钢铁行业氢冶金技术的发展探究

钢铁行业氢冶金技术的发展探究

张昆

重庆科技学院，重庆市 沙坪坝 401331

内容：由于全球气候的持续改变，以及中国的环境保护力量逐渐加强，中国的钢铁生产面对了巨大挑战。中国钢铁生产每年都要耗费大量的煤炭资源，并排出了大量的超临界二氧化碳。而氢能则是一个环保有效的二次能量，来源充足、能量密度极大。为克服中国钢铁工业低发展高污染的状况，氢冶金科技一直被人们寄予厚望。但目前，氢冶金的产业化应用仍处在起步阶段。文章阐述了中国工业生产过程中储氢材料的主要种类及其生产储氢材料的方式，还剖析了中国传统冶金过程中使用氢能的方法工艺，并研究指出了氢冶金科技研究与产业化的发展走向。

关键词：CO2减排；氢能；氢冶金

1氢气的分类和制备方式

1.1氢气的分类

目前制约我国氢能利用和发展的主要因素是储氢材料的制备。氢按其生产方法，通常可分为绿氢、蓝氢、青氢、灰氢。“绿色氢”是一种纯可再生能源所产生的氢气，它不会产生任何的碳排放，也不会产生任何温室效应；而蓝氢，是通过煤炭或者天然气的转化而来的氢气，它的裂解所产生的二氧化碳，必须通过碳的储存技术将其掩埋在地下；而青氢，则是通过高温燃烧的煤气，产生的副产品是易于回收的碳。

1.2氢气的制备方法

中国目前的钢铁工业规模较大，但是氢能源的来源却是目前国内急需解决的问题。目前较为成熟的制氢技术有两种，一种是矿物燃料与蒸气相结合，通过化学催化得到储氢物质和超临界CO₂，然后再通过变压吸收、膜分离蒸馏等工艺，获得高纯度储氢材料。目前，西欧地区约百分之九十四的氢气生产都来源于化石燃料，其中，约百分之五十四是天然气制氢工艺，百分之三十一是原油制氢工艺，百分之九是煤炭制氢工艺，而在我国，煤炭制氢工艺的占比已达到了百分之五十。还有一类方法是用电解液制氢，其办法是把一个电极放在电解液中，通电后将水解而得的储氢材料。上述二个方法都会释放二氧化碳，生成的储氢材料就属于灰氢。想要同时获得低碳的蓝氢和零碳的绿氢，就必须逐步发展更为环保的制氢工艺方式。

2氢冶金的应用

2.1氢冶金的基本原理

碳冶金是中国钢铁工业代表性的发展模式，冶金的基础反应型是Fe₂O₃+3CO=2Fe+3CO₂，碳可以成为还原药物并形成中间产物超临界二氧化碳。而氢冶金的定义就是根据碳冶金的定义而提出的，氢冶金的基础反应型是Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O，由于储氢材料已经代替了还原药剂并且产品为水，因此超临界二氧化碳的排放量为零。从氢冶金动力学分析，用氢气还原氧化铁的动力学条件通常要高于CO，储氢材料的物质传输速度明显大于CO的物质传输速度；而相对于CO的还原动力学条件，富氢煤气或纯氢气的还原动力学条件则有所提高。

2.2氢冶金的工艺

由于钢铁工业中的炼钢主要集中在高温地区，因此，提高氢气的利用比例是当前技术革新的最佳途径。在炼铁生产中，氢冶炼技术主要采用向高炉添加富氢气介质。目前，尽管一些高炉采用富氢气体来减少碳排放，但碳仍然是最重要的还原氧化铁成分。在传统的钢铁生产工艺中，将会产生大量的氢气。从图三可以看出，按照氢冶金的基本理论，除了传统的高炉内氢冶炼技术外，还可以将焦炉气体（COG）、天然气（NG）以及塑料等喷入鼓风炉。同时，焦炉煤气中也含有大量的氢、 CO等有价金属。采用这种方法，不仅可以大幅度地提高炼焦效率，而且还可以显著降低焦比和CO₂的排放。焦炉煤气的处理工艺分为净化处理、高压处理和利用各分支管道间的风口向高炉喷入。COG的优点有：一是提高了焦炉煤气的利用率，二是提供了较好的还原剂，降低了能源消耗，同时也使还原效率和生产能力得到了极大的改善。最后，由于储存氢气的主要还原物质是水，不含二氧化碳，因此，CO₂的排放得到了更好的控制，如果再增加50立方米的焦炉气体，那么，每吨铁的CO₂排放量就会减少大约5%。气体中的主要成分是空气中的甲烷。气体通过风口进入高炉后，会被氧化生成 H₂和 CO。带来热能和高质量的还原剂。用煤气部分取代煤焦油能够有效减少超临界二氧化碳排放量，改善铁水品质。喷吹煤气的好处是：供应高品质、洁净的H₂作为还原剂；减少焦比，增加高炉产量；减少硫负荷，改善铁水品质。一旦还原煤气中的硫浓度达到百分之十，则高炉的碳消耗大约降低了百分之十。然而，气体的注入也存在一些问题和挑战。高温喷吹后，由于煤气用量和焦比降低，使混合炉料的热透气率有所降低，而炉膛内的热压差系数往往会增大，从而给高炉的正常使用带来一定的难度。废塑料中具有大量的碳和硫，在化学构造和成分上与重质原油类似，所以适合用作高炉中生产的燃料和还原剂。在钢铁产业废塑料的使用技术中，高温喷吹式废塑料技术由于有着资源充足、碳氢含量高、硫和灰分较少、环境污染小等优点，被认为是最有前景的新技术之一。对废塑料进行分级、粉碎、造粒等后处理，取代了部分煤粉锅炉直接从风口泻落高炉，目前最大喷吹量已达到60kg/t，理论废塑料的最高喷吹量约在200kg/t。这不但能够进行废弃物的循环使用，降低化石资源的损耗，还能够增加铁水的产出与品质。从二十一世纪起，中国就在研发废塑料灌注再成型技术。宝钢、鞍钢等钢厂也开展过有关实验，并获得了不错的成效，但因为废塑料中含有超高浓度的聚氯乙烯，且必须脱氯处理、生产成本较高且无法得到长期稳定的塑料供给等因素，并没有进行过大面积的工业化生产。

结论

中国的传统钢铁联产公司，由于受到储氢材料的大量生产、仓储、物流等条件的制约，一时无法做到以氢代煤的方法进行氢冶金工程，因而必须以当前科技要求为依据，寻求更适应中国传统钢铁企业的发展思路。因此未来的制氢工艺方法，需要更多的资源转向蓝氢和绿氢，以降低制氢工艺流程中的碳排放量。但从技术经营视角来看，现阶段发展钢铁公司较合理的方式是对传统过程中富氢资源循环利用率与能量转化的深层次潜能发掘。而氢能行业则与冶金工程产业走合作的开发模式，可以产生优势互补，从而达到双赢效果。

参考文献

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