氢冶金竖炉-电炉短流程分析

【作者】 岳强； 张钰洁； 柴锡翠；

【机构】 东北大学冶金学院/生态环境部生态工业重点实验室；

【摘要】 钢铁产业是国民经济发展的重要基础性产业,同时作为资源和能源密集型产业,化石能源消耗巨大并产生大量的温室气体。在全球碳中和以及我国碳达峰、碳中和的"双碳"目标战略驱动下,钢铁行业面临着艰巨的能耗降低和碳减排压力,氢冶金技术因其深度脱碳潜力成为钢铁工业绿色转型的重要突破口,是高碳排放的钢铁行业实现低碳绿色战略转型升级的有效途径。因此,对氢冶金竖炉-电炉短流程炼钢过程中的能源消耗与环境负荷进行评价尤为必要,同时研究竖炉内直接还原铁的还原过程,将有助于短流程炼钢工艺的发展。以氢冶金竖炉直接还原过程作为研究对象,H₂和CO作为还原气,根据能量守恒定律,建立气体利用率和热平衡计算模型,分析了还原气组分、还原温度以及金属化率等关键因素对于气体利用率和能耗的影响。研究发现,采用全氢还原气氛的还原过程,适当地提高还原温度,一方面可以得到较低的理论能耗,另一方面可以提高氢冶金直接还原过程的气体利用率。在热平衡的基础上进一步设定氢冶金竖炉直接还原热效率的评价指标,包括热能利用率和热能可回收率,对还原气组分、还原温度及金属化率等关键因素的影响进行了讨论。分析表明,随还原温度的升高热能利用率逐渐增大,纯H₂还原时热能可回收率在还原温度1250～1350K范围较小。通过有限元法构建气基竖炉仿真模型,研究揭示了竖炉内温度场与物质分布的层级特征:自上而下形成预热区、还原区与冷却区,Fe含量呈中间凹陷分布。模拟表明,提高还原气温度可扩大高温区并提升Fe富集高度,但H₂比例增加会因吸热效应抑制反应效率,需通过组分与温度协同优化,温度低于1273K工况更利于CO还原,但会增加CO₂排放,而提高温度将促进H₂还原球团矿,但吸热反应会降低热效率。预热球团至473 K可使Fe富集高度提升19%。分析了氢冶金–电炉短流程的节能减排潜力,通过数值模拟揭示了关键工艺参数对能耗与碳排放的影响机制。研究表明:在1073～1573K还原温度区间内,提高H₂比例可降低用气量,但效果随温度升高而减弱。热耗呈现非线性变化,1073～1173K时随H₂比例增加而上升,1273～1573K时呈现先降后升趋势。球团矿品位提升会同时增加还原反应需气量并降低热平衡需气量。H₂比例提升和温度升高均能有效降低碳排放。工艺优化显示1273K还原温度可降低竖炉需气量。原料配比方面,30%废钢+70%直接还原铁组合较传统高炉–转炉工艺可减少约37%碳排放。未来应通过此领域技术创新、成本优化等手段,构建"绿电–氢能–冶金"协同体系,推动钢铁行业深度脱碳转型。更多还原