工藝過(guò)程中產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣，高爐煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣全部用于發(fā)電，這樣的能源轉(zhuǎn)換效率是比較低的，而在上述三種燃?xì)庵杏写罅康臍錃?，一氧化碳是高效的還原劑，應(yīng)成為還原過(guò)程的原料，代替焦炭，發(fā)展非焦煉鐵技術(shù)。不應(yīng)該將高效的還原劑作為燃料燃燒，因?yàn)闅錃獾陌l(fā)熱值僅為2580Kcal/m3 , 故不能作為燃料，應(yīng)作為原料。本工藝耗用大量的煉焦煤。預(yù)測(cè)我國(guó)煉焦煤資源，只能使用25-30年，不保護(hù)，代替煉焦煤資源，鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展不能得到保證。利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，可節(jié)省20-30%煉焦煤。 兩種流程碳排放量的比較用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵短流程與高爐轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程碳排放量比較，見(jiàn)下表：從上表中可以看出：DRzrEAF（直接還原鐵-電爐煉鋼短流程）與 BF-BOF（高爐鐵-轉(zhuǎn)爐煉鋼長(zhǎng)流程）比較，二氧化碳排放減少四 、 結(jié)論4.1 氫冶金是轉(zhuǎn)變鋼鐵工業(yè)發(fā)展方式的核心技術(shù)，是改變當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)高能耗、高污染、高排放被動(dòng)局面的可行、有效的技術(shù)措施，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的合理選擇。4.2 利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵是氫冶金在鋼鐵生產(chǎn)中的科學(xué)應(yīng)用，是節(jié)省煉焦煤，減少碳污