未来炼钢的氢能高能铁直接还原厂

2019-10-10 作者：佚名网友评论 0 条

世界各国的特别是中国和欧洲的钢铁生产商，需要改变模式应对未来挑战，履行环境法规特别是关于减少碳足迹的法规，并应对原材料的可用性和最终产品质量。

　　P.杜亚特

　　特诺恩

　　1 介绍

　　为了符合钢铁工业中有关减少二氧化碳排放的环境法规，可以预计的方法是从煤基高炉-转炉路线转换到气基直接还原-电炉路线。考虑通过高能铁工艺(高能铁是由特诺恩和达涅利共同开发的创新型希尔直接还原技术)用天然气替代煤，在CCU可行的情况下将CO2排放量降低到50%或32%;利用可再生能源电解产生的氢气还原铁矿石，可以将碳足迹降低至1%左右。本文介绍了该技术方案、经验和经济效益。

　　2 如何制成“绿色”氢气?

　　明显的事实是，生产无碳氢气的唯一方法是水电解法，利用可再生能源提供所需的电力，从而最终消除炼铁和炼钢的碳足迹(CDA)(图1)。

图1 基于高能铁自重整工艺的无碳炼钢路线

　　无碳氢气的制成，有不同的可用电解技术，如质子交换膜(PEM)、大气碱性电解(AAE)，其现有设备运行可生产高纯度氢气，电耗范围3.8-4.6 kW/Nm3 H2、以及高温电解(HTE)，目前为采用蒸汽的小产量运行设备，功率单耗约为3.6 kW/Nm3 H2。更大的PEM和AAE模块目前产能在4000 Nm3/h 的H2范围内，足以支持运行产能约为40 000 - 50 000 t/a DRI的直接还原模块，当然这取决于替代燃料的可用性。对于较大产能的直接还原厂 [1]，按比例需要增加可用的制氢模块。

　　3 采用氢气还原铁矿

　　气体还原剂是CO、H2和两者的混合物。氧化铁还原热力学主要处理氧化铁、CO和H2之间的平衡，为这一过程的发生提供了可能。由吉布斯自由能(G°)表示:

　　Fe2O3 + 3H2 Þ 2Fe° + 3H2O DG° @900°C: -11.103,3 kJ/kg mol H2; DHrxn @900°C: +21.881,0 kJ/kg mol H2

　　Fe2O3 + 3CO Þ 2Fe° + 3CO2 DG° @900°C: -8.149,4 kJ/kg mol CO; DHrxn @ 900°C: -11.401,1 kJ/kg mol CO

　　如上所见，从热力学而言，H2比CO更容易还原氧化铁，这是因为吉布斯自由能的变化。另一方面，放热或吸热行为由相应反应的焓变(Hrxn)来表示。

　　仅用H2还原铁矿石是一种高吸热反应，在高温下有利于还原，在低温下需要较高的H2浓度。而用CO还原是一个放热反应，在低温、较低的CO浓度[2]有利于还原。然而，热力学数据并不能提供还原反应发生速率的信息。这取决于反应动力学，而反应动力学是由当前的工艺条件决定的。这些工艺参数只能通过实验测试来确定。

　　图2 当CO:H2: 0:1; CO:H2: 1:0时，还原度随时间的变化

　　采用不同H2/CO比[3]的气体动力学方法，研究了温度对铁矿石还原程度的影响。CO/H2比为1:0和0:1时，在900℃和1000℃两种温度下还原度的变化如图2所示。一般来说，无论还原剂是H2还是CO，温度越高还原过程越快。然而，H2对铁矿石的还原速度是CO的4倍以上;也就是说，在1000℃下，对于H2，98%的还原发生在20分钟内，而对于CO，83%的还原发生在60分钟内。原因如下:

　　1)H2是一种吸热反应，其平衡随温度的升高而降低，导致高温下还原能力升高，从而增强了还原反应的驱动力;

　　2)高温导致质量传递系数更高。

　　另一方面，由于CO的放热反应行为，采用CO还原铁矿石时需要较低的还原气体温度，动力学上比H2还原慢得多。

　　4 高能铁直接还原技术中使用氢气的长期经验

　　高能铁自重整工艺

　　高能铁自重整工艺方案(图3)于20世纪80年代在试验工厂开发，并于1998年成功实现工业化生产，是减少直接还原设备尺寸和提高效率的重要一步。无论采用何种还原性气体源，高能铁工艺的基本方案配置是相同的;天然气(CH4)、氢气(H2)、从外部蒸汽/天然气转化炉的重整气、来自煤制气的合成气或焦炉煤气，视供应情况而定。如图3所示，高能铁自重整工艺可以生产冷DRI (CDRI)、热DRI (HDRI)，其可以直接：1) HYTemp热送系统直接加料到相邻的电弧炉、2) 送至压块机生产热压块HBI和3) 送至熔分炉生产生铁。后者是一种以天然气为还原剂生产铁的突破性方法，与高炉、矿热炉等传统煤基技术相比，其碳足迹降低了约50%[4]。