分析氫冶金原理及工業(yè)化應(yīng)用研究進(jìn)展摘要：氫冶金是利用氫還原各種氧化物來制取金屬的冶煉方法。文章主要從氫冶金的基礎(chǔ)研究、工藝技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)化推廣等方面介紹了氫冶金的有關(guān)狀況，并說明了規(guī)?；G色低碳低成本的制氫工藝技術(shù)是進(jìn)行氫冶金應(yīng)用的重要基石，只有共同發(fā)展，相互協(xié)作，氫能工業(yè)和冶金工業(yè)才能實(shí)現(xiàn)雙贏。關(guān)鍵詞：氫冶金；綠色低碳；制氫技術(shù)1氫冶金基礎(chǔ)研究基于冶金反應(yīng)基本原理，對(duì)氫冶金技術(shù)的研究要根據(jù)氫冶金熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和工程技術(shù)方面的基本理論去研究。熱力學(xué)研究決定了冶金反應(yīng)過程的基本方向、平衡前提及其范圍，化學(xué)動(dòng)態(tài)研究了冶金過程的溫度、質(zhì)量及其控制方法，而工程學(xué)則研究冶金過程的宏觀特性；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概念，是在碳冶金的觀念上被提出來的。碳冶金是在鋼鐵工業(yè)中具有象征性的發(fā)展形態(tài)，冶煉的基本反應(yīng)式是：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，用碳作還原劑，可以產(chǎn)生超臨界二氧化碳；氫冶金的基本反應(yīng)式是：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，用儲(chǔ)氫材料作化學(xué)還原劑，最后生成穩(wěn)定的水，并且超臨界二氧化碳的排放量為零。因此長(zhǎng)期以來，碳是中國(guó)鋼鐵公司中最主要的化學(xué)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，把氫氣代替碳用來當(dāng)作還原劑和能量來源的氫冶金技術(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。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，比如說焦?fàn)t煤氣就是一種。采用氫氣冶金學(xué)基本原理，向高爐中噴射的吹煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣和塑料等均是中國(guó)傳統(tǒng)高溫氫氣冶金技術(shù)的重要試驗(yàn)與實(shí)踐。(1）高溫噴煤。噴煤法是常規(guī)高爐富氫還原工藝的一個(gè)典型例子。高爐噴煤工藝首先要在較高的溫度下進(jìn)行自然汽化，產(chǎn)生的碳?xì)浠衔镆澡F氧化物為催化劑，在高溫下進(jìn)行熱解，形成貯氫物質(zhì)，與鐵礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高其熱還原性能，提高其技術(shù)性能。要克服噴煤技術(shù)的弊端，可以采取一種新的噴煤技術(shù)，即用富氫氣體代替煤粉，由風(fēng)口噴出，這樣可以加快噴煤工作的速度。(2）煤氣化。煤自然熱氣化技術(shù)是指利用空氣、蒸汽為熱氣化劑，在高溫高壓條件下進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng)，使煤和煤焦中的有害物轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹細(xì)怏w的熱化學(xué)過程。目前太原煤氣化股份有限公司技術(shù)已經(jīng)在化工行業(yè)中開始廣泛使用了。(3）高爐噴吹廢塑料（廢橡膠）的技術(shù)。在高爐中每加入一萬噸廢塑料，就可以降低零點(diǎn)二八萬噸的超臨界二氧化碳排放量。2.2國(guó)外的氫冶金工藝發(fā)展國(guó)外許多大鋼鐵企業(yè)都對(duì)氫冶金做出了布局，目前項(xiàng)目已大多進(jìn)入了建設(shè)和測(cè)試階段。聯(lián)邦德國(guó)的蒂森克虜伯企業(yè)，規(guī)劃在到二零五零年完成碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，以達(dá)到對(duì)溫室氣體的凈零排放。2.3國(guó)內(nèi)氫冶金技術(shù)開發(fā)中國(guó)的氫冶煉技術(shù)研究起步比較晚，但近幾年來，氫能企業(yè)和中國(guó)鋼鐵企業(yè)的合作，可以達(dá)到雙贏的局面。氫能的應(yīng)用可以支撐鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、延伸和轉(zhuǎn)型，而鋼鐵企業(yè)則可以為氫能產(chǎn)業(yè)提供更多的工業(yè)化示范。2.4氫制備技術(shù)發(fā)展氫能的技術(shù)基礎(chǔ)，是使用含硫物質(zhì)規(guī)?；刂圃鞖?。制氫方法主要有電解水制氫工藝、化石能源制氫工藝，以及利用微生物制氫。儲(chǔ)氫材料往往需要進(jìn)行擠壓、搬運(yùn)、貯存和運(yùn)輸，才能達(dá)到終端用戶。而氫氣的規(guī)?；圃臁⑦\(yùn)輸又有賴于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這也是目前氫能工業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)?；剂辖?jīng)重整的水電解制氫是最常規(guī)的制氫方式。化石燃料資產(chǎn)重整制氫工藝是把化石燃料和水蒸汽混合，在催化劑作用下生成儲(chǔ)氫材料和超臨界二氧化碳，再利用變壓吸附、膜下分離和蒸餾生成高純度儲(chǔ)氫材料。而水電解制氫工藝則是把帶中間隔離薄膜的一對(duì)高壓陰極浸于水電解質(zhì)溶液中，電把水溶液分解為氫和氧氣?；剂虾碗娊馑a(chǎn)氫過程都會(huì)釋放大量的超臨界二氧化碳，而這些高溫碳?xì)浔唤凶龌覛浠蚝跉?。?shí)際的制氫工藝過程都是低碳化的，因此想要同時(shí)得到全生命周期意義上的少碳藍(lán)氫和零碳綠氫，就必須在化石能源制氫體系中添加碳捕集和儲(chǔ)存，又或是直接使用非化石燃料所產(chǎn)生的熱電進(jìn)行電解制氫工序。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流程的核心內(nèi)容，是把經(jīng)還原后的組分（CO、H2）進(jìn)行除塵工藝，凈化脫碳?xì)怏w后噴入風(fēng)口以及爐體內(nèi)部，再經(jīng)回收至爐膛出口參與氧化鐵還原。利用CO和H二型氣體進(jìn)一步提高高爐指標(biāo)、減少能耗、降低二氧化碳排放量。從高爐中吹出含硫物質(zhì)。高爐中噴吹的富氫介質(zhì)，主要有煤炭、焦?fàn)t煙氣、廢塑料制品、廢舊輪胎等等等。煤氣的主要成份是CH4，若與富氧熱風(fēng)同時(shí)加入高爐風(fēng)口，則可減少高爐焦炭比。美國(guó)和蘇聯(lián)的一些高爐是用煤氣直接泵送的，噴吹量一般是40kg/t~110kg/t。焦?fàn)t煤氣則是經(jīng)過化工產(chǎn)品后再處理凈化的廢氣產(chǎn)物，將焦?fàn)t煤氣直接噴進(jìn)高爐已使高爐焦炭比下降到了200kg/t以下的狀況。3.2氫冶金工業(yè)化創(chuàng)新路徑(1)中國(guó)的氫能源生產(chǎn)以礦物能源為主。鋼鐵工業(yè)自身也產(chǎn)生了大量的富氫副產(chǎn)物，但目前這些副產(chǎn)物尚未得到充分的分離提純和利用。因此，高溫仍然是鋼鐵生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，而在目前的技術(shù)革新和改造中，應(yīng)該以提高含硫資源的利用率為優(yōu)先選擇。(2）鋼鐵企業(yè)具備制造鋼材商品、消納處理社會(huì)垃圾以及進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換三種主要用途。吸引到固體污染物和能源轉(zhuǎn)化功能技術(shù)研究與應(yīng)用應(yīng)該受到重視與關(guān)心。4結(jié)語根據(jù)氫冶金的基本理論，要實(shí)現(xiàn)富氫、純硫的還原，必須保證原料氫氣的平衡，并在一定程度上提供能源，克服了鐵水還原時(shí)的高溫影響，打破了熱、化學(xué)、化學(xué)等方面的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)了氫的利用。規(guī)?；G色低碳低成本制氫工藝技術(shù)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)氫冶金廣泛應(yīng)用的基石，通過氫能行業(yè)和冶金工程產(chǎn)業(yè)之間進(jìn)行的合作開發(fā)模式，雙