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【新刊速览】陈健：氢冶金还原性气体的制备研究进展

时间：2023-02-02 来源：浏览：

【新刊速览】陈健：氢冶金还原性气体的制备研究进展

中国冶金

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氢冶金还原性气体的制备研究进展

陈健，苏敏，张新波，姬存民，张明胜，乔莎

(西南化工研究设计院有限公司工业排放气综合利用重点实验室，四川成都 610225)

摘要

氢冶金是一种绿色低碳的冶炼工艺，是实现钢铁行业转型升级和改变高碳排放形象的有效途径。氢冶金是通过纯氢气或富氢气体替代传统焦炭直接还原铁，可实现CO ₂ 减排。富氢还原性气体的制备是实现氢冶金的关键之一。对比分析了适合于氢冶金的规模化焦炉煤气制氢、天然气制氢、煤制氢和氨分解制氢技术的工艺及相关催化剂，探讨了包括电解水制氢在内的可再生能源制氢的途径。氢冶金技术需要的制氢技术日趋成熟，氢冶金也将成为未来钢铁行业升级改造的重点。

关键词

氢冶金；焦炉煤气；天然气制氢；煤制氢；大型氨分解制氢；可再生能源制氢

引言

随着世界经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，碳排放成为各国政府关注的焦点，中国政府也做出了“碳达峰”“碳中和”的郑重承诺。中国是世界第一钢铁生产大国，消耗了大量含碳化石能源，碳排放巨大。钢铁行业是保障中国开发建设的支柱产业，也是衡量一个国家工业发展水平的重要指标。2021年，中国粗钢产量达10.32亿t，占世界粗钢产量的52.9%。当前中国钢铁行业主要采用高炉炼铁工艺，以焦炭作为能源和还原剂，钢铁行业的碳排放量约占全国总排放量的15%。炼铁系统(烧结、球团、焦化和炼铁等)占整个钢铁行业能耗的70%，碳排放占到了90%，生产1 t钢可排放2.5 t二氧化碳。在中国“双碳”政策背景下，钢铁行业节能减排绿色低碳升级势在必行。

氢作为一种高效的清洁能源，未来将被视为化石燃料的重要替代品之一，且其具有来源广、热效率高、能量密度高等优点。氢气的分子动力学直径小，具有优良的易扩散性，此外氢气还原效率和还原速率均比碳高，是值得期待的还原剂。氢冶金工艺是一种先进的低碳绿色冶炼工艺。

直接还原铁技术是在低于金属熔点的温度下进行固态还原的技术。由于铁矿在还原过程中失去氧而产生大量孔隙，其微观形状似海绵，因此也被称为海绵铁。与多次循环使用的废钢相比，海绵铁中残余元素含量低，可作为高炉炼铁、转炉或者电炉炼钢的原料。直接还原铁技术的主要工艺有气基竖炉和煤基直接还原铁法。气基竖炉主要以CO和H ₂ 的混合气作为还原剂。气基竖炉直接还原法具有化学反应速率高、产品转化率高、能量损失率低等优点，在国外得到了迅速的发展和大量的应用。国内外主要的气基竖炉工艺有Midrex工艺和Energiron工艺两种，2020年全球直接还原铁产量约1.044亿t。

2021年4月，国内首条氢基熔融还原生产线在内蒙古建成，试运行投产已成功产出铁水。与传统高炉工艺相比，取消了传统高炉的烧结和焦化等工序，同时以工厂自身焦炉气或者副产氢气作为原料气，使二氧化硫和氮氧化物的排放量减少了38%，粉尘排放量减少了89%，同时氢冶金的工业化应用可将传统高炉炼铁的CO ₂ 排放减少60%~90%。国内宝武钢铁、酒钢集团和河钢集团均成立了相关研发平台，力求尽快实现氢冶金技术自主化。

氢冶金的还原性气体用量巨大，适宜的制氢技术主要有焦炉煤气制氢技术、天然气制氢技术、煤制氢、大型氨分解制氢技术以及可再生能源制氢技术等。在制备直接还原铁还原性气体时，要求还原性气体中水蒸气越低越好，这就对制氢工艺及催化剂提出了新的要求。根据日本钢铁协会估算，生产1 t生铁需要约1 000 m ³ 氢气。若中国50%的钢铁产能改造为氢冶金，则需要氢气的量为5 300亿m ³ /a。因此，低成本、大规模制氢技术是氢冶金技术的关键之一。

本文对比论述了目前比较主流的制氢技术的研究进展及技术特点，分析了不同制氢技术的优缺点，并对制氢技术未来的研究和发展方向进行分析，为氢冶金还原性气体的制备提供了多种思路和技术手段，对中国制氢工业的发展具有指导和借鉴意义。

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