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MIDREX H2TM :超低CO2排放炼铁技术及其在新的氢经济中的位置

2021-08-30 11:14:37 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

在过去的几十年里,人们对钢铁工业中探索和减少二氧化碳排放的兴趣和工作越来越多。以天然气为基础的MIDREX?直接还原工艺与电弧炉(EAF)配合使用
 钱良丰1,Jayson Ripke, Ph.D.2,John Kopfle3

1米德雷克思冶炼技术服务(上海)有限公司  2,3 Midrex Technologies, Inc.

 

1 背景

今天的大部分能源来自三种碳氢化合物来源之一:石油、煤炭或天然气。当谈到能源及其与全球市场的关系时,这被称为“碳氢化合物经济”。氢经济是一种使用氢来传递能量的系统。它被提出作为一种方法来解决使用碳氢化合物燃料的一些负面影响,排放到大气中的二氧化碳,一氧化碳,未燃烧的碳氢化合物等。

世界规模的氢经济的支持者认为,对最终用户来说,氢是一种更环保的能源,在最终使用时不会释放污染物,如颗粒物或二氧化碳。然而,要使氢成为一个主要的经济因素,还有许多问题需要克服。例如,氢按重量计算能量密度很高,但在没有压缩或液化的情况下,按体积计算能量密度很低,因此氢燃料电池的高成本一直是其发展的主要障碍。其他相关问题,如储存、分销基础设施、氢纯度和安全问题,都必须克服才能使氢经济起飞。

此外,还有典型的“鸡和蛋”综合症。潜在的生产商正急切地等待消费者站出来,以便他们能够大规模地展示氢的使用,而一旦足够的氢能够以具有竞争力的成本生产出来,消费者似乎已经准备好了。氢经济的全面实现需要产业界、学术界、政府和消费者的合作。

2 关于氢能

如今,氢有两种主要用途。大约一半用于生产氨(NH3) 用于化肥。另一半用于将重质石油转化为可作为燃料使用的较轻馏分,这就是所谓的加氢裂化。由于这种方法可以有效地改善焦油砂和油页岩等较差的原料,因此加氢裂化被视为一个增长领域。

2016年,全球96%的氢产量来自化石燃料:48%来自天然气,30%来自石油,18% 来自煤炭; 电解水占4%。将氢的集中生产与轻型燃料电池汽车连接起来,将需要一个昂贵的分销基础设施的选址和建设。此外,必须克服在汽车上提供安全、能量密集的氢储存的技术挑战,以提供足够的加油间隔。

大多数氢气是在以天然气为原料的蒸汽甲烷转化炉(SMR)中产生的。这与MIDREX®重整器的技术类似。转化炉产生含有H2和CO的气体,然后将CO除去。虽然利用蒸汽重整器进行大规模制氢已经成为现实,但由于它是由天然气制成的,因此并没有提供大幅减少二氧化碳排放的解决方案; 因为,SMR有大量的二氧化碳排放。

另一种生产氢气的技术是电解,利用电将水分解成氢气和氧气。现在已经做到了,但是在氢经济中使用它有两个问题:1)在大多数国家,电力主要是用化石燃料产生的,因此仍有很大的二氧化碳排放足迹;2)以现行电价计算,氢的成本对许多应用来说太高了(大约是蒸汽重整氢成本的两倍)。目前可用的电解槽容量为1.0 MW,但全球装机容量仅为50 MW左右。

2016年,美国能源部 (DOE) 认为 “H2@规模”是一个被低估的重大机遇,他们称之为 “大想法” 。美国能源部正与17个国家实验室中的14个共同努力,重点关注这一问题。能源部设想使用低成本的非高峰功率制氢,储存产生的氢气,然后在需要时将其运送给用户,而不是使用用电高峰时产生的电能来电解氢气。图1显示了它的经济性。使用0.01美元/千瓦时的电力,氢的成本与蒸汽重整器的成本差不多(见图1左起第二个柱) 。进一步的研究开发有可能会使电解氢的成本更低。以这种成本所能产生的产量,将来我们有可能将氢气用于炼铁和炼钢。


1 绿氢的经济性评估

 

3 氢炼铁技术

全世界对减少二氧化碳排放有着极大的兴趣和正在着手推进工作。一个非常有前途的解决方案是使用氢作为燃料和化学反应物,而不是化石燃料。

由于大量使用煤炭,钢铁行业的温室气体排放量占全球总量的5%。世界上大约75%的钢铁是由在转炉 (BOF) 加工高炉 (BF)生产的铁水制造的。高炉以焦炭(精煤)为能源和还原剂。这一工艺路线每生产一吨钢铁会产生大约两吨二氧化碳。

以天然气为基础的MIDREX®直接还原(DR)工艺,与电弧炉(EAF)配合使用,在所有商业炼钢路线中二氧化碳排放量最低。这是因为天然气比煤含有更多的氢。MIDREX®工厂的工艺气体中含有约55%的氢气和36%的一氧化碳(CO),而高炉煤气中几乎全是CO。因此,MIDREX/EAF组合每吨钢产生的二氧化碳排放量约为高炉/转炉的一半。通过添加二氧化碳脱除装置,Midrex可以通过去除烟气中的二氧化碳来进一步降低二氧化碳排放。如果二氧化碳可以被使用和/或储存,排放将比BF/BOF再次减少一半。

最终极的零二氧化碳排放炼铁方案是使用低碳能源,如太阳能、风能、水力或核能生产纯氢,并在竖炉中使用氢来制造DRI。Midrex已经商业化推出Midrex H2™来实现这一目标。

4 炼铁工艺技术

在深入了解氢炼铁的细节之前,让我们先回顾一些基本知识?;鸱短?高温)使用CO和H2来完成还原,即从矿石中除去氧气(与氧化相反)。在直接还原反应器或高炉中有许多反应发生,但主要的反应如图2所示。铁以Fe表示,甲烷(天然气的主要组分)以CH4表示。

 
2 炼铁反应

5 炼铁反应

在高炉中,几乎所有的还原都是用焦炭生成的CO(反应2)来完成的。在直接还原中,用CO和H2完成还原。在使用天然气的MIDREX®标准工艺中,60% (H2 / CO的比例) 是用氢气完成的。由于还原发生在1300℃左右的高炉和900℃左右的DR炉中,温度控制是一个非常重要的考虑因素。反应1是吸热的(需要热量),反应2是放热的(放出热量)。MIDREX®工艺采用55% H2和36% CO的典型气体含量,由于炉内温度保持相对恒定,因此易于控制。

由于炭的存在,高炉内的渗碳反应会自动发生;在直接还原过程中,如果还原气体中含有CH4和CO,就会发生渗碳反应。当高炉或DR炉中存在甲烷时,就会发生渗碳反应。许多高炉现在向炉内注入甲烷(天然气)以减少焦炭消耗。

6 氢在MIDREX® 工厂的应用

氢在DR工厂中可以以两种方式使用。一些氢气可以引入以天然气为基础的工厂,作为部分天然气的替代品,或者DR工厂可以基于100%的氢气。在MIDREX®工厂中添加H2的情况下,可以替代所需天然气的三分之一。例如,在一个2.0 Mtpy的工厂中,60000 Nm³/h的H2可以替代20000 Nm³/h的天然气,这大约占天然气总消耗量的30%。此方法的流程图如图3所示。这可以用现有的或新的工厂来完成。

MIDREX H2™是指使用100%氢气作为原料气。Midrex拥有在竖炉中使用氢气制铁的丰富经验。自1969年以来,MIDREX®工厂已经生产了超过9.55亿吨的DRI,其氢气含量超过50%。MIDREX®工厂使用三种不同比例的H2和CO,大多数使用天然气和标准的MIDREX®重整器,产生的还原性气体为55% H2和36% CO (H2/CO为1.5)。委内瑞拉的FMO MIDREX®工厂

使用蒸汽转化炉,H2/CO从3.3到3.8不等。有6个MIDREX®??槔妹褐瞥傻钠?,它们的氢与CO的比值从0.37到0.56。因此,MIDREX®工艺在H2/CO比从0.37到3.8的条件下成功地产生了DRI。

 

基于初始建模和实验室实验,可以在MIDREX®竖炉中使用几乎纯氢气来制造DRI。流程图如图4所示。它类似于标准MIDREX®工艺,唯一不同的是H2输入气体是在工艺外部产生的。因此,不需要转化炉,而使用气体加热器将气体加热到所需的温度。在实际应用中,还原气H2含量约为90%,平衡CO、CO2、H2O和CH4。这些成分是为温度控制而添加天然气和添加碳的结果,如下一节所述。

由于H2在顶气洗涤器中转化为H2O并冷凝,因此不需要CO2去除系统。氢气消耗约为550 Nm³/t DRI。此外,还原气体加热器还需要高达250nm³/t的氢气或其他环保热源,如废热、电力和/或天然气作为燃料。与高炉/转炉炼钢路线相比,该工艺的二氧化碳排放量可减少80%。

MIDREX H2™工艺有很多需要考虑的因素,首先是温度。有了如此多的氢气,由于炼铁反应1,还原气体进入直炉时DRI冷却(见图2)。因此,有必要添加天然气以保持所需的还原温度。根据Midrex模型,以50 Nm3/t DRI的速度添加天然气就可以实现这一目标。

第二个问题是DRI碳含量。绝大多数DRI用于EAF。电弧炉炼钢一般采用在金属炉料(如DRI、HBI和生铁) 中添加碳或作为纯碳的方法。将这些碳与注入的氧气一起燃烧,可以产生大量的热量,从而减少电力消耗,加快融化速度。由于生铁是由含碳饱和的高炉铁水制成的,所以它含有4- 4.5%的碳。DRI可以有1- 4.5%的碳,这取决于过程,减少气体使用和DRI工厂的运作方式。大多数电炉炼钢企业倾向于使用含碳量在1.5- 3%的DRI,但最佳含碳量取决于金属炉料混合和生产的钢级。

由于还原性气体中含有大量的氢,因此必须在过程中的某些地方添加碳氢化合物,以达到所需的碳水平。DRI渗碳选择包括在冷却区或炉下锥添加碳氢化合物。添加50 Nm3/t的天然气用于温度控制,达到DRI碳约为1.4%。炼钢的下一步发展将是在不使用碳的情况下熔化铁,但这将是非常耗能的,因为随着碳含量的降低,钢的熔点会增加。

……
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