净零闪速炼钢路径二——闪速炼钢

作者：黄小兵 夏明 邱江波

（天津闪速炼铁技术有限公司 天津 300220）

摘要：介绍了以天然气为原料的净零排放炼钢工艺及主要装备，着重讨论了甲烷裂解、闪速炼钢、绿色制氢等几个重点问题。

关键词：净零排放 闪速炼钢 天然气 中闪炉 绿氢

Route 2 of net zero flash steelmaking

Xiaobing Huang, Ming Xia, Jiangbo Qiu

(Tianjin Flash Ironmaking Technology Co., Ltd., Tianjin 300220)

Abstract:This paper introduces the net zero emission steelmaking process and main equipment with natural gas as raw material, and mainly discusses several key issues such as methane cracking, flash steelmaking and green hydrogen production.

Keywords：net zero emission; flash steelmaking; natural gas; medium-flash furnace; green hydrogen

世界钢铁协会的数据显示，钢铁生产约占所有人为碳排放的7%至9%。目前高炉炼铁加转炉炼钢工艺，平均每生产一吨钢铁会产生约1.8吨二氧化碳。为了兑现2015年《巴黎气候变化协定》的承诺，各国政府都颁布了实现“净零排放”的最后日期。钢铁行业的从业者为解决碳排放问题被迫做了一些尝试：1.欧洲蒂森克虏伯钢铁公司正在尝试用氢来替代煤进行高炉炼铁；但该方法中氢气无法替代焦炭的骨架作用，因而无法避免碳排放，且碳排放的量，离净零的目标相去甚远。2.安塞乐米塔尔采用 H2-DRI-EAT”法（风力发电---电解水制氢---氢直接还原铁---铁经电弧炉炼钢），该方法的特点是生产成本高，即使是用非绿色的旧能源，其生产成本也大于高炉体系。该系统用欧盟的科研资金建设，靠补贴运行。

上述两种代表性的新工艺实质是老设备使用新能源进行延续生产，没有跳出原有窠臼，而全球气候变化的碳减排压力将迫使钢铁行业的生产模式产生根本性的变革，只有开发新技术才有可能解决问题。而临时从无到有地研发新工艺、新设备周期很长，也不可靠。因而，迫切需要一种研发基础坚实, 能从根本上解决问题的新工艺。

根据美国环境保护署的数据，一分子甲烷造成的温室效应将是一分子二氧化碳的28-36倍。北极冻土是天然甲烷储藏库，地壳运动会导致甲烷大量释放[1]，加速全球变暖，进而又使冻土融化，甲烷逸出，形成恶性循环。减缓温室效应的一个好办法就是以大规模生产的方式把存于地表不稳定的甲烷消耗掉而又不向大气排放二氧化碳。尽快把地球浅层的甲烷合理的用掉，对大气安全很重要。

下面，介绍一种大规模使用天然气且又能净零生产钢铁的方法。

1 中闪炉净零排放炼钢工艺

1.1 核心装备

中闪炉是以天然气为原料的，能实现净零排放的闪速炼钢工艺的核心装备，它由熔炼空间、熔池、换热烟道及气体喷管系统构成，如图1所示。

图1 中闪炉结构示意图

1.1.1 熔炼空间

熔炼空间的主要作用是熔炼铁矿粉并对其进行空间还原。矿粉和循环返回的氢气从熔炼空间的顶部喷入，高温的氢气喷入熔炼空间，矿粉的闪速冶金过程立即发生，矿粉在落入熔池前几乎被完全还原。

1.1.2 熔池

熔炼空间和换热烟道分别位于熔池两端的上侧，并通过底部与熔池相连，如图1所示。熔池中的物体分为三层，下层是金属熔体，中间是熔融状的渣层，渣层的上面是固态的、疏松的炭黑层。炭黑层上面是水平烟道，熔池产生的气体和熔炼空间反应结束后的烟气在这里汇合，然后进入换热烟道。

熔池的侧壁或底部设有天然气喷管、氧气及氢气复合的喷管。在熔池的侧壁上，设有排渣口、钢水排放口和及炭黑吸管。

熔池的冶金环境顺带地可以裂解甲烷生产氢气。

1.1.3 换热烟道

换热烟道是把熔炼产生的气态物质送出炉外，把这些气态物质富含的热量留在炉内。它是中闪炉高效实现其功能的关键设备。

1.2 烟气处理系统

烟气处理系统如图2所示，包括换热烟道、除尘脱水设备、风机、氢气柜等设备。

图2 天然气净零排放闪速炼钢工艺流程图

2 冶金工艺流程

2.1 中闪炉冶金过程

从还原气进口向中闪炉熔炼空间中导入净化后的循环氢气，同时从中闪炉的顶部将干燥铁矿粉、氧气喷入充满高温还原气体的的熔炼空间，铁矿粉的闪速冶金过程立即发生（矿粉颗粒与炽热的氢气充分接触，迅速被加热熔化，传质的速度极快，使气-固、气-液还原反应得以迅速完成）。矿粉经闪速熔炼后的固液产物进入中闪炉的熔池中，烟气进入熔池上部的连通烟道，向换热烟道方向流动。

向熔池内温度为1450℃-1550℃的熔体中喷入甲烷，熔体是甲烷裂解反应很好的催化剂，使甲烷快速裂解为炭黑和氢气，氢气上浮混入烟气中。甲烷裂解形成的炭黑上浮至渣层上部形成炭黑层，由氮气泵抽到炉外。氧气和氢气通过复合喷管喷入熔体中燃烧，为熔池补充热量。控制喷入的氢氧比，使氢气稍过量，让氧气在喷口附近消耗完。

矿粉中的脉石成分与熔剂造渣，在向熔池排放口流动的过程中，沉淀分层，形成炭黑层、渣层和钢水层。积累的炭黑通过氮气泵抽到炉外，熔渣与钢水通过各自的排放口排出，甲烷裂解产生的氢气与熔炼空间产生的烟气一起经由换热烟道排出炉外。

2.2 烟气处理流程

从中闪炉换热烟道排出的烟气（主要成分为H2、H2O）在与冷介质热交换后降温，进入烟气处理系统，经除尘净化、脱水后，得到纯净的氢气，存入氢气柜。氢气经换热烟道换热升温后返回中闪炉，如图2所示。

3 关键原理

3.1 净零排放

在中闪炉熔池的钢水中，甲烷获得了裂解所需的最佳环境，以下的反应极为彻底：

CH4 =C+2H2

很容易让甲烷中析出的碳在隔氧状态下冷却和分离，这样，冶炼原料就只剩下纯氢，中闪炉及其工艺系统提供了只用纯氢就完成全过程冶炼的最佳环境。

3.2 闪速炼钢

闪速炼铁的基础研究扎实，试验充分：分别使用 CO和H2, 以及使用合成气体 CO+H2 开展的闪速熔炼试验公开透明，过程详细，解决了前期阶段的问题，为其后我们需要开展的工业化试验奠定了坚实的基础。

3.3 产品品质

甲烷裂解，溶解在熔体中的碳，会向金属熔体渗碳，因为渗碳条件远不及高炉，所以含碳量不会达到高炉铁的水平，金属熔体中的含碳量正好处在钢的碳含量范围内。改变熔体在熔池中的停留时间可以改变熔体中的含碳量。

又因为，氢在2000°C以下不能还原氧化锰及氧化硅，所以，金属熔体中不含锰和硅。

又因为，在中闪炉炼钢环境中，硫和磷只存在于铁矿中，在高温的还原气氛空间中，以大分子形态储藏在铁矿中的硫磷被还原成低氧化程度的气体而离开矿体，随烟气排出炉外。所以，金属熔体中硫磷的含量极低。

结论：中闪炉冶炼铁矿石的产品是洁净钢。

3.4 制氢功能

中闪炉中的熔体，利用冶炼的冗余环境，可裂解更多的甲烷，生产出大于熔体自身需要的氢气，即，中闪炉可以顺带产出氢气。

中闪炉的三个产品：钢、炭黑、氢气，由于生产过程不排CO2 ，所以都是绿色产品。

结语

中闪炉的设计，使炼钢工艺和制氢工艺基本重叠，互为环境，制氢和炼钢的成本相互覆盖，由此，可以以较低的成本大规模生产绿色的钢材和氢气，盘活了化石能源的价值，开创了一条温和减排的新路。

参考文献

[1] Leopold Lobkovsky. Seismogenic-Triggering Mechanism of Gas Emission Activizations on the Arctic Shelf and Associated Phases of Abrupt Warming[J]. Geosciences 2020,10(11),428

[2] 南铁玲. Midrex气基直接还原工艺的发展[J]. 工业加热,(2013)06：13-16

[3] 王永锋,张雷. HYL-ZR法冶炼直接还原铁工艺概述[J]. 山西冶金,(2013)06：1-2