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我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程為主，嚴重依賴煤基化石能源，這是導致我國鋼鐵產業高能耗、高碳排放的首要因素。綠色發展水平與生態環境需求不匹配已成為鋼鐵工業面臨的主要矛盾。降低CO2排放強度是鋼鐵產業亟待解決的難題，也是國家實現碳中和的重大戰略需求。氫能被認為是無碳經濟的“關鍵之鑰”，將氫能用于鋼鐵制造是鋼鐵產業優化能源結構、工藝流程和產業結構，徹底實現低碳綠色可持續發展的最有效途徑。相比高爐-轉爐長流程，基于氫冶金的氣基豎爐直接還原-電爐短流程可節省能耗40%、減少碳排放50%，是歐美日等先進產鋼國研發的熱點，相關的氫冶金規劃主要有：日本COURSE50富氫還原煉鐵、歐盟ULCOS計劃ULCORED富氫氣基豎爐直接還原和氫氣還原煉鋼、美國AISI氫氣閃速熔煉、瑞典HYBRIT全氫氣基豎爐、韓國COOLSTAR、Midrex H2、H2FUTURE等。近年來，我國氫冶金技術也取得了一定進展，遼陽華信、中晉太行、河鋼、日鋼、寶鋼等均在籌建氫冶金氣基豎爐生產線或示范工程。但我國“缺油少氣”的資源稟賦一直是限制氣基豎爐直接還原技術發展的主要原因。

 

東北大學研究人員基于我國的資源和能源供應條件，突破了氫基氣基豎爐直接還原技術、氫冶金條件下的超純冶煉技術、制氫-氫還原-電爐冶煉全流程集成技術，研制出氣基豎爐直接還原裝備、還原氣加熱裝備，研發了多項開拓性成果，取得了如下創新和技術進展：

 

（1）高品位鐵精礦制備技術。基于河北、山西、吉林、遼寧、山東、湖北、安徽等國內磁鐵礦資源（>30億噸），成功開發高品位鐵精礦（TFe＞70.5 %、SiO2 2.0%）制備技術和設備，建成了年產10萬噸高品位鐵精礦示范線，噸高純鐵精礦生產成本僅為50～60元。

 

（2）氫冶金氣基豎爐專用氧化球團制備技術。通過國內多地高品位鐵精礦的氧化焙燒試驗系統研究，制備的氧化球團TFe≥66%、抗壓強度≥2000N、耐磨性指數≤15%、還原膨脹指數≤15%，性能指標完全滿足氫冶金氣基豎爐要求。

 

（3）氣基豎爐直接還原關鍵技術。研究了不同氫碳比、溫度、氣氛等工藝條件對直接還原的影響，揭示了氫冶金條件下豎爐內多場耦合作用機制，形成氫冶金氣基豎爐直接還原理論與技術。還原產品為面向高端金屬材料制造的潔凈鋼基料，產品指標達到TFe≥92%、P≤0.09%、S≤0.003%的先進水平。

 

（4）煤制氣-富氫豎爐示范工程設計。在遼寧省和遼陽市相關部門的支持下，籌建富氫豎爐-電爐短流程示范工程，已完成整體工藝系統和工程設計，自主設計開發了加熱爐、氣基豎爐核心裝置，形成了總體工程方案一套、核心設備圖紙兩套，并申請授權多項國家發明專利。氫冶金直接還原短流程CO2、SO2、NOx、煙粉塵比高爐-轉爐長流程分別約減排50%、30%、70%、80%以上。

 

結語

 

2018年4月18日，東北大學與遼寧華信鋼鐵集團公司簽訂協議，共建遼寧鋼鐵共性技術創新中心，籌建年產1萬噸DRI和10萬噸精品鋼的煤制氣-富氫氣基豎爐-電爐短流程示范工程項目，目標是在氫冶金低碳冶煉、高端精品鋼生產、鋼鐵冶煉短流程等重大工藝和裝備技術取得重大突破和形成示范應用。項目實施和成果轉化應用填補了我國氣基豎爐直接還原技術的空白，對氫冶金短流程在鋼鐵行業的推廣和實現鋼鐵產業低碳綠色化創新發展具有重要意義。目前，團隊正在與某大型鋼鐵企業合作，研發基于可再生能源制氫-全氫豎爐直接還原關鍵技術，包括：全氫氣基豎爐爐料、工藝系統設計、重大工藝裝備、操作優化、安全控制技術、智能冶煉等。

 

內容來源：東北大學