【技术前沿】氢冶金气基竖炉直接还原关键技术开发和应用
氢冶金气基竖炉直接还原关键技术开发和应用
我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，严重依赖煤基化石能源，这是导致我国钢铁产业高能耗、高碳排放的首要因素。绿色发展水平与生态环境需求不匹配已成为钢铁工业面临的主要矛盾。降低CO2排放强度是钢铁产业亟待解决的难题，也是国家实现碳中和的重大战略需求。氢能被认为是无碳经济的“关键之钥”，将氢能用于钢铁制造是钢铁产业优化能源结构、工艺流程和产业结构，彻底实现低碳绿色可持续发展的最有效途径。相比高炉-转炉长流程，基于氢冶金的气基竖炉直接还原-电炉短流程可节省能耗40%、减少碳排放50%，是欧美日等先进产钢国研发的热点，相关的氢冶金规划主要有：日本COURSE50富氢还原炼铁、欧盟ULCOS计划ULCORED富氢气基竖炉直接还原和氢气还原炼钢、美国AISI氢气闪速熔炼、瑞典HYBRIT全氢气基竖炉、韩国COOLSTAR、Midrex H2、H2FUTURE等。近年来，我国氢冶金技术也取得了一定进展，辽阳华信、中晋太行、河钢、日钢、宝钢等均在筹建氢冶金气基竖炉生产线或示范工程。但我国“缺油少气”的资源禀赋一直是限制气基竖炉直接还原技术发展的主要原因。
东北大学研究人员基于我国的资源和能源供应条件，突破了氢基气基竖炉直接还原技术、氢冶金条件下的超纯冶炼技术、制氢-氢还原-电炉冶炼全流程集成技术，研制出气基竖炉直接还原装备、还原气加热装备，研发了多项开拓性成果，取得了如下创新和技术进展：
（1）高品位铁精矿制备技术。基于河北、山西、吉林、辽宁、山东、湖北、安徽等国内磁铁矿资源（>30亿吨），成功开发高品位铁精矿（TFe＞70.5 %、SiO2>2.0%）制备技术和设备，建成了年产10万吨高品位铁精矿示范线，吨高纯铁精矿生产成本仅为50～60元。
（2）氢冶金气基竖炉专用氧化球团制备技术。通过国内多地高品位铁精矿的氧化焙烧试验系统研究，制备的氧化球团TFe≥66%、抗压强度≥2000N、耐磨性指数≤15%、还原膨胀指数≤15%，性能指标完全满足氢冶金气基竖炉要求。
（3）气基竖炉直接还原关键技术。研究了不同氢碳比、温度、气氛等工艺条件对直接还原的影响，揭示了氢冶金条件下竖炉内多场耦合作用机制，形成氢冶金气基竖炉直接还原理论与技术。还原产品为面向高端金属材料制造的洁净钢基料，产品指标达到TFe≥92%、P≤0.09%、S≤0.003%的先进水平。
（4）煤制气-富氢竖炉示范工程设计。在辽宁省和辽阳市相关部门的支持下，筹建富氢竖炉-电炉短流程示范工程，已完成整体工艺系统和工程设计，自主设计开发了加热炉、气基竖炉核心装置，形成了总体工程方案一套、核心设备图纸两套，并申请授权多项国家发明专利。氢冶金直接还原短流程CO2、SO2、NOx、烟粉尘比高炉-转炉长流程分别约减排50%、30%、70%、80%以上。
结语
2018年4月18日，东北大学与辽宁华信钢铁集团公司签订协议，共建辽宁钢铁共性技术创新中心，筹建年产1万吨DRI和10万吨精品钢的煤制气-富氢气基竖炉-电炉短流程示范工程项目，目标是在氢冶金低碳冶炼、高端精品钢生产、钢铁冶炼短流程等重大工艺和装备技术取得重大突破和形成示范应用。项目实施和成果转化应用填补了我国气基竖炉直接还原技术的空白，对氢冶金短流程在钢铁行业的推广和实现钢铁产业低碳绿色化创新发展具有重要意义。目前，团队正在与某大型钢铁企业合作，研发基于可再生能源制氢-全氢竖炉直接还原关键技术，包括：全氢气基竖炉炉料、工艺系统设计、重大工艺装备、操作优化、安全控制技术、智能冶炼等。
氢冶金气基竖炉短流程与高炉-转炉流程能耗（左）和碳排放（右）对比
东北大学-华信钢铁煤制气-富氢气基竖炉短流程示范工程