1、,氫冶金工藝,一氫冶金工藝的簡介 二氫冶金與傳統(tǒng)冶金工藝的比較 三氫冶金中氫氣的制取 四氫冶金的發(fā)展與展望,氫冶金簡介,產(chǎn)生背景： 由于煉焦煤和焦炭資源的日益短缺,限制了傳統(tǒng)煉鐵工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此上世紀(jì)末進(jìn)行了發(fā)展氫冶金工藝,替代碳還原劑的可行性分析。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展,焦煤短缺大量排放環(huán)境污染嚴(yán)重等問題日益凸顯。氫作為一種清潔能源和優(yōu)良的還原劑,其在冶金工業(yè)中的應(yīng)用前景越來越受到人們的重視，認(rèn)為氫作為還原劑用于煉鐵工藝,不僅可行,而且有許多傳統(tǒng)煉鐵工藝不可比擬的優(yōu)勢。,何為氫冶金?,所謂氫冶金,即在還原冶煉過程中主要用氣體氫作還原劑,進(jìn)行還原反應(yīng)的無污染的新冶金工藝。,氫還原工藝

2、的基礎(chǔ)研究,富氫煤氣還原鐵礦的生產(chǎn)工藝在世紀(jì)中葉已實現(xiàn)了工業(yè)化目前成熟的生產(chǎn)工藝有工藝和工藝然而它們使用天然氣和塊礦利用粉礦生產(chǎn)海綿鐵雖然有許多的研究工作但至今在生產(chǎn)過程中仍存在諸多問題高溫下還原后海綿鐵黏結(jié)是關(guān)鍵問題為了避免海綿鐵黏結(jié)問題提出了低溫氫還原低溫氫冶金的關(guān)鍵技術(shù)是如何強(qiáng)化氫與鐵礦的反應(yīng)速度提高生產(chǎn)效率。,低溫氫還原鐵礦 冷等離子體氫強(qiáng)化氧化物還原 微納米級鐵礦粉氣相還原 碳?xì)淙廴谶€原工藝,碳?xì)淙廴谶€原工藝,為克服目前熔融還原存在的問題，實現(xiàn)降低能耗和合理利用資源，氫碳熔融還原工藝中心思想是將碳作為熱源和部分還原劑，用作為重要還原劑。的來源是將爐氣通過水煤氣轉(zhuǎn)化，即，通過變壓吸附技

3、術(shù)，將轉(zhuǎn)化后的煤氣中除去，通過煤氣的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)循環(huán)的利用。工藝原理為： 還原： 供熱： 制氫： 總反應(yīng)為：23 該工藝思想解決了當(dāng)前熔融還原工藝碳直接還原需高熱量和強(qiáng)還原氣氛的矛盾。該工藝每噸鐵的理論碳耗為。鐵浴爐中鐵氧化物的還原是一個非常復(fù)雜的過程，煤加入反應(yīng)器中無法完全避免參與還原，因此，實際能耗要高于理論值。如何發(fā)揮氫氣在熔融還原中的作用，是該工藝的關(guān)鍵。,一工藝?yán)碚?二工藝流程,在考察和總結(jié)目前熔融還原工藝的基礎(chǔ)上，基于只能使用粉礦和煤的前提，提出鐵粉礦終還原路線設(shè)想,該工藝將終還原爐煤氣預(yù)熱到，預(yù)還原度，用噴吹方式加入終還原爐。煤主要用作發(fā)熱劑，將其粉碎成煤粉，氧煤燃燒為終還原爐提供熱

4、量。水煤氣轉(zhuǎn)化將終還原爐煤氣中的轉(zhuǎn)化為，從爐底吹入終還原爐作為部分還原劑。一方面利用了煤氣中的化學(xué)熱，另一方面降低了氫還原所需熱量，從而減輕了爐缸的熱負(fù)荷，有利于提高生產(chǎn)效率。由于爐渣中含左右的，有利于脫磷，生產(chǎn)鐵水質(zhì)量優(yōu)于高爐。,三碳?xì)淙廴谶€原的物料與能量平衡 以神府煤和澳大利亞礦為基礎(chǔ)，根據(jù)熱模擬的試驗結(jié)果，當(dāng)碳?xì)溥€原比為時工藝流程的物流見圖。 靜態(tài)模型計算結(jié)果表明，碳?xì)淙廴谶€原的能耗低于當(dāng)前所有的熔融還原工藝，直接利用高磷礦和非焦煤，其生產(chǎn)成本將低于高爐。,氫冶金與傳統(tǒng)冶金工藝,一氫冶金與碳冶金 二高爐噴吹與氫冶金 三直接還原煉鐵與氫冶金,一氫冶金與碳冶金,碳冶金是固體碳(焦炭等)在不完

5、全燃燒條件下轉(zhuǎn)化成CO,進(jìn)行還原反應(yīng)。氫在還原劑中是最活潑的還原劑,氣體氫直接參與還原反應(yīng)不需任何轉(zhuǎn)換。因此,氫冶金與碳冶金比較,無論是還原效率還是還原速率,前者均大大高于后者。 Fe2O3+3H22Fe+3H2O Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 H2/CO=18.667/1.333=14.0,經(jīng)過化學(xué)方程式計算，可以得到氫的還原潛能與一氧化碳的還原潛能相比較,前者是后者的14.0倍。 由此可見,大力開發(fā)和發(fā)展氫冶金,可以大大提高金屬還原效率,成倍地提高金屬冶煉的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。同時,可以大大減少金屬冶煉過程中碳還原劑的消耗,從而大大降低鋼鐵生產(chǎn)中的煤耗,確保鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。,二高

6、爐噴吹與氫冶金,近年來,高爐流程最突出的技術(shù)進(jìn)步即是高爐噴吹技術(shù)。通過高爐富氧大噴吹,使高爐利用系數(shù)大大提高,燃料消耗大大降低。各項技術(shù)指標(biāo)用碳還原劑的熱平衡和物料平衡式是難以解讀的。以寶鋼4350m3高爐為例,各項操作指標(biāo)已達(dá)到國際一流水平,或稱高爐技術(shù)的尖鋒。1號高爐利用系數(shù)為2.27t/(m3d),三年平均噴煤水平為223kg/t,高爐的焦比下降到265.6kg/t,燃料比為499.5kg/t。如何解釋高爐噴吹的奇特功效,除用碳冶金學(xué)原理外,不能不利用氫冶金動力學(xué)原理加以解讀。噴入高爐中的煙煤,在高爐中首先在高溫條件下氣化,產(chǎn)生大量碳?xì)浠?。碳?xì)浠镆愿郀t中的氧化鐵作觸媒,高溫?zé)崃呀獬蒆

7、2+CO(有氧的條件下),氫氣與鐵精礦進(jìn)行還原反應(yīng),大大提高高爐的還原效率,改善了高爐各項技術(shù)指標(biāo)。基于氫冶金學(xué)原理,進(jìn)行了向高爐中噴吹塑料、焦?fàn)t氣和天然氣以及直接還原爐頂氣的試驗,均取得了滿意的試驗成果。,三直接還原煉鐵與氫冶金,氣基自重整豎爐中直接還原反應(yīng)機(jī)理如下: CH4+H2OCO+H2 CH4+3FeFe3C+2H2 H2+FeOFe+H2O CO+FeOFe+CO2 CO2+H2CO+H2O,從反應(yīng)式中不難看出: (1)原料中的CH4參與反應(yīng),產(chǎn)生H2,為氫冶金提供氫源。 (2)氧化鐵還原主要靠氫(還原性氣體中H2含量要求達(dá)到70%,30%的CO當(dāng)然也與氧化鐵進(jìn)行還原反應(yīng))?？梢哉f

8、直接還原技術(shù)就是氫冶金技術(shù)。 (3)CO2與H2反應(yīng)生成CO+H2O,使反應(yīng)過程中CO2的排放量大大減少,有利于直接還原技術(shù)的環(huán)保效應(yīng)(直接還原中的CO2排放量與高爐流程比較減少34%)。 綜上可見,直接還原技術(shù)或氫冶金技術(shù),關(guān)鍵在于大容量氫的制取,或者說制氫原料的選擇,還原氫氣的制取,由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)屬于大規(guī)模生產(chǎn)，如何制取足量氫氣是氫冶金工藝應(yīng)用于生產(chǎn)必須面臨的問題。目前常用的氫氣制取方法有電解水法和石油裂化法，但這兩種方法不僅資源利用效率低，所用能量來源依然以含碳能源為主，無法有效降低碳排放。,1煉鋼過程含能氣體制氫 利用鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的含能氣體制氫是減少CO2排放的一種手段，當(dāng)前鋼鐵聯(lián)合

9、企業(yè)的含能氣體有： 高爐煤氣(H23一5、CO20) 熔融還原爐氣(H220、CO50) 轉(zhuǎn)爐煤氣(CO40一70) 焦?fàn)t煤氣(H255、CH425、CO5%) 目前大部分廢氣都用于發(fā)電。但發(fā)電的熱效率只有40左右。如果將這些含能氣體通過水煤氣變換法制取氫氣將大幅度提高能源利用效率，并為氫冶金提供氫氣。,2可燃冰制氫 可燃冰是一種天然氣水合物，具有極高熱值。目前全球已探明儲量高達(dá)1.1萬億噸，是傳統(tǒng)化石能源儲量的兩倍以上。雖然現(xiàn)在開采還有困難，但一旦擁有成熟開采技術(shù)，便可以為冶金行業(yè)提供大量氫氣。,3廢舊輪胎制富氫還原氣體 我國是世界上最大的汽車消費市場之一，汽車輪胎的消耗量也是與日俱增，隨之

10、而來的大量廢棄輪胎該如何處理也成為問題。2009年，我國年產(chǎn)生廢輪胎233億，重量860萬噸。由于生產(chǎn)過程需加入硫來硬化橡膠與防止高溫變形，所以很難用常規(guī)方式處理。但對廢舊輪胎的原料進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)它具有高熱值，低水分，低灰分的特點。 在高溫下，采用部分氧化技術(shù)，使廢舊輪胎中的碳?xì)浠衔镌谘鹾退羝淖饔孟律蓺浜鸵谎趸迹矗?CnHm+O2+H2O一C0+H2 通過調(diào)節(jié)蒸汽的供給量來調(diào)節(jié)煤氣中的氫含量，為氫冶金提供富氫還原氣體，同時還解決了固體廢棄物的問題。,氫冶金的發(fā)展與展望,鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè)，屬于能源、水資源、礦石資源消耗大的資源密集型產(chǎn)業(yè)，尤其是現(xiàn)階段傳統(tǒng)的碳

11、冶金對環(huán)境污染甚重。 而氫冶金中，無碳和低碳能源開發(fā)和利用氫能，具有來源豐富熱效率較高、能量密度大地使用清潔可運輸、可儲存和可再生等特點，在節(jié)能減排，減小環(huán)境污染方面具有更加突出的優(yōu)點。,以清潔能源技術(shù)推進(jìn)“綠色鋼鐵夢”,清潔能源冶金技術(shù)是指冶金過程所需的能量和還原劑全部都由清潔能源提供的技術(shù)，也可稱為非碳冶金技術(shù)。 清潔能源冶金 系統(tǒng)是一個獨立的清潔能源冶金工程的體系。現(xiàn)行的鋼鐵冶金生產(chǎn)是碳冶金，伴隨著大量的能源消耗和溫室氣體的排放。所以，鋼鐵企業(yè)冶金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與能源技術(shù)息息相關(guān)，能源技術(shù)也是冶金技術(shù)的一個重要基礎(chǔ)。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，由鐵礦石中提取鐵元素的工藝都是依靠碳元素作為還原劑以及

12、提供能源來實現(xiàn)的，其中還原消耗的碳量約占 70%，能源消耗約占 30%。因此，使用清潔能源技術(shù)不僅要提供所消耗的能量，還必須解決提供電子的還原介質(zhì)。,在碳冶金工藝中，氣相還原劑是CO。即使是非焦煉鐵工藝，也依然要使用天然氣等含碳還原劑。為此，清潔能源冶金首選氫氣作為還原劑。而氫冶金給鋼鐵企業(yè)帶來了一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)。 其中，使用清潔能源大量制取氫氣的技術(shù)也應(yīng)運而生。電解法制氫技術(shù)是選擇之一，但大規(guī)模電解制氫存在許多技術(shù)問題，例如電解液的選擇、電極效率、電極的壽命以及維護(hù)、環(huán)境保護(hù)等等，另外經(jīng)濟(jì)性也要考慮。 通過計算可知，氫的消耗量與鐵的產(chǎn)出量摩爾比約為4:1，即每制取1噸鐵金屬需電解水0.64噸

13、以上，可見電解耗水量與鋼產(chǎn)量大致相當(dāng)。年產(chǎn)100萬噸的鋼廠，還原用氫耗水（電解水）約為80100噸/小時。冶煉過程中還原產(chǎn)物和燃燒產(chǎn)物都是水汽，所以總的水耗量僅為放散損失，水汽的回收利用也需要鋼鐵企業(yè)有所考慮。 同時，企業(yè)還要考慮還原氣體產(chǎn)物中過量H2的回收利用問題。此外，氫還原獲得的鐵金屬經(jīng)過熔化、精煉，其中夾雜、氣體的去除和鋼的性質(zhì)研究，也涉及許多技術(shù)問題需要解決。,氫冶金面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇,在鋼鐵冶金過程中，金屬氧化物的還原本質(zhì)上是電子的得失，清潔能源可通過電解技術(shù)直接提供電子，或者用電解方法制取氫氣，再通過氫冶金技術(shù)還原金屬氧化物的方法，從而實現(xiàn)“非碳冶金”。,由此可見，清潔能源對我國鋼鐵工業(yè)綠色低碳發(fā)展將起到重要作用。但是，我們也應(yīng)該看到，發(fā)展清潔能源冶金技術(shù)，依然存在諸多問題。比如，清潔能源取代傳統(tǒng)的能源特別適合與各種電冶金技術(shù)相對接，但要解決整個系統(tǒng)的能量、電壓、電流的匹配整