钢铁企业氢冶金技术的研究及产业化应用

本文针对钢铁企业低碳转型发展要求,通过对国内外氢冶金技术发展现状、氢冶金技术优势、低成本H2制取、铁矿石煤基氢冶金技术的研究,并在煤基氢冶金中试试验的基础上,说明了将高挥发分煤充分热解产生H2及水蒸汽气化高温碳制取H2作为铁矿石的还原剂,是氢冶金中制取H2最经济、有效的方法,同时产出的H2即产即用,实现了本质节能本质安全。铁矿石煤基氢冶金技术的产业化应用,将对我国直接还原铁技术的发展起到巨大的引领和示范作用,必将带动传统铁烧焦工艺及上下游相关行业同步调整和变革,对于未来我国钢铁行业优化能源结构、工艺流程、绿色发展具有非常重要的意义。     

氧化球团直接还原铁熔分试验研究

研究了氧化球团煤基氢冶金还原产出直接还原铁的熔分试验。试验结果表明：该直接还原铁在马弗炉、中频炉中均可实现熔分,渣铁分离良好,产出了含Fe率99.80%以上的低碳、低磷、低硫铁水,铁水主要指标达到工业纯铁标准,MFe的收得率约为80%,为酒钢煤基氢冶金绿色短流程制钢新工艺路线的优化和产业化研究提供了技术支持。     

煤基回转窑直接还原对铁矿石和煤的要求

本文综述了煤基回转窑直接还原对铁矿石和煤的冶金性能要求,以及原燃料对窑内结圈的影响。     

铁矿石直接还原现状及提高质量的对策

通过对国内外煤基直接还原铁生产现状研究及存在问题的分析,依据传统经典铁矿石还原理论,在铁矿石碳气化直接还原技术的基础上,提出了铁矿石碳循环增氧还原技术,并通过隧道窑和回转窑两种还原设备进行试验验证.铁矿石煤基还原试验结果表明,该技术不仅可缩短铁矿石的还原时间,而且可提高还原产品的金属化率、降低生产能耗和碳的排放,对促进...     

低品位铁矿石直接还原新工艺研究

对多种难选铁矿石进行了煤基直接还原和渣铁分离研究，提出了煤基直接还原──渣铁分离──还原铁粉冷固结成型的新的工艺流程。所得产品的铁品位、金属化率和铁回收率分别在９０％、９２％和８４％以上。直接还原铁粉经冷固结成型后即为电炉炼钢的优质原料。该工艺为利用我国大量尚未开发的低品位难选铁矿石提供了新的途径。     

流化床低温氢冶金技术分析

通过热力学计算对流化床低温氢冶金技术进行了分析.传统流化床氢还原工艺气体消耗量大、设备利用率低.计算表明:矿粉预热时,对于全氢还原,当氢气温降为100 K时,氢气用量为6 394 m3;当氢气温降为200 K时,氢气用量为3 189 m3;对于富氢(CO含量为30%)还原,还原气温降为100 K和200 K时,还原气用量分别为4 367 m3和2 195 m3.因此,富氢还原的一次气体消耗量要低于全氢还原,受资源条件的限制,在我国应优先发展富氢还原.为了降低气体用量,低温氢冶金工艺应采用多级流化床,同时对矿粉进行预热.低温快速氢冶金工艺利用新型流化床对细微矿粉进行直接还原,可以使还原速度和气体利用率显著提高.     

氢冶金技术的发展溯源与应用前景

围绕“以氢代碳”对钢铁工业中实现碳减排工艺进行了梳理和溯源。实现碳减排的途径需要发展以氢气作为还原剂的氢冶金工艺。目前世界主要钢铁产区发展了从高炉喷吹燃料工艺到高炉富氢冶炼工艺、从非焦冶炼工艺到全氢直接还原工艺等两大氢冶金技术路线。从各国远景规划来看,发展氢基直接还原工艺及电炉炼钢短流程是氢冶金技术的重要方向。同时在低成本绿氢技术突破前,使用焦炉煤气等灰氢是中国从“碳代替”到“氢冶金”的重要过渡。     

奥图泰公司可持续的钢铁冶金技术

90多年以来,奥图泰公司(Outotec,原Lurgi Metallurgie,鲁奇冶金公司)一直向钢铁行业提供技术解决方案,并在铁矿石烧结和球团生产领域占据了市场领先地位。奥图泰公司的目标是实现对地球自然资源的可持续利用。为此,该公司不断改进技术。"能源优化型造块"(Energy Optimized Agglomeration)的特点是:在烧结过程中进行热回收和废气循环利用(EOS—排放优化型烧结),在球团工艺中提高能源效率,从而减少从矿石到金属的整个工艺链的综合排放。为了使这些已经成熟的烧结技术更加完备,奥图泰公司近年来一直致力于粉矿还原新技术的商业化,并将这些技术与钢铁冶炼相结合。尤其是粉矿气基直接还原技术Circored和粉矿煤基直接还原技术Circofer,可以实现不同原料质量下的低排放钢铁冶炼。例如,氢气Circored技术为低碳炼钢创造了独特的机会。此外,奥图泰公司还致力于煤基直接还原和熔融还原的技术集成,以便为使用低品位铁矿石和煤炭生产铁水提供灵活、低成本的解决方案。     

铁矿石煤基氢冶金工艺探索

本文以某公司提供的铁精矿为研究对象,依托煤基氢冶金回转窑工艺(前期碳冶金+后期氢冶金)开展铁精矿煤基氢冶金-磁选试验研究。试验数据表明：在温度1 180℃、还原剂100 g、还原时间37 min的条件下,可取得焙烧矿TFe品位90.84%、金属化率94.24%,磁选铁粉品位91.47%、金属回收率99.58%的优异指标。     

物性参数对氢冶金流程能耗及碳排放的影响

计算了在把H2和CO混合气体作为还原气的氢冶金过程中还原出1t直接还原铁的需气量、碳排放量及还原气可回收率,分析它们受还原气温度及H2体积分数的影响,同时分析了直接还原铁中铁质量分数对需气量的影响.计算结果表明:在H2和C0混合还原气氛下,当还原气温度为1300℃,H2体积分数为26％时,需气量最小,为826 m3/t...     

CO还原气制备方法的探讨

介绍了为解决铁矿石冶金性能试验用CO还原气质量达标问题而进行的木炭干馏降氢、木炭与CO_2反应制取CO时H_2和CH_4的含量范围以及甲酸脱水制取CO工艺条件探讨等试验研究;建议采用甲酸法和干式贮气法的制备技术来制备合格的CO还原气。     

煤中挥发分对热解过程的行为影响分析

较高的还原温度易造成结圈,使回转窑直接还原铁工艺发展受限,为此,需研究低温条件下煤中还原性气体释放和铁矿石的还原过程。通过热重分析仪-傅里叶红外光谱仪-质谱仪(TG-FTIR-MS)联用方法分析不同挥发分煤的热解特性和铁矿石还原过程。结果显示,高挥发分煤在热解过程中具有更加优越的反应活性,随着挥发分的提高,煤中还原性气体的释放温度更低,释放含量更高。整个热解过程中有机气体主要为CH₄、CH3+碎片、苯、甲苯以及同系物;无机气体为SO₂、CO、CO₂、H₂O。高挥发分煤种的还原性气体CO释放温度较低。此外,热解过程中,高挥发分煤种表观活化能更低,热解过程更容易进行;相较于无烟煤,采用烟煤还原铁矿石时还原反应进程更快,还原过程更加彻底。为此,采用高挥发分煤种进行煤基还原将会为有效降低煤基还原温度提供新思路。     

大型隧道窑直接还原工艺工业规模化实践

为提高直接还原铁煤基隧道窑还原工艺的工业规模化程度，达到单线产能1O万～2O万吨DRI的目的，采用大型煤气隧道窑作为主体设备，与自动装卸设备等工艺设备组成机械化自动化DRI成套生产线，已经成功投产，一举改变了传统煤基隧道窑在直接还原铁领域产能低、劳动强度大、环境污染大的落后地位，对今后进一步提高直接还原铁煤基隧道窑还原工艺的工业规模化进程，达到单线产能50万～100万吨DRI的目标奠定了发展基础。     

煤基直接还原技术处理钛中矿富集钛资源研究

钒钛磁铁矿选别产物中的钛中矿含有28%～36%TiO₂,采用煤基直接还原技术处理钛中矿可以实现钛资源的富集。本文通过煤基直接还原试验,考察了还原温度、还原时间、配碳比、原料粒度等参数对非磁性产物中TiO₂含量的影响;通过磁选试验考察了磁场强度和非磁性产物粒度等因素对产品中TiO₂含量和回收率的影响。得出的结论如下：煤基直接还原过程较佳工艺参数为黏结剂添加量3%、成型压力15 MPa、还原温度1350℃、还原时间45 min、原矿粒度180～200目、配碳比n_C/n_O=1.1;磁分离过程较佳工艺参数为磁场强度160 mT、还原产物粒度180～200目;在此工艺条件下,可获得TiO₂含量58.64%的非磁性产物,回收率达63.94%。采用X-射线衍射分析了钛中矿,磁性产物和非磁性产物的物象,结果表明煤基直接还原技术可以将钛中矿中的铁元素还原为单质铁,从而在磁场作用下分离出磁性产物和非磁性产物,实现钛铁分离。     

基于不同炼铁工艺的铁矿石低温还原粉化特征

 为改善铁矿石在炉内的低温还原粉化性能以适应多样的炼铁生产条件,以炼铁生产常用的烧结矿、球团矿以及块矿为研究对象,通过控制还原气体成分和温度的方式,考察并比较了不同种类铁矿石在高炉炼铁工艺和COREX非高炉炼铁工艺2种煤气条件下的低温还原粉化行为。试验结果表明,相同的还原气氛和温度条件下,烧结矿、球团矿以及块矿的还原粉化形式、程度有较大差异,而各类铁矿石对煤气性质、温度变化的敏感性也各不相同。这对更为全面地考察和评价不同类型铁矿石的低温还原粉化特征,进而改善铁矿石冶金性能和优化炼铁工艺参数具有一定的实用性和参考价值。     

用氢还原铁矿及对CO2生成的影响

概括了利用氢还原铁矿石的情况.从理论上讲,氢还原意味着零CO2排放.评述了氢反应能力和现有工艺.讨论了氢气来源和相关的CO2效应.并对成本进行了估计和比较.     

氧化球团微波加热煤基直接还原过程微观机制

为了解决常规加热煤基直接还原的反应时间长、还原温度高、产品质量差等问题,基于微波加热特性结合直接还原理论提出了采用微波加热进行氧化球团煤基直接还原的新工艺。通过采用扫描电镜、能谱分析仪和显微硬度计等检测手段对常规加热和微波加热煤基直接还原过程进行了深入研究,探究氧化球团微波加热煤基直接还原过程微观机制。研究结果表明,微波加热不仅改变了球团矿的微观结构和能量分配,而且在某种程度上表现出微波加热的“非热效应”,常规加热时,在还原温度1050℃下还原150 min,球团金属化率仅为89.38％;氧化球团煤基直接还原过程采用微波加热,从室温上升到1050℃后再等温14 min,球团金属化率达到92.67％。     

煤基低温冶金技术的研究

高炉炼铁法和熔融还原法属于高温冶金流程,其缺点是能耗高、污染严重。气基直接还原法受我国天然气资源的限制,很难得到发展。煤基直接还原法由于生产力低、能耗过高,发展缓慢。煤基低温快速还原炼铁新工艺,能够在600℃左右实现煤粉快速还原铁矿粉,具有还原温度低、效率高、能耗低、污染小等特点,有望成为一种有前途的炼铁工艺。新工艺不仅能处理铁矿粉,还能处理钒钛磁铁矿和钛铁矿等矿种。在实验的基础上,提出了煤基低温冶金学。     

煤基直接还原炼铁技术分析

分析了主要的煤基直接还原炼铁工艺。回转窑反应温度低,导致动力学条件变差,停留时间长,散热大,吨铁煤耗达到1000 kg左右。从能量利用角度,过多的煤气还需换热加以利用。隧道窑通过罐装矿粉,可省去造球工艺,但是罐子传热只能通过对流与传导换热方式,因此,停留时间长,热量损失大,同时罐子、海绵铁的余热、废气热量尚未得到利用,导致煤耗高达1 500 kg/t海绵铁。转底炉由于温度高,反应速度快,但是热能利用率差,吨铁实际煤耗居高不下。可见,目前的煤基直接还原炼铁工艺,离低能耗、低污染的炼铁目标相差甚远,最大的问题是固态条件下的还原反应效率过低,提高铁矿的低温反应性能是煤基直接还原炼铁走向成功、高效、环保的关键所在。     

氢冶金工艺技术发展现状及应用

钢铁行业为中国重要的经济支撑行业,也是主要的碳排放行业。氢能在冶金领域的应用是一种环保、高效的钢铁生产技术,是实现低碳发展的重要途经之一。在全面介绍富氢高炉、氢基直接还原、氢基熔融还原工艺的基础上,分析各种工艺在冶金工业的应用情况,并且系统探讨了各工艺的探索及实践。综合各种工艺的优缺点,分析了中国低碳背景下氢冶金的发展趋势。目前中国钢铁行业的生产还是以长流程为主,要实现2035年减排30%的目标,富氢高炉工艺可作为现阶段工艺技术改进的首选方向。但是富氢高炉工艺实现碳减排的能力比较有限,碳减排幅度为10%～20%,无法满足未来碳中和的目标。相比于富氢高炉工艺,氢基直接还原铁工艺的碳减排可达到50%以上,因此,氢基直接还原工艺可作为未来发展的主要路线。氢基熔融还原也有较好的碳减排效果,且生产出的高纯铸造生铁可用于高端铸件领域,但是目前对其研究不够充分,还处于基础研究阶段,与大规模的工业化生产还有较大的差距。氢冶金作为钢铁行业低碳绿色发展的重要途径,中国起步较晚且还面临基础研究薄弱、短期成本高等问题,随着绿氢产业的发展,绿色氢冶金将是未来钢铁行业绿色发展的重要方向。