试论氢冶金工程学课件

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1、试论氢冶金工程学试论氢冶金工程学原鞍钢副总工程师 王太炎内容提要内容提要n n氢冶金与碳冶金n n高炉喷吹与氢冶金n n直接还原炼铁与氢冶金n n直接还原铁技术与大容量氢的制取n n高炉流程中焦炉煤气的利用n n两种炼铁技术的整合n n未来煤铁钢短流程的构想 前言前言n n由于炼焦煤和焦炭资源日益短缺，限制了传统炼由于炼焦煤和焦炭资源日益短缺，限制了传统炼铁工业的进一步发展。发展氢冶金以探求改变钢铁工业的进一步发展。发展氢冶金以探求改变钢铁工业完全依靠碳为还原剂的局面，降低炼铁过铁工业完全依靠碳为还原剂的局面，降低炼铁过程煤和焦炭的消耗，保证炼铁工业可持续发展。程煤和焦炭的消耗，保证炼铁工业可

2、持续发展。n n发展氢冶金，首先要解决大容量氢的制取问题，发展氢冶金，首先要解决大容量氢的制取问题，高炉流程中产生大量焦炉煤气为大容量氢的制取高炉流程中产生大量焦炉煤气为大容量氢的制取提供了理想的氢的资源。提供了理想的氢的资源。n n直接还原炼铁技术是氢冶金重要应用技术之一，直接还原炼铁技术是氢冶金重要应用技术之一，在传统的炼铁流程中大力开发直接还原铁技术势在传统的炼铁流程中大力开发直接还原铁技术势在必行。在必行。氢冶金与碳冶金氢冶金与碳冶金n n用氢还原潜能与用氢还原潜能与COCO的还原潜能进行比较不难看出的还原潜能进行比较不难看出氢冶金无论在还原效率和还原速率上，成倍的优氢冶金无论在还原效

3、率和还原速率上，成倍的优于碳冶金。于碳冶金。n n氢还原潜能的平衡式氢还原潜能的平衡式 FeFe2 2OO3 3+3H+3H2 2 2Fe+3H 2Fe+3H2 2O 6g 112g(1:18.667)O 6g 112g(1:18.667)n n碳冶金还原潜能的平衡式碳冶金还原潜能的平衡式 FeFe2 2OO3 3+3CO 2Fe+3CO+3CO 2Fe+3CO2 2 84g 112g(1:1.333)84g 112g(1:1.333)H H2 2/CO=18.667/1.333=14.0/CO=18.667/1.333=14.0 高炉喷吹与氢冶金高炉喷吹与氢冶金 近年来，高炉流程最突出的技术

4、进步，没过于近年来，高炉流程最突出的技术进步，没过于高炉喷吹技术，高炉喷吹的奇特功效，除用碳冶金高炉喷吹技术，高炉喷吹的奇特功效，除用碳冶金原理加以解释外，不能不用氢冶金动力学加以解原理加以解释外，不能不用氢冶金动力学加以解读。读。基于氢冶金原理又向高炉中喷吹产生氢的物料基于氢冶金原理又向高炉中喷吹产生氢的物料:喷吹塑料（德国、日本、中国）喷吹塑料（德国、日本、中国）喷吹焦炉气（日本喷吹焦炉气（日本JFEJFE喷吹喷吹32003200m3/h/h城市煤气）城市煤气）喷吹天燃气（俄罗斯）喷吹天燃气（俄罗斯）还原炉顶气（墨西哥，委内瑞拉）还原炉顶气（墨西哥，委内瑞拉）直接还原炼铁与氢冶金直接还原炼

5、铁与氢冶金 气基自重整竖炉中直接还原反应机理如下：气基自重整竖炉中直接还原反应机理如下：C HC H4 4+H+H2 2O CO+HO CO+H2 2 C H C H4 4+3Fe Fe+3Fe Fe3 3C+2 HC+2 H2 2 H H2 2+F eO Fe+H+F eO Fe+H2 2OO CO+CO+FeO FeO Fe+COFe+CO2 2 CO CO2 2+H+H2 2 CO+H CO+H2 2OOn n氧化铁还原主要靠氧化铁还原主要靠HH2 2作还原剂（还原性气体中含作还原剂（还原性气体中含HH2 2为为70%70%）n n甲烷参与反应，在反应过程中产生甲烷参与反应，在反应过程中

6、产生HH2 2又为氢冶金提供氢源。又为氢冶金提供氢源。n n氢与氧化铁反应生成铁和氢与氧化铁反应生成铁和HH2 2O O，COCO2 2与氢反应生成与氢反应生成COCO和和HH2 2OO，大大减少反应过程大大减少反应过程 COCO2 2生成，大幅度降低反应过程生成，大幅度降低反应过程中中COCO2 2排放量。排放量。直接还原炼铁技术与大容量氢的制取直接还原炼铁技术与大容量氢的制取 不同的直接还原铁生产，决定不同的氢制取的不同的直接还原铁生产，决定不同的氢制取的原料，为下表：原料，为下表：生产方法经典的生产技术占总产量%氢制取原料煤基法回转窑法COPEX法HISMELT7-8%2-3%工业试验中

7、煤煤煤气基法MIDREXHYL法HYL-ZR70%20%工业试验中天然气天然气焦炉气 气基法直接还原技术制氢原料主要来自天然气和焦炉气。用焦炉气制氢与天然气制氢比较，有突出的优点:焦煤气重整CH4产率为7.44m3/m3天然气则为4.79 m3/m3.生产1m3的重整气总耗热量焦炉气为天然气的一半即11.60/4.83，见下表三种还原气体制取方法主要指标比较指标天然气蒸汽转化法水/甲烷=2天然气蒸汽转化法水/甲烷=1.2焦炉煤气落泊转化法消耗量m3/m3蒸汽0.5120.2510.196CH40.2560.2090.135重整气体CH4产率m3/m33.914.797.44气体组成后CH41.

8、831.00CO21.002.571.00H2O2.002.00CO18.5723.7222.00H276.4373.8073.00N23.00重整后气体温度8501000900指标天然气蒸汽转化法水/甲烷=2 天然气蒸汽转化法水/甲烷=1.2焦炉煤气落泊转化法耗热量MJ/m35.144.682.18其中：用于反应器中制取还原性气体2.374.372.16用于气体净化0.62用于气体加热到12001.850.301.85利废热量MJ/m32.185.93其中：烟道气2.185.51蓄热器烟道气0.42热损失MJ/m30.811.080.82生产1m3气体所需总热量8.1411.694.8310

9、km3气体所需的转化天然报数量m3256209 结论是在传统的钢铁企中，选用焦炉作为直接还原铁的制氢气源是最佳的选择。煤铁制造流程（高炉流程）中焦炉煤气的利用煤铁制造流程（高炉流程）中焦炉煤气的利用煤铁制造流程（高炉流程）中焦炉煤气的利用煤铁制造流程（高炉流程）中焦炉煤气的利用 目前焦炉煤气主要利用途径 经比较不同的利用方式，企业获得的经济效益明显不同。结论是利用焦炉气生产DRI经济效益为最佳。如下表利用方式生产规模总投资投资回收期年效益备注发电100万吨钢4.0亿7-8年5000万技术成熟制H21000m3/h500万1-2年300-500万技术成熟甲醇10万吨/年2.0亿7-8年5000万

10、待工业试验DRI50万吨5.0亿1-2年1-2亿待工业试验加热 两种炼铁技术的整合两种炼铁技术的整合 高炉炼铁和直接还原炼铁是当代两种炼铁技术工艺。如果将两种技术巧妙地整合起来形成新的炼铁工艺，必然大大地推动氢冶金的发展。直接还原炉炼焦炉发电厂DRI直接还原炉顶气发电厂 DRI炼焦炉焦碳烧结厂球团厂高炉直接还原炉炼钢轧钢DRI铁精矿原料煤焦炉煤气高炉煤气转炉气 结论：只要高炉流程存在并发展，炼焦炉必然存在，炼焦厂生产的焦碳作高炉碳还原剂，而焦炉产生焦炉气体为直接还原的氢还原剂，能有效地改变传统炼铁只靠碳作还原剂的局面，大幅度降低炼铁过程煤耗。未来煤铁钢的构想构想流程图大容量氢制取采用恩德炉，将

11、褐煤、长焰煤（非炼焦煤）生产的还原性气体，作为直接还原炉的还原剂，大大简化了炼焦工艺。直接还原技术采用HYLZR技术工艺即自重整技术，还原炉顶气经PSA装置处理，除去CO2和N2后循环使用，保证直接还原的高效率。结论:由于氢的还原潜能为CO的14倍，大力开发氢冶金技术，改变高炉流程只靠碳还原剂的局面，大大降低炼铁过程炼焦煤和焦碳的消耗。利用高炉流程中的焦炉煤气作为大容量氢的气源，可以成倍地挖掘煤的还原潜能，又为直接还原铁生产提供理想的气体资源。两种炼铁技术整合新工艺，有利钢厂内部的物质循环链的封闭和延伸，以及生态链的改善。由于CO2排放量大幅度降低，使钢厂成为环境和谐型和工业生态型的工厂。参考

12、文献王太炎 钢铁生产短流程与两种产焦化厂燃料与化工2001.1.1王太炎 直接还原铁生产工艺的选择鞍钢技术2002.3.4王太炎 直接还原铁技术的创新与完善2003年全国直接还原技术研究会文集2003.28页王太炎 未来焦化厂新理念中国炼焦行业协会第三届一次理事会资料汇编2001.251页G.Nashan Future techuical DevelopmentsA European Viewuel international cokemaking congress 19922页Gianluca Siunioato:Danarex pilot plant proves sponge iron qudlity control MPT2002.1,44页Pablo E.Duarte:Tne Hyl unini-module concept:The optinurn integration of a DR plant in minimills MPT2002,4,74页D.Arneling H.bear:cokemaking Technology 2000-stage-of-art and New structuresCoke-making in ternational1991,1,32页