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我國鋼鐵生產(chǎn)以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，嚴重依賴煤基化石能源，這是導(dǎo)致我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)高能耗、高碳排放的首要因素。綠色發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境需求不匹配已成為鋼鐵工業(yè)面臨的主要矛盾。降低CO2排放強度是鋼鐵產(chǎn)業(yè)亟待解決的難題，也是國家實現(xiàn)碳中和的重大戰(zhàn)略需求。氫能被認為是無碳經(jīng)濟的“關(guān)鍵之鑰”，將氫能用于鋼鐵制造是鋼鐵產(chǎn)業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、工藝流程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，徹底實現(xiàn)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展的最有效途徑。相比高爐-轉(zhuǎn)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(jié)省能耗40%、減少碳排放50%，是歐美日等先進產(chǎn)鋼國研發(fā)的熱點，相關(guān)的氫冶金規(guī)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(shù)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(chǎn)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(shù)發(fā)展的主要原因。

 

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

 

（1）高品位鐵精礦制備技術(shù)。基于河北、山西、吉林、遼寧、山東、湖北、安徽等國內(nèi)磁鐵礦資源（>30億噸），成功開發(fā)高品位鐵精礦（TFe＞70.5 %、SiO2 2.0%）制備技術(shù)和設(shè)備，建成了年產(chǎn)10萬噸高品位鐵精礦示范線，噸高純鐵精礦生產(chǎn)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(shù)。通過國內(nèi)多地高品位鐵精礦的氧化焙燒試驗系統(tǒng)研究，制備的氧化球團TFe≥66%、抗壓強度≥2000N、耐磨性指數(shù)≤15%、還原膨脹指數(shù)≤15%，性能指標(biāo)完全滿足氫冶金氣基豎爐要求。

 

（3）氣基豎爐直接還原關(guān)鍵技術(shù)。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(nèi)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(shù)。還原產(chǎn)品為面向高端金屬材料制造的潔凈鋼基料，產(chǎn)品指標(biāo)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(shè)計。在遼寧省和遼陽市相關(guān)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(tǒng)和工程設(shè)計，自主設(shè)計開發(fā)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(shè)備圖紙兩套，并申請授權(quán)多項國家發(fā)明專利。氫冶金直接還原短流程CO2、SO2、NOx、煙粉塵比高爐-轉(zhuǎn)爐長流程分別約減排50%、30%、70%、80%以上。

 

結(jié)語

 

2018年4月18日，東北大學(xué)與遼寧華信鋼鐵集團公司簽訂協(xié)議，共建遼寧鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng)新中心，籌建年產(chǎn)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(biāo)是在氫冶金低碳冶煉、高端精品鋼生產(chǎn)、鋼鐵冶煉短流程等重大工藝和裝備技術(shù)取得重大突破和形成示范應(yīng)用。項目實施和成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用填補了我國氣基豎爐直接還原技術(shù)的空白，對氫冶金短流程在鋼鐵行業(yè)的推廣和實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色化創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。目前，團隊正在與某大型鋼鐵企業(yè)合作，研發(fā)基于可再生能源制氫-全氫豎爐直接還原關(guān)鍵技術(shù)，包括：全氫氣基豎爐爐料、工藝系統(tǒng)設(shè)計、重大工藝裝備、操作優(yōu)化、安全控制技術(shù)、智能冶煉等。

 

內(nèi)容來源：東北大學(xué)