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1、,氢冶金工艺,一氢冶金工艺的简介二氢冶金与传统冶金工艺的比较三氢冶金中氢气的制取四氢冶金的发展与展望,氢冶金简介,产生背景： 由于炼焦煤和焦炭资源的日益短缺,限制了传统炼铁工业的进一步发展。因此上世纪末进行了发展氢冶金工艺,替代碳还原剂的可行性分析。随着我国钢铁工业的快速发展,焦煤短缺大量排放环境污染严重等问题日益凸显。氢作为一种清洁能源和优良的还原剂,其在冶金工业中的应用前景越来越受到人们的重视，认为氢作为还原剂用于炼铁工艺,不仅可行,而且有许多传统炼铁工艺不可比拟的优势。,何为氢冶金?,所谓氢冶金,即在还原冶炼过程中主要用气体氢作还原剂,进行还原反应的无污染的新冶金工艺。,氢还原工艺的基础
2、研究,富氢煤气还原铁矿的生产工艺在世纪中叶已实现了工业化目前成熟的生产工艺有工艺和工艺然而它们使用天然气和块矿利用粉矿生产海绵铁虽然有许多的研究工作但至今在生产过程中仍存在诸多问题高温下还原后海绵铁黏结是关键问题为了避免海绵铁黏结问题提出了低温氢还原低温氢冶金的关键技术是如何强化氢与铁矿的反应速度提高生产效率。,低温氢还原铁矿冷等离子体氢强化氧化物还原微纳米级铁矿粉气相还原碳氢熔融还原工艺,碳氢熔融还原工艺,为克服目前熔融还原存在的问题，实现降低能耗和合理利用资源，氢碳熔融还原工艺中心思想是将碳作为热源和部分还原剂，用作为重要还原剂。的来源是将炉气通过水煤气转化，即，通过变压吸附技术，将转化后
3、的煤气中除去，通过煤气的转换实现循环的利用。工艺原理为：还原：供热：制氢：总反应为：23 该工艺思想解决了当前熔融还原工艺碳直接还原需高热量和强还原气氛的矛盾。该工艺每吨铁的理论碳耗为。铁浴炉中铁氧化物的还原是一个非常复杂的过程，煤加入反应器中无法完全避免参与还原，因此，实际能耗要高于理论值。如何发挥氢气在熔融还原中的作用，是该工艺的关键。,一工艺理论,二工艺流程,在考察和总结目前熔融还原工艺的基础上，基于只能使用粉矿和煤的前提，提出铁粉矿终还原路线设想,该工艺将终还原炉煤气预热到，预还原度，用喷吹方式加入终还原炉。煤主要用作发热剂，将其粉碎成煤粉，氧煤燃烧为终还原炉提供热量。水煤气转化将终还
4、原炉煤气中的转化为，从炉底吹入终还原炉作为部分还原剂。一方面利用了煤气中的化学热，另一方面降低了氢还原所需热量，从而减轻了炉缸的热负荷，有利于提高生产效率。由于炉渣中含左右的，有利于脱磷，生产铁水质量优于高炉。,三碳氢熔融还原的物料与能量平衡 以神府煤和澳大利亚矿为基础，根据热模拟的试验结果，当碳氢还原比为时工艺流程的物流见图。静态模型计算结果表明，碳氢熔融还原的能耗低于当前所有的熔融还原工艺，直接利用高磷矿和非焦煤，其生产成本将低于高炉。,氢冶金与传统冶金工艺,一氢冶金与碳冶金二高炉喷吹与氢冶金三直接还原炼铁与氢冶金,一氢冶金与碳冶金,碳冶金是固体碳(焦炭等)在不完全燃烧条件下转化成CO,进
5、行还原反应。氢在还原剂中是最活泼的还原剂,气体氢直接参与还原反应不需任何转换。因此,氢冶金与碳冶金比较,无论是还原效率还是还原速率,前者均大大高于后者。 Fe2O3+3H22Fe+3H2O Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 H2/CO=18.667/1.333=14.0,经过化学方程式计算，可以得到氢的还原潜能与一氧化碳的还原潜能相比较,前者是后者的14.0倍。 由此可见,大力开发和发展氢冶金,可以大大提高金属还原效率,成倍地提高金属冶炼的生产能力和生产效率。同时,可以大大减少金属冶炼过程中碳还原剂的消耗,从而大大降低钢铁生产中的煤耗,确保钢铁工业可持续发展。,二高炉喷吹与氢冶金,近年来,高
6、炉流程最突出的技术进步即是高炉喷吹技术。通过高炉富氧大喷吹,使高炉利用系数大大提高,燃料消耗大大降低。各项技术指标用碳还原剂的热平衡和物料平衡式是难以解读的。以宝钢4350m3高炉为例,各项操作指标已达到国际一流水平,或称高炉技术的尖锋。1号高炉利用系数为2.27t/(m3d),三年平均喷煤水平为223kg/t,高炉的焦比下降到265.6kg/t,燃料比为499.5kg/t。如何解释高炉喷吹的奇特功效,除用碳冶金学原理外,不能不利用氢冶金动力学原理加以解读。喷入高炉中的烟煤,在高炉中首先在高温条件下气化,产生大量碳氢化物。碳氢化物以高炉中的氧化铁作触媒,高温热裂解成H2+CO(有氧的条件下),
7、氢气与铁精矿进行还原反应,大大提高高炉的还原效率,改善了高炉各项技术指标。基于氢冶金学原理,进行了向高炉中喷吹塑料、焦炉气和天然气以及直接还原炉顶气的试验,均取得了满意的试验成果。,三直接还原炼铁与氢冶金,气基自重整竖炉中直接还原反应机理如下:CH4+H2OCO+H2CH4+3FeFe3C+2H2H2+FeOFe+H2OCO+FeOFe+CO2CO2+H2CO+H2O,从反应式中不难看出:(1)原料中的CH4参与反应,产生H2,为氢冶金提供氢源。(2)氧化铁还原主要靠氢(还原性气体中H2含量要求达到70%,30%的CO当然也与氧化铁进行还原反应)。可以说直接还原技术就是氢冶金技术。(3)CO2
8、与H2反应生成CO+H2O,使反应过程中CO2的排放量大大减少,有利于直接还原技术的环保效应(直接还原中的CO2排放量与高炉流程比较减少34%)。综上可见,直接还原技术或氢冶金技术,关键在于大容量氢的制取,或者说制氢原料的选择,还原氢气的制取,由于钢铁企业生产属于大规模生产，如何制取足量氢气是氢冶金工艺应用于生产必须面临的问题。目前常用的氢气制取方法有电解水法和石油裂化法，但这两种方法不仅资源利用效率低，所用能量来源依然以含碳能源为主，无法有效降低碳排放。,1炼钢过程含能气体制氢 利用钢铁联合企业的含能气体制氢是减少CO2排放的一种手段，当前钢铁联合企业的含能气体有： 高炉煤气(H23一5、C
9、O20) 熔融还原炉气(H220、CO50) 转炉煤气(CO40一70) 焦炉煤气(H255、CH425、CO5%) 目前大部分废气都用于发电。但发电的热效率只有40左右。如果将这些含能气体通过水煤气变换法制取氢气将大幅度提高能源利用效率，并为氢冶金提供氢气。,2可燃冰制氢 可燃冰是一种天然气水合物，具有极高热值。目前全球已探明储量高达1.1万亿吨，是传统化石能源储量的两倍以上。虽然现在开采还有困难，但一旦拥有成熟开采技术，便可以为冶金行业提供大量氢气。,3废旧轮胎制富氢还原气体 我国是世界上最大的汽车消费市场之一，汽车轮胎的消耗量也是与日俱增，随之而来的大量废弃轮胎该如何处理也成为问题。20
10、09年，我国年产生废轮胎233亿，重量860万吨。由于生产过程需加入硫来硬化橡胶与防止高温变形，所以很难用常规方式处理。但对废旧轮胎的原料进行分析，可以发现它具有高热值，低水分，低灰分的特点。 在高温下，采用部分氧化技术，使废旧轮胎中的碳氢化合物在氧和水蒸汽的作用下生成氢和一氧化碳，即： CnHm+O2+H2O一C0+H2 通过调节蒸汽的供给量来调节煤气中的氢含量，为氢冶金提供富氢还原气体，同时还解决了固体废弃物的问题。,氢冶金的发展与展望,钢铁工业是国民经济重要的基础原材料工业，属于能源、水资源、矿石资源消耗大的资源密集型产业，尤其是现阶段传统的碳冶金对环境污染甚重。 而氢冶金中，无碳和低碳
11、能源开发和利用氢能，具有来源丰富热效率较高、能量密度大地使用清洁可运输、可储存和可再生等特点，在节能减排，减小环境污染方面具有更加突出的优点。,以清洁能源技术推进“绿色钢铁梦”,清洁能源冶金技术是指冶金过程所需的能量和还原剂全部都由清洁能源提供的技术，也可称为非碳冶金技术。 清洁能源冶金 系统是一个独立的清洁能源冶金工程的体系。现行的钢铁冶金生产是碳冶金，伴随着大量的能源消耗和温室气体的排放。所以，钢铁企业冶金生产技术的发展与能源技术息息相关，能源技术也是冶金技术的一个重要基础。在钢铁生产过程中，由铁矿石中提取铁元素的工艺都是依靠碳元素作为还原剂以及提供能源来实现的，其中还原消耗的碳量约占 7
12、0%，能源消耗约占 30%。因此，使用清洁能源技术不仅要提供所消耗的能量，还必须解决提供电子的还原介质。,在碳冶金工艺中，气相还原剂是CO。即使是非焦炼铁工艺，也依然要使用天然气等含碳还原剂。为此，清洁能源冶金首选氢气作为还原剂。而氢冶金给钢铁企业带来了一系列的技术挑战。 其中，使用清洁能源大量制取氢气的技术也应运而生。电解法制氢技术是选择之一，但大规模电解制氢存在许多技术问题，例如电解液的选择、电极效率、电极的寿命以及维护、环境保护等等，另外经济性也要考虑。 通过计算可知，氢的消耗量与铁的产出量摩尔比约为4:1，即每制取1吨铁金属需电解水0.64吨以上，可见电解耗水量与钢产量大致相当。年产1
13、00万吨的钢厂，还原用氢耗水（电解水）约为80100吨/小时。冶炼过程中还原产物和燃烧产物都是水汽，所以总的水耗量仅为放散损失，水汽的回收利用也需要钢铁企业有所考虑。 同时，企业还要考虑还原气体产物中过量H2的回收利用问题。此外，氢还原获得的铁金属经过熔化、精炼，其中夹杂、气体的去除和钢的性质研究，也涉及许多技术问题需要解决。,氢冶金面临的挑战与机遇,在钢铁冶金过程中，金属氧化物的还原本质上是电子的得失，清洁能源可通过电解技术直接提供电子，或者用电解方法制取氢气，再通过氢冶金技术还原金属氧化物的方法，从而实现“非碳冶金”。,由此可见，清洁能源对我国钢铁工业绿色低碳发展将起到重要作用。但是，我们也应该看到，发展清洁能源冶金技术，依然存在诸多问题。比如，清洁能源取代传统的能源特别适合与各种电冶金技术相对接，但要解决整个系统的能量、电压、电流的匹配整合的问题。同时，冶金过程高能耗、高生产率对清洁能源技术也提出了新的要求，这也将促进我国清洁能源向低成本、大容量方向实现新的发展。,可持续发展是中国经济运行必须遵守的原则，氢冶金是钢铁企业的发展方向之一。氢冶金不仅解决了环境问题，还开辟了钢铁材料生产新方法。碳氢熔融还原工艺为利用高磷粉矿和非焦煤指明了方向。研究氢冶金工艺，探索氢冶金关键技术，开创环境友好新型生产方式将为中国经济腾飞和引领世界钢铁业提供机遇。,
