1使用氢气炼铁

目前，为了减少二氧化碳排放，相关的研究工作正在持续开展。将氢气作为一种燃料和化学反应物，这是一项前景广阔的解决方案。作为高耗能行业，钢铁业温室气体排放约占全球温室气体排放的7%。全球近75%的钢铁生产采用了高炉和转炉工艺。其中，高炉采用焦炭作为能源和还原剂。该工艺路线每生产1吨粗钢就会产生约2吨二氧化碳。

采用天然气、同时配以电炉（EAF）的Midrex工艺已经得到了商业化应用，并被证实为二氧化碳排放量最低的炼铁路线，这是因为天然气的氢气含量高于燃煤。典型Midrex工厂所使用的还原气体中包含约55%的氢气和36%的一氧化碳，而高炉使用的还原气体几乎全部是一氧化碳。因此，与电炉配合使用的Midrex工艺吨钢二氧化碳排放量约为高炉/转炉（BF/ BOF）工艺的一半。

通过添加二氧化碳洗涤塔，Midrex工艺甚至可以去除烟气中的二氧化碳，由此减少二氧化碳排放。相较高炉/转炉路线，如果二氧化碳再次利用或者被有效隔离，排放量也可再次减半。

为了显著减少钢铁工业的碳足迹，业界持续关注排放量更低的工艺路线，全球范围内兴起的氢气炼铁工艺就是一大热点。这并不是一个新观点，美国克利夫兰-克利夫斯公司（Cl evel and-Cl if f s）、Lurgi公司及LTV钢铁公司曾在特立尼达建立了一座年产能40万吨、基于Cir cored工艺的直接还原工厂，该厂采用蒸汽重整器制取氢气，并将其作为还原剂和能源。该厂于1999年启动，但由于流化床反应器的问题频发，仅生产了约15万吨就于2001年关停。

低碳炼铁的最终解决方案可能就是采用太阳能、风能、水能或核能等低碳能源制备纯氢气，并利用所制氢气生产直接还原铁（DRI）。目前，Midrex公司正在开发的被命名为“MIDREX H₂^?”的工艺就可以实现这一目标。

2 Midrex工厂氢气应用

就目前而言，氢气在直接还原工厂的使用方式共有两种：1）氢气在一些使用天然气的工厂中引入，用于替代部分天然气；2）直接还原工厂完全采用氢气。如果Midrex工厂采用氢气部分替代，那么可以取代约三分之一的天然气。例如，在一座年产能200万吨的直接还原工厂中，60000Nm³/h的氢气可以替代约20000Nm3/h的天然气，这近乎天然气消耗总量的30%左右。该工艺在老厂或新厂均可实现。

Midrex H₂^?工艺意指100%采用氢气作为原料气体。美国Midrex公司在竖炉氢气炼铁方面积累了丰富的经验。自1969年起，Midrex工厂采用氢气比例超过50%的还原气体生产了9.55亿吨直接还原铁。Midrex工厂采用氢气与一氧化碳的三种不同比率。大多数采用天然气和一种标准Midrex重整器，该重整器可制备包含55%氢气和36%一氧化碳（氢气与一氧化碳比率为1.5）的还原气体。

基于最初的建模和试验，可以在Midr ex竖炉中采用纯氢气生产直接还原铁，工艺流程如图1所示。标准的Midrex工艺将外部生成的氢气注入到工艺过程中，因此，无需重整器和气体加热器用于将还原气体加热到所需温度。实践过程中，还原气体中氢气含量约为90%，其他为一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和甲烷，这些组分主要来自天然气，用于温度控制和增碳。由于氢气转化为水，并在顶部气体洗涤塔中冷凝，因此无需二氧化碳去除系统。每吨直接还原铁的氢气消耗量约为550Nm³。

另外，除了消耗氢气，Midrex工艺还可以利用其他环境友好型热源，如废热、电力和/或天然气等作为还原气体加热器的燃料。这一过程中，相较高炉/转炉炼钢工艺而言，二氧化碳排放量削减幅度可高达80%。

Midrex H₂^?工艺方面仍有一些值得考虑的问题，首当其冲的就是温度，在如此多的氢气下，还原气体进入竖炉后，直接还原铁会冷却。因此，还需要注入天然气维持理想的还原温度，为了达到这一目的，根据Midrex模型，每吨直接还原铁的天然气注入量应该保持在50Nm³。

第二大问题就是直接还原铁的碳含量。大多数直接还原铁用于电炉炼钢。目前电炉炼钢工艺的增碳方式主要是利用金属炉料（如直接还原铁、热压铁块（HBI）、生铁）或纯碳。在注入氧气后，碳燃烧会产生巨大热量，减少电力消耗，并实现快速熔化。由于生铁是采用富含碳的高炉铁水生产，碳含量约为4%-4.5%，直接还原铁根据工艺的不同碳含量约为1%-4.5%。大多数电炉钢厂更倾向于采用碳含量为1.5%-3%的直接还原铁，但最佳的碳含量水平取决于金属炉料配比，

以及钢种的生产需要。

由于氢气在还原气体中的含量很高，在工艺中也需要部分注入碳氢化合物，以实现理想的碳含量水平。直接还原铁的碳化方式包括将碳氢化合物注入到冷却区域或者炉内下锥体部分。出于温度控制的需要，每吨直接还原铁的天然气注入量为50Nm³，此举会使得直接还原铁的碳含量约为1.4%。炼钢的下一个演变方向将会是无碳熔铁，但由于碳含量降低，钢的熔点升高，这将呈现能量密集型倾向。

3结论

目前，钢铁工业采用纯氢气作为能源和铁矿石还原剂，有望显著减少碳足迹。全球范围内一直致力于实现这一伟大目标。Midrex竖炉采用氢气，被称为Midrex H₂^?工艺，在现有或新的直接还原铁工厂都具有相当的应用潜力。实现氢气直接还原炼铁的最大挑战是，在不产生大量二氧化碳的情况下生产纯氢气。各国政府和钢铁企业都在努力尽快实现“氢气经济”，由此实现钢铁工业的清洁生产。 （罗晔）