项目名称低碳节能流态化还原炼铁关键技术基础

1、项目名称: 低碳节能流态化还原炼铁关键技术基础提名单位: 北京科技大学完成单位: 北京科技大学, 中国科学院过程工程研究所主要完成人: 郭占成,王明涌,公旭中,宋学平,王志,邵剑华,唐惠庆项目简介:钢铁工业是国民经济建设的支柱产业，我国钢铁产量已达世界的50%以上。近中期内，我国钢铁产量仍将保持高位水平。由于传统钢铁生产存在能耗高、碳排放大的问题，因此，低碳节能钢铁生产新技术是钢铁工业可持续发展的重大需求。从铁矿粉到金属铁，是钢铁生产最主要过程。传统高炉炼铁，铁矿粉和粉煤分别经烧结和焦化造块，然后烧结矿与焦炭装入高炉并喷吹热风和煤粉实现碳热还原炼铁，这是一个能耗高、污染重、碳排放大的长流程过程

2、，能耗和污染物及碳排放都占钢铁生产全流程的70%以上。为解决这些问题，世界冶金科技工作者早在上世纪初就开始研究铁矿粉直接流态化还原炼铁技术，还原剂可为煤气化产生的中高温CO气，或天燃气重整产生的以H2为主的中高温CO-H2气。由于CO还原Fe2O3是放热反应，而H2还原Fe2O3是强吸热反应，要维持高温过程，还原气体CO-H2的H2/CO要适当，理想组成与流态化还原工艺及技术参数控制有关。因此，要实现铁矿粉流态化还原炼铁的低能耗和低碳排放，首先必须解决低成本低能耗且H2/CO可调的高温还原气制备技术。此外，铁矿粉流态化还原炼铁，虽然是一个节能减排的低碳炼铁技术，但是，几十年来，由于铁矿粉还原过

3、程发生颗粒粘结失流，致使这一技术一直未能工程化应用。由此可见，解决CO-H2还原气制备技术和铁矿粉还原过程的粘结失流技术，是铁矿粉流态化还原炼铁低碳节能的关键。针对铁矿粉流态化还原炼铁的节能减碳还原气制备，在“863”项目的支持下，提出了能源互补、节能、低碳的煤与天然气共气化制备H2/CO可调高温还原气的新技术原理，揭示了共气化参数对产物气体H2/CO比例的可控调节规律，并完成了气体产量100 m3/h级技术验证；提出了粉煤负载Fe2O3催化煤气化新技术，解析了粉煤催化气化过程中煤焦结构演变规律及Fe2O3粒径对催化效果的影响规律，据此发明了催化剂负载方法，大幅度降低了Fe2O3用量并提高催化

4、效果；在国家自然科学基金项目支持下，提出了超重力强化水电解制氢技术，阐明了超重力电解节能机理，解析了基于气泡快速分离的强化机制，形成节能高效易于大规模制氢的创新方法，可支撑流态化低碳冶金H2/CO比的动态调节。针对铁矿粉流态化还原炼铁粘结失流的技术瓶颈，在国家自然科学基金重点项目支持下,发现了铁矿粉流态化还原过程矿粉颗粒粘结失流机理，即还原矿粉颗粒表面生成高活性不规则微米尺度铁晶须，不同颗粒表面的铁晶须碰撞勾连和粘结造成颗粒团聚长大失流；揭示了反应温度和常见化合物对铁晶须生成的影响规律，据此发明了铁矿粉表面经Mg(OH)2处理有效抑制粘结失流新技术。本项目对于认识铁矿粉流态化还原炼铁粘结失流问

5、题、解决失流技术瓶颈、开发低碳炼铁工程技术具有重要价值，也对化工合成气制备新技术开发具有重要价值。煤与天燃气共气化技术研究，两次被提名Eni Award(埃尼奖)，基于此基础研究，我国西北化工研究院开发成功了煤与天燃气共气化技术及装备。研究过程发表高水平学术论文30多篇，出版著作煤气化新技术与原理、流态化还原铁矿粉粘结失流机理与抑制技术。代表性论文（专著）目录序号论文（专著）名称/刊名/作者年卷页码（xx年xx卷xx页）发表（出版）时间（年月日）通讯作者（含共同）第一作者（含共同）国内作者他引总次数检索数据库论文署名单位是否包含国外单位1Technologies for direct prod

6、uction of flexible H2/CO synthesis gas/Energy Conversion and Management/Xueping Song, Zhancheng Guo2006, 47: 560-5692006年3月1日Zhancheng GuoXueping Song宋学平，郭占成76Web of science否2Variation of char structure during anthracite pyrolysis catalyzed by Fe2O3and its influence on char combustion reactivity/Ene

7、rgy & Fuels/Xuzhong Gong, Zhancheng Guo, Zhi Wang2009, 23: 4547-45522009年8月6日Zhancheng GuoXuzhong Gong公旭中，郭占成，王志65Web of science否3Water electrolysis enhanced by super gravity field forhydrogenproduction/International Journal of Hydrogen Energy/Mingyong Wang, Zhi Wang, Zhancheng Guo2010, 35: 3198-320

8、52010年4月1日Mingyong WangMingyong Wang王明涌，王志，郭占成47Web of science否4Influence of temperature on sticking behavior of iron powder in fluidized bed/ HYPERLINK /link?url=M111Kn7k9FYmZ6bt_YwpOxTIdIsBlwuMgRdblujksmCvp2D3nA47lAaAzWKAa8bLXAy4K6mg-dihjIuW3BCVelMzMS26F4LzZaFFp_09529Ppejv8hAz77xYg9HuWp5p ISIJ Int

9、ernational/Jianhua Shao, Zhancheng Guo, Huiqing Tang2011, 51：1290-12952011年8月15日Zhancheng GuoJianhua Shao邵剑华，郭占成，唐惠庆19Web of science否5The intensification technologies to water electrolysis for hydrogen production A review/Renewable and Sustainable Energy Reviews/Mingyong Wang, Zhi Wang, Xuzhong Gong

10、, Zhancheng Guo2014, 29: 573-5882014年1月1日Mingyong WangMingyong Wang王明涌，王志，公旭中，郭占成293Web of science否主要完成人情况表：姓名排名职称工作单位完成单位对本项目主要学术贡献郭占成1教授北京科技大学北京科技大学本项目的负责人和主要完成人，代表性论文1，2和4的通讯作者，对铁矿粉流态化还原、煤-天然气共气化和煤催化气化做出最主要贡献，对超重力电解做出主要贡献。发现了铁矿粉流态化还原过程中的矿粉颗粒粘结失流机理，发明了铁矿粉表面经Mg(OH)2处理有效抑制铁矿粉还原过程粘结失流的技术。提出基于高温还原气的能源

11、互补、节能、低碳新技术原理，提出金属氧化物催化煤气化思路，提出并与第二完成人、第五完成人共同设计研制超重力强化水电解制氢研究平台与原型装置。王明涌2教授北京科技大学中国科学院过程工程研究所代表性论文3和5的第一兼通讯作者，对超重力场电解制氢做出最主要贡献。探明超重力场水电解制氢节能规律，建立气泡分离模型并解析水电解强化机制；创新性提出超重力场构建适应波动电流的自支撑分级多孔润湿性析氢电极；与第一完成人、第五完成人共同设计研制了超重力强化水电解制氢研究平台与原型装置，解决了动态超重力场-静态控制系统间电极表面原位观测图像信号、电解电流的不失真传输。公旭中3副研究员中国科学院过程工程研究所中国科学

12、院过程工程研究所代表性论文2的第一作者，对煤催化气化做出主要贡献。研究了催化气化过程煤焦表面分子结构-微晶-微孔多尺度结构演变规律，从分子尺度上解析了金属氧化物的催化机理；通过催化剂与煤颗粒接触界面结构调控规律，建立了催化剂负载方法，大幅度提高催化效果。宋学平4高级工程师安泰环境工程技术有限公司中国科学院过程工程研究所代表性论文1的第一作者，对煤-天然气共气化做出主要贡献，系统研究了共气化参数对于产物气体H2/CO比例影响规律，并完成了气体产量100 m3/h级的技术验证。王志5研究员中国科学院过程工程研究所中国科学院过程工程研究所代表性论文3和5的第二作者，代表性论文2的第三作者，对煤催化气化和超重力场水电解制氢做出主要贡献。提出了参比差热法，构建了无烟煤催化气化过程评价新方法；与第一完成人、第二完成人共同设计研制了超重力强化水电解制氢研究平台与原型装置，解决了动态超重力场-静态控制系统间温度控制信号与功率、氢气等的精确同步传输