氫冶金與低碳經(jīng)濟

1、氫冶金與低碳經(jīng)濟中國在哥本哈根大會上莊嚴承諾：將在2020年之前使單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年減少40%-50%，實現(xiàn)這一目標并不意味著中國的二氧化碳排放量到2020年會減少，事實上，未來10年中國經(jīng)濟會有巨大增長，溫室氣體排放總量會增加。 中國把排放數(shù)字與經(jīng)濟發(fā)展聯(lián)系到一起，其意義在于將努力走低碳道路，發(fā)展中國經(jīng)濟。為什么中國發(fā)展經(jīng)濟總是以二氧化碳排放量的增加為代價呢？主要由于未來十年工業(yè)發(fā)展還將沿用傳統(tǒng)的碳化發(fā)展方式，或由于我國多煤，少油，少氣的能源結(jié)構(gòu)所決定。特別是鋼鐵工業(yè)按現(xiàn)在的發(fā)展方式，以現(xiàn)在的發(fā)展速度，二氧化碳的排放量成倍的增長，占排放總量20%以上，可見轉(zhuǎn)變鋼鐵生產(chǎn)

2、方式，勢在必行。碳冶金是鋼鐵工業(yè)傳統(tǒng)發(fā)展方式的典型代表模式，高爐冶煉基本反應式為：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2。從反應式中不難看出，還原劑是碳，故稱為碳冶金。最終產(chǎn)物是二氧化碳，因此之前的觀念認為排放是天經(jīng)地義的。氫冶金基本反應式Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，可以看出，還原劑為氫氣，最終產(chǎn)物是水，當然二氧化碳是零排放?？梢姡瑢⑻家苯鸶臑闅湟苯鸢l(fā)展方式，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟的最佳選擇。開發(fā)氫冶金技術(shù)，首先遇到的是大容量氫制取的問題。在傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的氫資源，即焦爐煤氣。按當前鋼鐵的生產(chǎn)規(guī)模估計，年產(chǎn)焦爐煤氣500-600億立方米，焦爐煤氣中氫含量為55-64，總氫

3、資源為億立方米以上，是氫冶金最經(jīng)濟、可靠的氫資源。直接還原煉鐵是氫冶金在煉鐵技術(shù)上的應用，國外氣基豎爐直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)已有百年的歷史，但我國由于天然氣缺乏，氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)，末能取得突破。焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵半工業(yè)性實驗，已經(jīng)取得完全成功，同時證明用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵比用天然氣有突出優(yōu)勢。為了鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)低能耗、低污染、低排放的可持續(xù)發(fā)展，必須大力發(fā)展焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵技術(shù)。二、 用焦爐煤氣，氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵（DRI）2.1 在高爐煉鐵流程中，必須配備相應規(guī)模的煉焦廠，生產(chǎn)焦炭供給高爐煉鐵。在煉焦煤干餾過程中產(chǎn)生大量的焦爐煤氣，其化學組份如下表所示組份分析表明，焦爐

4、煤氣氫含量55-64%，可見，焦爐煤氣本身就是還原性氣體。其中甲烷含量為23-25%，經(jīng)裂解轉(zhuǎn)化成氫和一氧化碳，重整后的焦爐煤氣中氫含量可達70%，一氧化碳為30%，是氣基豎爐直接還原的理想還原性氣源。噸裝入煉焦煤產(chǎn)生焦爐煤氣為350-400m?，100萬噸的焦化廠每小時產(chǎn)焦爐煤氣50000-60000m?，噸直接還原鐵需焦爐煤氣618m?，100萬噸規(guī)模焦化廠年產(chǎn)焦爐煤氣可生產(chǎn)直接還原鐵70-80萬噸。我國焦炭的生產(chǎn)能力為2.6億噸，將生產(chǎn)的焦爐煤氣全部或部分用于生產(chǎn)直接還原鐵，可以節(jié)省20-30%煉焦用煤，對保護我國的煉焦煤資源有重要意義。國外生產(chǎn)直接還原鐵普遍采用天然氣為氣源，經(jīng)高溫熱裂

5、解，轉(zhuǎn)化成還原性氣體進行直接還原煉鐵。經(jīng)研究比較，用焦爐煤氣比用天然氣有突出優(yōu)勢。其中，原料氣重整過程節(jié)能近70-80%（甲烷含量比25%：95%）。因此，推薦用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，符合發(fā)展低碳經(jīng)濟的需要。2.2 用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵工藝流程2.3工藝流程和工藝特點的描述直接還原工藝是用焦爐煤氣重整得到的氫為還原劑生產(chǎn)直接還原鐵的工藝，是氫冶金在煉鐵工藝中的應用。在豎爐反應器中，以下三種化學反應同時進行，以氫冶金過程為主。（1）自重整反應：CH4+H2O=CO+3H2（水煤氣制氫CH4+CO2=2CO+2H2（甲烷裂解制氫（2）還原反應：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2（碳冶金Fe

6、2O3+3H2=2Fe+3H2O（氫冶金）（3）滲碳反應：直接還原反應機理的剖析從（1）自重整反應式中，闡明用反應塔中的金屬鐵為觸媒 （不需反應塔外的催化劑，稱自重整）。在600-700高溫，有催化劑存在的條件下，將焦爐煤氣中的甲烷重整為氫和一氧化碳，加上焦爐煤氣中氫組份，形成含氫70%，含一氧化碳30%的還原性氣體，成為直接還原大容量氫資源。從（2）還原反應式可以看到氫冶金煉鐵過程用氫作還原劑，該過程的最終產(chǎn)物是水，而不是二氧化碳，或稱氫冶金為二氧化碳零排放。從（3）式中，不難看出反應塔中同時發(fā)生滲碳反應，因此，該工藝可以生產(chǎn)高碳直接還原鐵（含碳3-6%）焦爐煤氣在反應塔中進行重整反應和還原

7、反應，煤氣組成發(fā)生較大變化如下表：從上表中發(fā)現(xiàn)，在反應塔的頂氣中，氫含量為49.0%，CO2 含量10.4%。為了合理利用氫資源，在工藝流程中設(shè)計氫資源循環(huán)利用系統(tǒng)。頂氣經(jīng)過脫水后，在選擇性吸收CO2裝置中回收CO2。脫CO2后的頂氣與原料氣一起送入反應塔循環(huán)利用。這樣，原料氣中的氫利用率為100%。如果系統(tǒng)中的CO2全部回收，系統(tǒng)中的CO2排放量為零。這正是低碳經(jīng)濟所期待的。三、 鋼鐵冶金傳統(tǒng)流程與短流程3.1 鋼鐵冶金短流程及物料，能量平衡 我國現(xiàn)有獨立焦化廠（原城市煤氣焦化廠）生產(chǎn)焦炭占全國焦炭總產(chǎn)量的62%，產(chǎn)生大量的焦爐煤氣可用于生產(chǎn)直接還原鐵，作為電爐煉鋼的精料，生產(chǎn)熱軋材。形成我

8、國特有的鋼鐵冶金短流程，如下示意圖： 本工藝最大特點之一是利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，這樣不僅可以合理利用焦爐煤氣，而且為氫冶金準備大容量氫資源，同時為鋼鐵冶金超低二氧化碳排放找到新途徑。如果將直接還原過程產(chǎn)生的二氧化碳全部選擇性吸收，二氧化碳排放為零排放，二氧化碳排放只發(fā)生在選礦，球團燃料燃燒的過程。 氣基豎爐直接還原鐵工廠所生產(chǎn)的直接還原鐵為高純鐵（硫，磷含量為0.002以下）100%的直接還原鐵在電弧爐中煉鋼，生產(chǎn)高純鋼，生產(chǎn)高質(zhì)量熱軋材。3.2傳統(tǒng)鋼鐵冶金長流程及物料，能量平衡我國的鋼鐵冶金長流程是沿用傳統(tǒng)的高爐，轉(zhuǎn)爐流程。碳冶金為工藝流程的主要特點。高爐煉鐵耗用大量焦炭，在還原過程中

9、全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳。因此。二氧化碳高排放成為高爐，轉(zhuǎn)爐流程的最大弊病。傳統(tǒng)的工藝流程中，必須配以燒結(jié)，煉焦工序。在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的二惡瑛，3，4苯并比，成為鋼鐵生產(chǎn)中的最大污染源。工藝流程示意圖如下：本工藝過程中產(chǎn)生大量的焦爐煤氣，高爐煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣全部用于發(fā)電，這樣的能源轉(zhuǎn)換效率是比較低的，而在上述三種燃氣中有大量的氫氣，一氧化碳是高效的還原劑，應成為還原過程的原料，代替焦炭，發(fā)展非焦煉鐵技術(shù)。不應該將高效的還原劑作為燃料燃燒，因為氫氣的發(fā)熱值僅為2580Kcal/m3 , 故不能作為燃料，應作為原料。本工藝耗用大量的煉焦煤。預測我國煉焦煤資源，只能使用25-30年，不保護，代替煉焦煤資源，鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展不能得到保證。利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，可節(jié)省20-30%煉焦煤。 兩種流程碳排放量的比較用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵短流程與高爐轉(zhuǎn)爐長流程碳排放量比較，見下表：從上表中可以看出：DRzrEAF（直接還原鐵-電爐煉鋼短流程）與 BF-BOF（高爐鐵-轉(zhuǎn)爐煉鋼長流程）比較，二氧化碳排放減少四 、 結(jié)論4.1 氫冶金是轉(zhuǎn)變鋼鐵工業(yè)發(fā)展方式的核心技術(shù)，是改變當今鋼鐵生產(chǎn)高能耗、高污染、高排放被動局面的可行、有效的技術(shù)措施，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟的合理選擇。4.2 利用焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵是氫冶金在鋼鐵生產(chǎn)中的科學應用，是節(jié)省煉焦煤，減少碳污