氢气替代天然气的直接还原工艺研究

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1 引言

如今，以工业规模生产高质量钢种且对气候最友好的方式是将直接还原工艺与电弧炉相结合。安塞乐米塔尔汉堡有限公司拥有这种工艺装置，其年产量约为100万吨小方坯，CO 2 总排放量为82.3万吨/年。图1示出汉堡公司的生产过程和每个步骤中CO 2 直接及间接排放量。

如果将此过程转化为几乎无CO 2 排放的过程，则需考虑CO 2 总排放量，很可能会遇到CO 2 间接排放量难以计算的问题。50%CO 2 排放量主要与耗电量有关。目前，德国的能源部门正大力向可再生能源转型，未来，CO 2 排放会变为零，间接排放量将不再重要。轧制中的CO 2 直接排放与加热炉有关，加热炉容易更换为感应加热炉。当使用可再生能源时，感应加热炉也将无 CO 2 排放。

DRI工厂实现CO 2 零排放具有挑战性，因为天然气不仅是能源，还被用于化学反应。因此，从化石能源到可再生能源的转变并不像更换感应加热炉那样简单。为解决该问题，电解产生的氢气可作为一种替代还原剂。

2 氢气还原铁矿石：H2BI工艺

在DRI设备中，最多60 vol %的氢气被用于还原铁矿石。但在奥图泰的Circored-process工艺中使用了纯氢气。氢气还原的概念已被基本证明。由于该工艺在没有天然气的情况下运行，因此无法实现有效冷却，冷却区被热压代替。为了明确说明该工艺产品与HBI不同，将其称为H2BI，即氢气热压铁块（碳含量为零）。

图2示出H2BI工艺流程图。氢气通过电解产生，电解效率为75%（基于HCV = 3.54 kWh/Nm 3 ）。将其与过程的循环气体混合，并分两个阶段进行加热。使用部分炉顶煤气进行预热，且需对煤气进行吹扫，以免积聚N 2 、CO 2 等惰性气体；再用电加热至900℃。由于氢气的电解效率仅为75%，因此用电加热代替氢气燃烧效率更高。H2/H 2 O混合进入竖炉，并将铁矿石还原为金属铁。H2BI压块和化学平衡的温度为700℃。炉顶煤气在350℃离开竖炉，热量被回收后，它将在洗涤器中被吹扫及冷却。由于反应的氧化产物是水，因此容易在洗涤器中冷凝而被除去。吹扫后，在与新的补充氢气混合前，需将煤气压缩并进行内部加热。Midrex工艺与此类似。

为了确定氢气的最低需求量，必须考虑整个化学反应，如式（1）。

Fe 2 O 3 + 3H 2 ?2Fe + 3H 2 O

（1）

生产2mol铁，需要3mol氢气，则氢气的最低需求量为600Nm 3 /t铁。H2BI并非由纯铁组成，约含有7wt.%的杂质，其金属化率为95%。因此，H2BI的铁含量仅在88wt.%左右，其最低氢气需求量为528Nm 3 /t H2BI。

为更详细地了解H2BI工艺，需对竖炉进行研究，竖炉可以分为上部区域（式（2））和下部区域（式（3））。

Fe 2 O 3 + H 2 ?2FeO +H 2 O（2）

FeO + H 2 ?Fe+ H 2 O （3）

竖炉下部区域的化学平衡限制了煤气的利用。平衡常数K可以由式（4）获得。

式（4）中，t：温度，℃；X H 2 O ：水的摩尔分数；χH 2 ：氢气的摩尔分数。还原气体（X H2O ≈5mol%）进入竖炉。在平衡温度为700℃的情况下，下部区域组成为FeO（X H2O =27mol%）。下部区域相应的变化为?X low =22mol%。

上部区域的反应不受平衡限制，可以通过化学计量法确定。通过比较式（2）和式（3），还原Fe 2 O 3 的氢气需求量是还原FeO的一半。因此，上部区域含水量的增加量?χ up 将是下部区域?χ low 的一半。

?χ up =0.5?χ low =11mol%，

?χ total =?χ low +?χ up =33mol% （5）

竖炉的出口组成为水（X H2O =38mol%）和氢气（X H2O =62mol%）。?χtotal=33mol%时，氢气需求量为528Nm 3 / t H2BI，竖炉入口的最小体积流量约为1600Nm 3 / t H2BI。

为更详细地分析H2BI工艺，需要利用仿真模型解决组分和热焓平衡问题。选择了以下参数进行仿真：

?竖炉入口温度为940℃；

?压缩机出口处压力为2.6 bar；

?压缩机出口处X H2O = 7.7% （Psat（60℃）= 0.2 bar）；

?吹扫率10%。

结果显示在表1中。氢气需求量为635N m3 / t H2BI，由于吹扫率为10%，其高于理论需求量约20%。进入竖炉的气体体积流量约为1600Nm 3 / t H2BI。

氢气的电解效率为75%，用电量为3.0MWh/t H2BI。此外，从540℃加热到940℃的用电量为0.23 MWh/t H2BI，对于鼓风机、泵和输送机等辅助设备，用电量为0.08 MWh/t H2BI。总的来说，H2BI工艺的耗电量为3.31 MWh/t H2BI，需由风能和太阳能提供电能。一个产能为80t/h的小型DRI工厂（例如安塞乐米塔尔汉堡有限公司）需要240MW的电力，可由离岸风电场提供电能。

3 H2BI工艺的经济性

对于H2BI工艺，需从两个方面考虑其经济性：电解设备投资成本和电力成本。

尽管过去几年电解成本一直在下降，但它仍然是一项相当昂贵的技术。例如，奥钢联的6MW电解项目成本约为1800万欧元。因此，当前的电解成本约为300万欧元/兆瓦。产能为80t/h的汉堡DRI工厂，电解所需电量为240MW，仅制备氢气的投资就需要7.2亿欧元。这大约是使用天然气的传统DRI工厂（同等规模）投资成本的三倍。

H2BI的电力成本计算并不简单，因为H2BI工厂每年至少运行7000h，而不仅仅是在可再生能源产量高的时候运行。首先，陆上风能是最便宜的可再生能源，电力成本约为80€/MWh。而作为可再生能源在低产量时的备份，需要额外增加20€/MWh的电力成本，那么总电力成本为100€/MWh。使用电力生产的H2BI成本为330€/t H2BI，约为使用天然气的传统DRI的5.5倍。

H2BI工艺的投资成本和运行成本都存在很大的劣势，这些劣势无法通过销售价格或CO 2 减排成本来弥补。因此，全面实现80t/h产能的H2BI工艺的可能性很低。

然而，H2BI工艺给出了无CO 2 钢铁生产的概念，可以在试验工厂进行研究，以初步了解该技术。在通往后碳工业的道路上，如果能源成本和投资成本可以减少，那么这可能是大规模安装H2BI设备的起点，应该做好工艺技术准备。

4 氢基还原研究

在竖炉中进行氢基还原的概念非常明确，并且有在Circored process工艺中以60vol％甚至100vol％氢气运行DRI工厂的丰富经验作后盾。关于试验工厂是否有用，需要调查以下几点。

?零碳含量的H2BI对电弧炉的影响（产量、耐火材料耐磨性、效率）。由于缺乏碳，H2BI工艺将对电弧炉产生负面影响，必须在总体评估中予以考虑。

?氢气-水系统与铁矿球团结合的反应动力学。即使忽略扩散，循环流化床中FeO的还原也提供了广泛的活化能。因此，可以在试验工厂中分析反应动力学。

?H2BI工艺的灵活性。对于未来的能源系统，由于电力生产的波动，灵活性将变得更加重要。可以使用试验工厂来确定负载变化的可能性和平衡功率。

?惰性气体的积聚。送入竖炉的球团包含空气，因此氮气可能会在过程中积聚，需要对其进行吹扫，且需要评估吹扫速率和惰性气体的影响。

5 结论

尽管如此，H2BI工艺下一步可能在产能为 5- 10 t H2BI/h的试验厂进行试验。这种规模的试验厂可以获得所有相关因素的影响，并且可以采用H2BI进行电弧炉操作。因此，可加深对H2BI工艺的了解，并可以看出其对电弧炉操作性能的影响。

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