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北科大郭汉杰教授介绍氢冶金原理
中晋太行氢冶金利用焦化副产的优质资源—焦炉煤气（COG）进行干重整，利用 CO2 与 CH 4 进行重整反应，生产 CO+H 2 ，能大幅降低 CO2 的排放。该项目于 2017 年 8 月开始全面建设，2020 年 12月份进行试生产，生产期内各项指标均接近设计指标，目前处于设备维检和部分工艺调整阶段，预计6月中旬全面投产。
文章｜范晋峰 季爱兵 等
编辑｜武安君 氢冶金在我国钢铁行业低碳发展中的作用 1、我国钢铁行业低碳发展的意义
2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。
碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。”钢铁产业（以长流程为主）的整个生产过程中均伴有CO 2 的排放；钢铁行业是碳排放的重要领域（约占 7-9%），钢铁行业低碳减排对我国实现碳达峰的目标至关重要。根据国家统计局数据显示，2020年我国粗钢产量 10.53亿吨、钢材产量 13.2489亿吨、生铁产量 8.8752亿吨；均超过世界钢铁产能的 50%以上。我国钢铁行业的低碳发展不仅为我国实现“碳达峰” 和“碳中和”的目标至关重要，而且对全球实现“碳中和”目标举足轻重。
图1、2020 年全球钢铁（粗钢 ） 产量前十强
图2、2020 年世界主要国家钢铁产量（亿吨/ 年）
钢铁工业低碳发展是应对全球气候变化的客观需要，也是实现高质量发展的内在要求。低碳转型已经成为钢铁工业高质量发展的重要抓手，制定务实的低碳发展战略规划，同时把握绿色低碳经济发展下的新机遇，通过低碳转型，为钢铁企业赢得更广阔的发展空间。2、 “氢冶金”在我国钢铁行业低碳发展的作用 氢能作为新兴的战略能源，具有零污染、零排放的优势，被视为 21 世纪最具发展潜力的清洁能源之一。氢冶金通常是指入炉还原气含氢量大于 55%条件下，还原铁矿石生产 DRI ，以气基竖炉直接还原为主要代表的非高炉炼铁工艺；在全球低碳经济发展和“脱碳”大潮的背景下，以减少碳足迹、降低碳排放为中心的冶金工艺技术变革，业已成为钢铁行业绿色发展的新趋势；以“氢”代替“碳”是当前低碳发展、能源变革的重要方向，也被认为是钢铁行业绿色化的主要抓手。
（1）反应速率快。H2 作为还原气，具有传质速率快、抗粘结性良好、速率常数大和还原产物绿色的优势。在高温条件下，H2 的还原能力高于 CO 还原能力，且反应平衡浓度低于 CO，在相同温度下，还原气氛中 H 2 含量越高，还原反应速率越大。（2）产品清洁。从热力学看，除铁之外其他元素很难被氢还原，为纯净钢生产奠定基础。且氢还原不使用固体还原剂，带入的P、S等少，炼钢过程杂质少。（3）环境负荷小。氢冶金的产物为水，不仅可减少甚至避免 CO 2 对大气污染，且还原产物易于脱除，能源和水资源可循环利用。但是“氢冶金”并非“全氢冶金”；根据全球的“氢冶金”经验，现阶段 100%纯氢气炼铁在技术上是否合理以及存在的问题，仍需认真研究和思考；
图 3 氢冶金+电炉流程与高炉+转炉流程的能耗和CO2 排放量
图4氢冶金+电炉流程与高炉+转炉流程的 SO2、NOx和粉尘 根据我国的“氢冶金”发展趋势以及富裕的焦炉煤气量综合测算，我国近期可实现“氢冶金+电炉流程”的产量 5000 万吨/年，每年可降低CO2 排放量5561.65 万吨。表 1 “氢冶金+电炉流程”CO2减排量表（万吨/年）中晋冶金科技有限公司位于革命老区—左权县龙泉产业创新科创园；项目采用优质的铁精粉（左权-黎城铁精矿）和焦炉煤气（配套建设 100 万吨焦化）生产 30 万吨优质高纯还原铁项目，项目占地 234 亩，项目投资约 7.5亿元；项目产品—高纯直接还原铁是优质钢、特种钢以及高纯粉末冶金的原料。
图 5 中晋冶金“ 氢冶金” 工艺流程图
中晋冶金“氢冶金”采用完全具有自主知识产权的技术（CSDRI 技术），本技术历时 7 年研发成功（自2010 年立项至 2017 年完全研发成功，进行建设阶段）。本技术采用国外工艺引进德国 MME 公司的竖炉PERED 技术+国内自主技术创新的模式（和中国石油大学联合开发的焦炉煤气干重整技术）耦合而成，本技术是全球首套焦炉煤气干重整制合成气生产还原铁技术；本项目目前已获得 24项目专利技术授权。本项目利用焦化副产的优质资源—焦炉煤气（COG）进行干重整，利用 CO2 与 CH 4 进行重整反应，生产 CO+H 2 ，能大幅降低 CO2 的排放。本项目于 2017 年 8 月开始全面建设，2020 年 12月份进行试生产，生产期内各项指标均接近设计指标，目前处于设备维检和部分工艺调整阶段，预计5月底全面投产。
图 6 “ 氢冶金” 示范工程鸟瞰图 
焦炉煤气净化装置
干重整装置 
烟气密封装置
氢气竖炉 中晋冶金“氢冶金”工艺特点：
1) 100%焦炉煤气采用“CO2 干重整”技术生产还原气（CO+H 2 ）；有效气体成分（CO+H2 ≥90%），H2/CO=1.2-2.0，可有效地调节竖炉所用工艺气中的H 2 /CO比。2) 焦炉煤气净化采用低压中温工艺，脱硫剂采用新型的镍锌吸附剂，可有效的脱除气体中的硫化物（无机硫和有机硫），同时保证焦炉煤气中的不饱和烃在≤100ppm以下。3) 采用新型镍基催化剂可有效控制干重整积碳发生。5) 竖炉密封采用重整炉的烟气，既能增加循环气中的 CO2 比例，也能节约氮气消耗；6) 焦炉煤气净化、干重整炉和氢气竖炉工艺设备100%实现国产化。7) 据测算，利用干重整技术，每年减少 CO2 排放 8000 吨。1) “氢冶金”技术需要化工、冶金行业的耦合，特别是两大行业的设计、生产流程的不同，导致协调性较差；技术集成性难度较大，根据中晋冶金“氢冶金”技术的试生产情况，我公司进行以下改进和调整：3) 从重整炉至氢基竖炉工序的还原气的衔接点的控制和调整；中晋冶金“氢冶金”项目得到各级领导和同行的高度关注。中晋冶金未来的发展目标：公司对于CSDRI 技术拥有100%的完全知识产权。公司在工业化试验装置成功之后将着手进行技术输出和核心装备的设计制造，并提供工程建设总承包，公司的远景是：在碳中和背景下，为我国自己的“氢冶金”和绿色低碳发展提供技术支撑。
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