氫在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用及趨勢(shì)

韓兵權(quán)

摘要：鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)是我國(guó)社會(huì)建設(shè)的重要支柱行業(yè)，為汽車制造、機(jī)械加工等領(lǐng)域提供關(guān)鍵的原料。由于鋼鐵生產(chǎn)過程中原鐵礦石的生產(chǎn)利用會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣等，不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，同時(shí)也降低了原鐵礦石的利用效率。隨著對(duì)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的研究發(fā)展，通過利用氫氣能夠增強(qiáng)鋼鐵生產(chǎn)效率，提高鋼鐵生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。文章通過對(duì)氫在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用途徑進(jìn)行分析，旨在能夠?yàn)殇撹F生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供有力支撐，促進(jìn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展方針政策的落實(shí)。

關(guān)鍵詞：氫;鋼鐵生產(chǎn);應(yīng)用;趨勢(shì)

隨著國(guó)家節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，對(duì)于鋼鐵生產(chǎn)等傳統(tǒng)行業(yè)提出了轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求。隨著原鐵礦石材料開采量的減少以及社會(huì)生產(chǎn)對(duì)鋼鐵產(chǎn)量的要求不斷提高，使得鋼鐵原料的價(jià)格一路攀升。鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在保證生產(chǎn)能力的同時(shí)，可以通過先進(jìn)的技術(shù)革新方式提高生產(chǎn)的效率。通過使用氫氣技術(shù)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化處理，能夠顯著提高原材料的利用水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。

一、氫在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）氫在鋼鐵生產(chǎn)煉焦環(huán)節(jié)的應(yīng)用

焦炭是鋼鐵生產(chǎn)的必要材料，鋼鐵生產(chǎn)過程中的煉焦環(huán)節(jié)是通過將煤炭原料的煉化得到焦炭的過程。煉焦環(huán)節(jié)中由于煤炭會(huì)產(chǎn)生大量的焦?fàn)t氣體，這些焦?fàn)t氣體的主要成分是氫氣，對(duì)焦?fàn)t氣體的循環(huán)利用能夠降低氣體排放造成的空氣污染。目前，在鋼鐵生產(chǎn)中可以利用焦?fàn)t氣體較好的助燃特點(diǎn)，為鋼鐵以及其他工業(yè)領(lǐng)域所二次利用，如通過焦?fàn)t氣體的提純得到氫氣產(chǎn)品等，從而提高了鋼鐵生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

（二）氫在鋼鐵生產(chǎn)煉鐵環(huán)節(jié)的應(yīng)用

1.氫在高爐煉鐵工藝中的應(yīng)用

利用高爐煉鐵工藝進(jìn)行鐵生產(chǎn)是一種較為簡(jiǎn)單和普遍的方式，高爐煉鐵流程中需要通過對(duì)原鐵礦石、焦炭等材料進(jìn)行配比使用，使得不同原材料在高爐的高溫蒸汽環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鐵、氫氣等物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了煉鐵目的。而氫氣作為中間產(chǎn)物可以在有效的氣體導(dǎo)出和提純后，作為燃料被二次利用，不僅減少了對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)還能夠降低鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的燃料成本，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的優(yōu)化轉(zhuǎn)型具有積極的作用。

2.氫在熔爐煉鐵工藝中的應(yīng)用

目前的熔爐煉鐵工藝主要可以分為兩種形式，即含焦方式和非焦方式。含焦工藝方式主要是通過熔爐對(duì)煤炭、鐵礦等進(jìn)行分解，通過利用煤炭產(chǎn)生的氫氣與鐵礦進(jìn)行結(jié)合，得到還原后的生鐵[1]。這種含焦工藝方式的煉鐵量較大，但不足之處是需要使用大量的煤炭能源。非焦工藝方式與含焦工藝的區(qū)別較大。非焦工藝方式屬于一種新型技術(shù)，可以通過非焦煤炭和鐵礦粉在熔爐中的噴射進(jìn)行鐵提純。非焦工藝中的熔爐含有大量的高溫鐵水，通過非焦煤中的碳元素進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣使熔爐能夠持續(xù)保持高溫發(fā)熱，從而維持煉鐵流程的循環(huán)往復(fù)。非焦工藝方式不僅使煉鐵過程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，還能夠通過對(duì)氣體的高效利用顯著壓縮排放的氣體數(shù)量，是目前鋼鐵生產(chǎn)中的核心技術(shù)之一。

3.氫在直接冶煉工藝中的應(yīng)用

鋼鐵生產(chǎn)過程中的直接冶煉工藝主要是利用物理反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵礦石的提煉。直接冶煉工藝可以分為頂爐裂化方法和變壓吸附方法。頂爐裂化工藝方法主要是將天然氣與煤氣進(jìn)行裂化，產(chǎn)生高濃度的氫氣和一氧化碳混合氣體，并利用混合氣體對(duì)豎爐中的鐵礦石進(jìn)行提煉。但有天然氣等資源的開采越來越難，因此這種冶煉工藝已經(jīng)不再適合鋼鐵生產(chǎn)[2]。變壓吸附工藝方法是通過變壓手段去除混合氣體中的二氧化碳，從而提高氫氣的純度，以便提高氫氣與鐵礦石的反應(yīng)性效率。高純度的氫氣能夠在豎爐中與鐵礦發(fā)生氣還原，并在熱爐中將硫化物等殘?jiān)D(zhuǎn)化為固體形式，減低排放的污染情況。

（三）氫在鋼鐵生產(chǎn)煉鋼環(huán)節(jié)的應(yīng)用

煉鋼環(huán)節(jié)中主要是通過電爐設(shè)備提煉純鋼。電爐主要是依靠電能加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的提煉。電爐煉鋼工藝是世界最為普及的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，電爐具有制造還原氣體的功能，在鋼冶煉過程中實(shí)現(xiàn)脫氧、脫碳等需求，鋼冶煉可以分為三個(gè)主要階段，即熔化、氧化以及提純。熔化階段是將鋼原材料熔化為液體狀態(tài);氧化階段是通過向電爐設(shè)備中輸送氧氣，使鋼原材料中的碳元素通過有氧反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w;提純階段是利用氫氣的混合氣體對(duì)鋼原材料進(jìn)行還原和提出，從而得到鋼產(chǎn)品。在使用電爐進(jìn)行煉鋼時(shí)，對(duì)于生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的廢渣等物質(zhì)可以進(jìn)行二次提出，從而提高鋼產(chǎn)量并較少排放物。目前的鋼生產(chǎn)技術(shù)可以有效支持廢鋼作為原材料，從而極大地推動(dòng)了廢鋼的回收再利用，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

二、氫在鋼鐵生產(chǎn)中的發(fā)展趨勢(shì)

鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)作為一個(gè)重要的傳統(tǒng)領(lǐng)域，在社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中必然會(huì)經(jīng)歷不斷的變革。隨著國(guó)家對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)領(lǐng)域的節(jié)能減排方針政策的提出，鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和技術(shù)創(chuàng)新成為必然趨勢(shì)。氫能源具有較強(qiáng)的催化作用，能夠幫助鋼鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，進(jìn)而降低廢氣、廢渣等的排放數(shù)量。氫在鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初步階段，技術(shù)模式、工藝流程以及生產(chǎn)設(shè)備等的研發(fā)工作仍然具有較大的發(fā)展空間，這就需要相關(guān)企業(yè)和研發(fā)人員能夠重視對(duì)鋼鐵生產(chǎn)的創(chuàng)新優(yōu)化，使氫能源能夠在鋼鐵生產(chǎn)中發(fā)揮更為積極的作用。氫能源與鋼鐵產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，也給傳統(tǒng)鋼鐵領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的契機(jī)，通過積極發(fā)展氫能源領(lǐng)域，為鋼鐵生產(chǎn)提供充足的能源的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，推動(dòng)了社會(huì)的有序發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)：

鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)一直以來都是重要的能源消耗以及環(huán)境污染因素，隨著國(guó)家環(huán)保力度的增大，鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)也必須及時(shí)作出結(jié)構(gòu)調(diào)整，通過充分利用氫能源，提高鋼鐵生產(chǎn)效率，減低污染物的排放。鋼鐵生產(chǎn)與氫能源的結(jié)合發(fā)展，可以有效降低鋼鐵生產(chǎn)的原料成本和環(huán)境治理成本，對(duì)我國(guó)建設(shè)成為可持續(xù)發(fā)展的國(guó)家做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]于蓬，鄭金鳳，王健，張亮修.氫在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用及趨勢(shì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（29）：152-154.

[2]王濤，王鐵民，陳素君，陳贊華.燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)與低溫多效海水淡化耦合式生產(chǎn)在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用[J].節(jié)能與環(huán)保，2016（01）：68-70.