氢冶金与低碳经济

1、氢冶金与低碳经济中国在哥本哈根大会上庄严承诺：将在2020年之前使单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年减少40%-50%，实现这一目标并不意味着中国的二氧化碳排放量到2020年会减少，事实上，未来10年中国经济会有巨大增长，温室气体排放总量会增加。 中国把排放数字与经济发展联系到一起，其意义在于将努力走低碳道路，发展中国经济。为什么中国发展经济总是以二氧化碳排放量的增加为代价呢？主要由于未来十年工业发展还将沿用传统的碳化发展方式，或由于我国多煤，少油，少气的能源结构所决定。特别是钢铁工业按现在的发展方式，以现在的发展速度，二氧化碳的排放量成倍的增长，占排放总量20%以上，可见转变钢铁生产

2、方式，势在必行。碳冶金是钢铁工业传统发展方式的典型代表模式，高炉冶炼基本反应式为：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2。从反应式中不难看出，还原剂是碳，故称为碳冶金。最终产物是二氧化碳，因此之前的观念认为排放是天经地义的。氢冶金基本反应式Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，可以看出，还原剂为氢气，最终产物是水，当然二氧化碳是零排放。可见，将碳冶金改为氢冶金发展方式，是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择。开发氢冶金技术，首先遇到的是大容量氢制取的问题。在传统的钢铁生产过程中产生大量的氢资源，即焦炉煤气。按当前钢铁的生产规模估计，年产焦炉煤气500-600亿立方米，焦炉煤气中氢含量为55-64，总氢

3、资源为亿立方米以上，是氢冶金最经济、可靠的氢资源。直接还原炼铁是氢冶金在炼铁技术上的应用，国外气基竖炉直接还原铁生产技术已有百年的历史，但我国由于天然气缺乏，气基竖炉生产直接还原铁技术，末能取得突破。焦炉煤气生产直接还原铁半工业性实验，已经取得完全成功，同时证明用焦炉煤气生产直接还原铁比用天然气有突出优势。为了钢铁工业实现低能耗、低污染、低排放的可持续发展，必须大力发展焦炉煤气生产直接还原铁技术。二、 用焦炉煤气，气基竖炉生产直接还原铁（DRI）2.1 在高炉炼铁流程中，必须配备相应规模的炼焦厂，生产焦炭供给高炉炼铁。在炼焦煤干馏过程中产生大量的焦炉煤气，其化学组份如下表所示组份分析表明，焦炉

4、煤气氢含量55-64%，可见，焦炉煤气本身就是还原性气体。其中甲烷含量为23-25%，经裂解转化成氢和一氧化碳，重整后的焦炉煤气中氢含量可达70%，一氧化碳为30%，是气基竖炉直接还原的理想还原性气源。吨装入炼焦煤产生焦炉煤气为350-400m?，100万吨的焦化厂每小时产焦炉煤气50000-60000m?，吨直接还原铁需焦炉煤气618m?，100万吨规模焦化厂年产焦炉煤气可生产直接还原铁70-80万吨。我国焦炭的生产能力为2.6亿吨，将生产的焦炉煤气全部或部分用于生产直接还原铁，可以节省20-30%炼焦用煤，对保护我国的炼焦煤资源有重要意义。国外生产直接还原铁普遍采用天然气为气源，经高温热裂

5、解，转化成还原性气体进行直接还原炼铁。经研究比较，用焦炉煤气比用天然气有突出优势。其中，原料气重整过程节能近70-80%（甲烷含量比25%：95%）。因此，推荐用焦炉煤气生产直接还原铁，符合发展低碳经济的需要。2.2 用焦炉煤气生产直接还原铁工艺流程2.3工艺流程和工艺特点的描述直接还原工艺是用焦炉煤气重整得到的氢为还原剂生产直接还原铁的工艺，是氢冶金在炼铁工艺中的应用。在竖炉反应器中，以下三种化学反应同时进行，以氢冶金过程为主。（1）自重整反应：CH4+H2O=CO+3H2（水煤气制氢CH4+CO2=2CO+2H2（甲烷裂解制氢（2）还原反应：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2（碳冶金Fe

6、2O3+3H2=2Fe+3H2O（氢冶金）（3）渗碳反应：直接还原反应机理的剖析从（1）自重整反应式中，阐明用反应塔中的金属铁为触媒 （不需反应塔外的催化剂，称自重整）。在600-700高温，有催化剂存在的条件下，将焦炉煤气中的甲烷重整为氢和一氧化碳，加上焦炉煤气中氢组份，形成含氢70%，含一氧化碳30%的还原性气体，成为直接还原大容量氢资源。从（2）还原反应式可以看到氢冶金炼铁过程用氢作还原剂，该过程的最终产物是水，而不是二氧化碳，或称氢冶金为二氧化碳零排放。从（3）式中，不难看出反应塔中同时发生渗碳反应，因此，该工艺可以生产高碳直接还原铁（含碳3-6%）焦炉煤气在反应塔中进行重整反应和还原

7、反应，煤气组成发生较大变化如下表：从上表中发现，在反应塔的顶气中，氢含量为49.0%，CO2 含量10.4%。为了合理利用氢资源，在工艺流程中设计氢资源循环利用系统。顶气经过脱水后，在选择性吸收CO2装置中回收CO2。脱CO2后的顶气与原料气一起送入反应塔循环利用。这样，原料气中的氢利用率为100%。如果系统中的CO2全部回收，系统中的CO2排放量为零。这正是低碳经济所期待的。三、 钢铁冶金传统流程与短流程3.1 钢铁冶金短流程及物料，能量平衡 我国现有独立焦化厂（原城市煤气焦化厂）生产焦炭占全国焦炭总产量的62%，产生大量的焦炉煤气可用于生产直接还原铁，作为电炉炼钢的精料，生产热轧材。形成我

8、国特有的钢铁冶金短流程，如下示意图： 本工艺最大特点之一是利用焦炉煤气生产直接还原铁，这样不仅可以合理利用焦炉煤气，而且为氢冶金准备大容量氢资源，同时为钢铁冶金超低二氧化碳排放找到新途径。如果将直接还原过程产生的二氧化碳全部选择性吸收，二氧化碳排放为零排放，二氧化碳排放只发生在选矿，球团燃料燃烧的过程。 气基竖炉直接还原铁工厂所生产的直接还原铁为高纯铁（硫，磷含量为0.002以下）100%的直接还原铁在电弧炉中炼钢，生产高纯钢，生产高质量热轧材。3.2传统钢铁冶金长流程及物料，能量平衡我国的钢铁冶金长流程是沿用传统的高炉，转炉流程。碳冶金为工艺流程的主要特点。高炉炼铁耗用大量焦炭，在还原过程中

9、全部转化为二氧化碳。因此。二氧化碳高排放成为高炉，转炉流程的最大弊病。传统的工艺流程中，必须配以烧结，炼焦工序。在生产过程中产生大量的二恶瑛，3，4苯并比，成为钢铁生产中的最大污染源。工艺流程示意图如下：本工艺过程中产生大量的焦炉煤气，高炉煤气，转炉煤气全部用于发电，这样的能源转换效率是比较低的，而在上述三种燃气中有大量的氢气，一氧化碳是高效的还原剂，应成为还原过程的原料，代替焦炭，发展非焦炼铁技术。不应该将高效的还原剂作为燃料燃烧，因为氢气的发热值仅为2580Kcal/m3 , 故不能作为燃料，应作为原料。本工艺耗用大量的炼焦煤。预测我国炼焦煤资源，只能使用25-30年，不保护，代替炼焦煤资源，钢铁工业可持续发展不能得到保证。利用焦炉煤气生产直接还原铁，可节省20-30%炼焦煤。 两种流程碳排放量的比较用焦炉煤气生产直接还原铁短流程与高炉转炉长流程碳排放量比较，见下表：从上表中可以看出：DRzrEAF（直接还原铁-电炉炼钢短流程）与 BF-BOF（高炉铁-转炉炼钢长流程）比较，二氧化碳排放减少四 、 结论4.1 氢冶金是转变钢铁工业发展方式的核心技术，是改变当今钢铁生产高能耗、高污染、高排放被动局面的可行、有效的技术措施，是钢铁工业发展低碳经济的合理选择。4.2 利用焦炉煤气生产直接还原铁是氢冶金在钢铁生产中的科学应用，是节省炼焦煤，减少碳污