1、H2-C綠色高效鐵礦熔態(tài)還原技術(shù) 研究項(xiàng)目建議,上海大學(xué)鋼鐵冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2005年10月,目前高爐流程存在的問題（）,環(huán)境負(fù)擔(dān)重 高的廢氣排放 2003年黑色冶金廢氣排放量達(dá)到了32302億立方米 SO2排放量為832359噸 CO2占總排放的10%，在有鋼鐵企業(yè)的大城市里占到了3540% 焦化廠的有機(jī)廢水污染問題 燒結(jié)廠除了SO2，CO2排放外還有二惡英污染問題,B.F. Route,FINEX,B.F. Route,FINEX,B.F. Route,FINEX,SOx,NOx,Dust,8 %,4 %,21 %,20,40,60,80,(%),Sinter Plant,Coke Ove

2、n,B.F,焦煤資源短缺和焦?fàn)t爐役到期,目前高爐流程存在的問題（2）,目前高爐流程存在的問題（3）,在高爐中存在大量的焦炭熔融鐵液必然為碳所飽和， 焦炭和熔劑中的硫、磷、錳、硅等元素等亦部分或全部被還原而進(jìn)入鐵水。 煉鋼過程必需要用氧化劑來去除過高的碳和其他有害元素硅、磷、硫等。 造成鐵液還原順序中的超平衡或稱超位能的工藝環(huán)節(jié)。 這就導(dǎo)致生產(chǎn)全過程的物耗和能耗的增減，處理工序增多， 與系統(tǒng)外的環(huán)境進(jìn)行無效交換增多。,鋼鐵生產(chǎn)工序的不合理,我國煉鐵流程發(fā)展方向,社會對鋼鐵企業(yè)的影響 鋼鐵企業(yè)對策 清潔冶煉（開征污染稅） 節(jié)能、 H2還原 投資增加和勞動力成本提高 設(shè)備大型化和提高生產(chǎn)效率 資源問

3、題 直接使用粉礦和非焦粉煤冶煉,煉鐵工藝必須要滿足： 境友好、省能、高效、低成本,新的煉鐵工藝是什么？,目前直接還原煉鐵工藝的評述,豎爐 工藝、裝備、技術(shù)成熟 還原氣體來源 使用較高質(zhì)量的球團(tuán)或塊礦價(jià)格比較高 流化床 “工業(yè)化-高難度” 最誘人之處是可以直接使用粉礦。 但粉礦還原后表面有高的能態(tài)，顆粒之間容易團(tuán)聚、燒結(jié)，從而造成失流。 為了防止粘結(jié)不得不降低反應(yīng)溫度，降低了生產(chǎn)效率，氣體循環(huán)量比較大。 HYL-I是流化床，HYL-III 變成了豎爐值得深思 即使開發(fā)流化床 POSCO起步比我們早，能否獲得自有知識產(chǎn)權(quán)很難說 轉(zhuǎn)低爐 傳熱效率低，能耗高 產(chǎn)量低，質(zhì)量差，適合于鋼鐵企業(yè)固廢處理 回

4、轉(zhuǎn)窯 規(guī)模小 傳熱效率低，能耗高 使用球團(tuán)或塊礦,目前直接還原煉鐵工藝，采用固相還原，還原溫度低， 導(dǎo)致還原速度低，生產(chǎn)效率難以和高爐比擬，不可能替代高爐 只能作為電爐生產(chǎn)高等級鋼的部分原料,對直接還原的總體看法,目前熔融還原煉鐵工藝的評述（1）,熔融還原的兩種反應(yīng)器,Eketorp熔融還原的理論碳耗,還原：Fe2O3+3C=2Fe+3CO 供熱：CO+1/2O2=CO2,如果在工藝上能夠?qū)崿F(xiàn)的話每噸鐵的理論碳耗僅為： 320kg/t,然而迄今還沒有實(shí)現(xiàn)該理想的目標(biāo) 傳統(tǒng)的高爐工藝 煤+焦500kg/t 化學(xué)能和物理熱利用最好的煉鐵工藝 （爐頂煤氣溫度200oC,CO2/CO1:1） CORE

5、X熔融還原工藝 煤+焦1100kg/t 原因是目前所有的熔融反應(yīng)器中不能實(shí)現(xiàn)還原和供熱同時進(jìn)行 FeO+CO=Fe+CO2(1400oC時CO2/CO15:85) 必須對煤氣的物理熱和化學(xué)能進(jìn)行利用,Romelt flowsheet,一步法熔融還原存在的問題,使用C直接還原需要吸收大量的熱量,1/2Fe2O3+3/2C=Fe+3/2CO H=246.940KJ/molFe,雖然可以通過增加二燃率來供給熱量，但是傳熱是一個限制性環(huán)節(jié),抗FeO侵蝕的耐火材料是一難題,一步法至今還沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,產(chǎn)品是鐵水，沒有解決工藝過程中的碳位反復(fù)的問題,COREX工藝流程,COREX 工藝輸出的煤氣質(zhì)量,煤氣

6、利用成為COREX工藝成敗的關(guān)鍵,SALDANHA STEEL,COREX工藝存在的問題,需要塊礦和塊煤，粉礦利用問題沒解決 煤氣的綜合利用問題， 大型化受預(yù)還原爐的限制， 能耗還是比較高，CO2排放量下將有限 金屬質(zhì)量遜于高爐鐵水,不同生產(chǎn)流程生產(chǎn)一噸鋼液產(chǎn)生的CO2 排放3,* 電力生產(chǎn)50%依靠化石燃料為能源。,韓國POSCO發(fā)展了COREX直接用粉礦和粉煤冶煉的FINEX技術(shù),兩步法熔融還原存在的問題,在終還原中為了使產(chǎn)出的煤氣有足夠的還原勢 必須將二燃率控制在較低的水平，勢必增加了能原消耗 碳燃燒成CO的放熱僅為燃燒成CO2的30% 如果有填充床對煤的爆裂和熱強(qiáng)度有較高的要求 為了增

7、加預(yù)還原爐中的還原速度，需要使用高揮發(fā)份的煤，以增加煤氣中的H2含量,H2-C熔融還原工藝由來,從資源戰(zhàn)略的角度來看，貧礦資源的利用技術(shù)關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的安全 因此，粉礦熔融還原技術(shù)必須開發(fā),用H2作為還原劑，降低還原反應(yīng)所需的熱量 1/2F2O3+3/2H2=Fe+3/2H2O H=50.013KJ/molFe 僅為C還原的五分之一 用較高燃燒率的氧-煤燃燒作為熱源，大大降低了煙氣量。 通過煙氣中H2O+CO=H2+CO2 產(chǎn)生還原用的H2， 從而達(dá)到工藝中H2的循環(huán)平衡 采用了部分H2還原，金屬不被C飽和，因此，解決了工藝中碳位反復(fù)的問題,從熱力學(xué)來講，高溫下H2的能力比CO強(qiáng),理 論

8、依 據(jù),從動力學(xué)來看H2的還原速度比CO快2個數(shù)量級，比碳快12個數(shù)量級,理 論 依 據(jù),工 藝 依 據(jù),在現(xiàn)有的熔融還原工藝都使用了高揮發(fā)份煤， 因此爐氣中含有20%H2 在上世紀(jì)70年代中科院化研所曾經(jīng)在電爐上 用礦石和純氫生產(chǎn)工業(yè)純鐵，獲得成功 因此 熔融狀態(tài)下用H2還原鐵礦是可行的，安全是有保障的,H2-C熔融還原反應(yīng)器設(shè)想,反應(yīng)器必須滿足以下的工藝要求： 直接使用粉礦 不用焦炭，使用低等級煤 煤氣中的CO轉(zhuǎn)化為H2并循環(huán)使用減少排放量 熔態(tài)下用H2快速還原,通過氧煤燃燒供熱（調(diào)節(jié)CO2/CO比例）減少碳耗 產(chǎn)品為低碳（C 0.5% ）低p的半鋼,反應(yīng)器設(shè)計(jì)思想,反應(yīng)器整合了Hisme

9、lt和Romelt工藝的優(yōu)點(diǎn) 采用間歇出渣出鐵 鐵礦和熔劑從爐頂加入 H2從爐底透氣磚吹入爐內(nèi) 渣型采用CaO-FeO-SiO2系 通過氧煤燃燒獲得熱量 水冷爐壁CaO-MgO質(zhì)耐火材料， 通過濺渣護(hù)爐技術(shù)提高爐襯的壽命,煤氣處理及氫的來源和循環(huán)系統(tǒng),利用CO在低溫下能與H2O反應(yīng)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)工藝中H2的循環(huán),供 風(fēng) 制 氧 方 案,真空解吸變壓吸附（VPSA）制氧流程圖,單列裝置產(chǎn)量可達(dá)5000Nm3/h，產(chǎn)品氧氣純度可達(dá)9095%。 生產(chǎn)每立方氧氣的電耗0.40 kwh。 投資省，為深冷法的60%。運(yùn)行成本低為深冷法的80%， 預(yù)計(jì)制氧成本為0.20.3元/Nm3。,工藝碳耗初步估算,碳熔融

10、還原碳耗估算 目前的熔融還原二燃率 2030%取30% 以1噸為基準(zhǔn) 鐵水物理熱耗碳 81kg 爐渣(300kg)物理熱耗碳 31kg 還原碳耗321kg 還原熱碳耗127kg 煤氣物理熱碳耗 （1200oC,1400Nm3） 191kg 合計(jì)751kg,H2-C熔融還原碳耗估算 氫碳還原比例為50%:50% 煤氣中CO/CO2=1:1 以1噸為基準(zhǔn) 鐵水物理熱耗碳 63kg 爐渣(300kg)物理熱耗碳 25kg 還原碳耗161kg 還原熱碳耗 36kg 煤氣物理熱碳耗 （1200oC,800Nm3） 95kg 合計(jì)380kg,對比兩種工藝技術(shù)可以發(fā)現(xiàn) H2-C熔融還原技術(shù)的碳耗明顯低于碳熔

11、融還原的碳耗 原因是將煤氣中的化學(xué)能充分利用,技術(shù)的創(chuàng)新之處,基于H2與熔融態(tài)的FeOx有非?？斓姆磻?yīng)速度和較低的熱量消耗，并結(jié)合C有 較強(qiáng)的還原勢和較高的燃燒熱值提出的H2-C綠色高效鐵礦熔態(tài)還原技術(shù) 在以下幾個方面有獨(dú)到之處： 為鋼鐵企業(yè)提供純凈的鐵源該技術(shù)采用了部分H2還原，為非C飽和的產(chǎn)品， 因此該產(chǎn)品中C、P、Si、Mn等雜質(zhì)元素含量 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前任何工藝生產(chǎn)的鐵水，解放了后 續(xù)生產(chǎn)工藝，解決了當(dāng)前鋼鐵生產(chǎn)過程中由于 碳位反復(fù)所造成的資源和能源的浪費(fèi)。 H2循環(huán) 采用將爐氣中的CO與H2O反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2，通過變壓吸附或膜技術(shù)從爐氣 中將大部分H2分離出來，使H2在工藝中循環(huán)，實(shí)現(xiàn)H2

12、的零消耗。 低排放 以前的熔融還原技術(shù)為了獲得較高的還原速度和要求爐氣具有較高的 還原勢就必須采取低的二燃率，增加了碳耗，從而造成排放量增加。 該技術(shù)采用H2還原，可使碳氧燃燒時增加CO2比例，減少了碳耗， 從而減少了排放量 長壽命 采用CaO-FeOx-SiO2渣系，搭配CaO-MgO耐火材料，并移植轉(zhuǎn)爐濺渣 護(hù)爐技術(shù)，可克服目前熔融還原技術(shù)耐火材料壽命低的缺點(diǎn),關(guān) 鍵 技 術(shù) 問 題,反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的控制技術(shù) 反應(yīng)器內(nèi)氧煤燃燒控制技術(shù) 傳熱與還原反應(yīng)匹配技術(shù) 爐氣中氫高效分離技術(shù) 渣型和耐火材料搭配技術(shù) 煤粉在熔渣中運(yùn)動控制技術(shù) 金屬液滴在爐渣中運(yùn)動控制技術(shù) 氫安全儲運(yùn)技術(shù),主 要 研

13、究 內(nèi) 容,主要研究內(nèi)容分兩大部分，一是應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工業(yè)化技術(shù)研究,應(yīng)用基礎(chǔ)研究 冶煉過程物理模擬和數(shù)值仿真 氫在熔態(tài)渣中還原FeOx動力學(xué)研究 煤粉顆粒在爐渣中的行為研究 還原出金屬顆粒在爐渣中的運(yùn)動規(guī)律 渣型對還原過程的影響研究 渣型對耐火材料侵蝕研究,技術(shù)工業(yè)化研究 煤氣轉(zhuǎn)化制氫技術(shù) 氫分離技術(shù) 氧-煤渣層中燃燒技術(shù) 氫安全儲運(yùn)技術(shù) 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制造 操作控制技術(shù),結(jié) 語,可持續(xù)發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必須遵守的原則 在21世紀(jì)由于鋼材的不可替代性，鋼鐵工業(yè)必須徹底改變現(xiàn)有的生產(chǎn)模式， 開創(chuàng)環(huán)境友好新型生產(chǎn)方式。 寶鋼作為我國最大的鋼鐵企業(yè) 要想成為世界最強(qiáng)的鋼鐵企業(yè)就必須研究和開發(fā)成套的、 有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋼鐵生產(chǎn)新流程。 隨著浦鋼的搬遷，寶鋼引進(jìn)了CORE