从天然气至氢气直接还原竖炉工艺要做哪些改变？.docx

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1、从天然气至氢气，直接还原竖炉工艺要做哪些改变?目录?介绍12 .氢气高炉和竖炉冶炼现状23 .氢气制取、存储和运输及面临的问题3?钢铁CO2强度4?使用氢气炼铁5?MIDREX 氢炼铁7?添加 出的 Midrexng8?转换为MIDREX NG添加 理念10?添加 也转换为MIDREX NG-设备10? ?工艺气体压缩机11? ?热回收区11?冷却气体压缩机区11?工艺用水区11?对工厂运营和DRl碳的影响12?碳捕获、利用和储存（CCUS）13?结论14介绍氢气高炉及竖炉冶炼指的是采用富氢燃料或气体，鼓入高炉及竖炉，对炼 铁原料进行还原，以达到减少碳排放，实现清洁生产的目的。2018年干勇院

2、士指出“21世纪是氢时代，氢冶金就是氢代替碳还原生成 水，不但没有排放，而且反应速度极快”。我国当前的氢冶金工艺主要有高炉富 氢冶炼和氢直接还原。过去50年来，钢铁生产领域发生了很大变化。氧气炼钢的成本效益一一一 种将纯氧吹入大量熔融高炉铁（铁水）和废钢中以氧化碳、硅、磷和镒等杂质的方 法一一敲响了平炉的丧钟炼钢。如今，全球大部分钢铁产量（约66%）是在碱性 氧气设施中生产的。电弧炉(EAF)的出现为平炉提供了致命一击。*电弧炉最初用于特种钢和钢 合金的制造，后来开始竞争碳钢(长材)的生产。由于电弧炉的规模可以满足特定 市场的需求，并使用当地或区域废钢资源来生产铁料，因此它们被称为小型钢 厂或

3、市场钢厂。由于其灵活性、规模经济性和成本竞争力，电弧炉炼钢的比例 一直在稳步上升，目前约占全球钢铁产量的33%,在美国占比超过70%。在炼铁方面，焦炭高炉生产大量铁水，以满足对钢铁产品日益增长的需求, 以支持全球工业扩张。直接还原铁(DRI)于20世纪50年代后期投入商业应用， 被视为一种适用于不需要大量钢材或无法获得充足废钢供应的电弧炉的利基材 料。然而，先进的电弧炉钢铁公司注意到了直接还原铁(DRl)对废钢中夹杂物的 积极影响，并发现他们甚至可以生产最高等级的钢材，而且成本是很少有传统 综合钢铁制造商可以比拟的。然而，在电弧炉中使用大量DRl已经引发了历史上最大的钢铁行业变革之 一一一脱碳

4、。在所有基于铁矿石的方法中，通过DRI-EAF路线生产钢铁的二氧 化碳(CO?)排放量最低。基于清洁燃烧天然气的MlDREX工厂(MlDREXNGTM) 被认为是满足减少钢铁生产相关CO?排放需求的最可行的近期应对措施。随着以 具有竞争力的价格生产足够量的氢气以用作直接还原工厂的燃料和还原剂的方 法的发展，MidreX可以改造现有工厂，用氢气替代天然气，并设计新工厂，使 用高达100%的氢气作为燃料和燃料。2 .氢气高炉和竖炉冶炼现状日本炼铁界在碳排放和氢气冶炼方面进行了诸多探索，包括course 50在内 的项目目标已基本达到减排10%C02,预计在2030实现减排50%。但在实施的 过程中

5、，针对氢气冶炼技术，日本制铁炼铁部部长指出，由于焦炭用量减少， 炉内气流阻力大幅增加，试验高炉与实际高炉(约40005000m3)的风口数量、 焦炭运动形态均不相同，还存在大量热平衡和气体平衡等诸多技术课题有待攻 克。从高炉喷吹富氢燃料的炉况反应来看，当H2%超过15%之后，炉料低温还 原粉化严重；氢气在炉内的停留时间短，造成反应时间不足，间接还原度提升 不足；氢气在风口大量吸热，造成风口温度降低，需要完善热补偿措施；氢气 经还原反应后，产物水蒸气在后道工序造成结厚、腐蚀等情况；氢气的加入位 置选择在炉腹下部风口还是设计单独的炉身下部风口等，这些问题都需要进一 步的工艺技术、工业试验和数据支撑

6、。目前，使用100%纯氢气大型竖炉生产直接还原铁在技术上不存在太大问 题。但是，自西欧几座全氢气竖炉及特力尼达多巴哥共和国的QRCoRED流化 床直接还原炼铁生产装置停产后，40多年来未建成一座竖炉或流化床采用纯氢 气生产直接还原铁。国内权威的冶金专家曾在多次会议上强调氢冶金的诸多好 处，但是，目前使用100%纯氢气炼铁在技术上是否合理以及存在的问题，仍需 认真研究和思考。3 .氢气制取、存储和运输及面临的问题早在2012年，郑少波指出，成熟的制氢技术有石油类燃料的裂解转化、氧 化等方法制氢和煤炭气化转化。该类技术使用的是高碳能源，仍然无法避免CO? 排放问题。此外，还涉及转化效率问题，因此不

7、适合氢冶金。另外一种是水电 解制氢，由于当前中国电能以煤发电为主，也存在CO?排放问题，也不适合氢冶 金。未来的制氢技术有微生物制氢、太阳能制氢和核能余热制氢，这些制氢技 术无CO2排放问题，虽然当前还无法实现大规模制氢，但为氢冶金的发展指明了 方向。根据氢气制备方法的不同，一般可将氢气分为绿氢、蓝氢、青氢及灰氢。“绿 氢”的制备过程中，全产业链无碳排放，仅是由可再生能源电解制备的氢气，而 且氢气使用时不会产生温室气体;蓝氢则由煤或天然气转化反应而产生，裂解过 程中的副产品，二氧化碳可以通过碳储存技术长埋于地下；青氢则由天然气高 温催化裂解而产生，副产品为碳，较便于碳回收;灰氢由工业副产气制取

8、，制备 过程伴随着大量二氧化碳的生产，对产业能源转型意义不大。目前工业制氢技术仍以石化能源制氢为主，其生产的氢气约占世界氢气生 产总量的95%以上，但该路线会产生大量二氧化碳。在氢能发展初期，应当充 分利用工业副产氢气，适当发展煤制富氢合成气，少开发石油天然气裂解制氢, 限制通过电解水制氢；在氢能发展中期，适当发展以生物质资源为代表的可再生 资源制氢技术；从氢能长期发展考虑，应着重关注以风能、海洋能、水能等基础 的低碳绿色制氢技术，但目前这类技术转化率较低，还未能大规模化。长远来 看，发展并实践以太阳能、风能、水能、海洋能和地热能为基础的零排放经济 制氢技术，研发并应用大规模产业化的储氢装置与

9、技术，将有助于实现纯氢冶 金。郑少波提出可利用“可燃冰”以及“废旧轮胎分解”制氢，但考虑到可燃冰的开 采成本及产量，面临巨大的成本和运输问题，而废旧轮胎以及生物质制氢，在 解决二次污染物排放的前提下，可以进行尝试。冶金工业信息标准研究院院长张龙强之处，当前工业中产生的氢气主要还 是“灰氢”，低成本制取“绿氢”依然面临严峻的技术挑战。目前研究和应用的氢气储存方式主要包括：高压气态储氢、深冷液化储氢、 有机液体储氢、多孔材料及金属合金等物理类固态储氢。工业应用较广的储氢 技术为高压气态储氢和深冷液化储氢。?.钢铁C02强度粗钢的直接C02强度在过去二十年中一直相对稳定（在20%的范围内），并 且在

10、过去几年中已恢复到大致200008年的水平。根据国际能源署（IEA）的预测， 2018年至2030年间，粗钢的CO2强度需要平均每年下降2.5%。实现这一降低 并在2030年后维持这一降低并不容易。近年来,能源效率的提高推动了大部分减排,使CO2强度恢复到以前的水平, 但进一步提高效率的机会可能很快就会耗尽。因此，在未来十年中，将新的低 排放工艺路线商业化的创新，包括整合CCUS（碳捕获、利用和储存）和氢气的工 艺路线，对于实现所需的长期转型变革至关重要。虽然钢铁能源强度自2009年以来逐渐下降，但2009年至2014年产量的 扩大增加了能源总需求和CO?排放量。经过2014年至2016年的小

11、幅下降后， 能源需求和CO2排放量在2017年和2018年有所增加，这主要是由于钢铁产量 增加。根据钢铁行业总排放量（见图1）和全球年度CO2排放量（联合国2020年排 放差距报告中报告的52 Gt,或IEA报告的2019年33 Gt）,全球钢铁行业约占 7全球CO2排放总量的11%。Global Steel Industrys CO2 Emissions in 2019 4,0 Electric-related CO2 emissions （Mt CO2） Fuel-related CO2 emissions （Mt CO2）图1。2019年，全球钢铁行业排放了约3.5吉吨CO,.其中，2.

12、6吉吨来自燃料使用（及第E肉众呼吨来善方使用我切 放）资料来源：全球效率情报博客2021年1月6日图1据钢铁行业COz总排放量2019年，全球钢铁行业排放了约3.5吉吨CO2。其中，2.6吉吨来自燃料使 用（直接排放），0.9吉吨来自电力使用（间接排放）。资料来源：全球效率情报博 客，2021年1月6日到2030年，需要大幅削减能源总需求和CO?排放量，才能符合IEA可持续 发展情景（SDS）,该情景设想对全球能源系统进行重大转型，以符合联合国可持 续发展三大目标目标（SDG）：社会发展、环境保护和经济增长。短期CO2排放量的减少主要来自能源效率的提高和增加废料收集以实现更 多基于废料的生产。

13、长期减排需要采用新的DRl和熔炼还原技术，以促进低碳 电力（直接或通过电解氢）和CCS（碳捕获和储存）的整合，以及优化钢铁使用的材 料效率策略。?.使用氢气炼铁使用氢气（出）来制造铁并不是一个新概念。因此，MlDREX工艺可以适应更 多的氢气，因为这样做变得经济，这更多的是一种演变，而不是一种突破。MlDREX工艺使用Co和小来完成还原，即从矿石中去除氧气（与氧化相反）。直 接还原反应器中发生许多反应，但主要的反应如图2所示。铁用Fe表示，甲烷(天然气的主要成分)用CFU表示。Reduction (removal of oxygen from iron ore)1. Fe2O3 + 3H2 2

14、Fe + 3H2O (endothermic)2. Fe2O3 3C0 2Fe + 3CO2 (exothermic)Carburization (addition of carbon to iron)3. 3Fe + CO + H2 Fe3C + H2O4. 3Fe + CH-A FeaC + 2H)5. 3Fe + 2C0 Fe3C + CO26. CH +CO. A 2CO + 2H.4227. CHd + HO Co+ 3H)图2。炼铁反应422I 碳加铁研究员图2 CO和电主要的反应对比在使用天然气的标准MIDREX工艺(MlDREX NG)的情况下，典型的气体含 量为55mol%H

15、2和36mol%CO,余量由H2。、C02. N?和CFU组成。由于还原 发生在800至900。C之间，因此温度控制是一个非常重要的考虑因素。反应1 是吸热反应(需要热量)，而反应2是放热反应(放出热量)。重整反应是高度吸热 的，并且大部分在重整器中进行，尽管一些原位重整是在竖炉中进行的。反应1 和2的热平衡使MlDREX工艺易于控制，因为炉内的温度保持相对恒定。自1969 年以来，MlDREX工厂已生产了超过10亿吨直接还原铁(DRI),其中氢气含量超 过 50%o已在MIDREX竖炉中证明可以使用较高水平的氢气进行直接还原。委内瑞 拉FMOMlDREX工厂使用蒸汽重整器，出/CO在3.3至3.8之间变化。还有六 个MIDREX模块利用煤制天然气,其比与CO的比率为0.37至2.0。因此,MIDREX 工艺已成功生产H2CO比率为0.37至3.8的DRk在较小的规模上，Midrex在氢还原方面拥有丰富的经验。在20世纪70年 代末至80年代中期，MidreX在其研发技术中心运营了 个试验工厂，如图3 所示。该试点项目旨在测试和演示电热直接还原工艺(EDR)。虽然该试点工厂的 目的不是测试氢还原，但有几个活动使用了非常高的氢含量1986年高达4.2 H2COo七公介与一砒加或同空吕大妁1990年