作者：夏明黄小兵邱江波

（天津闪速炼铁技术有限公司天津）

摘要：介绍了氢气零排放闪速炼铁的工艺流程，并着重讨论了净零排放、闪速炼铁等几个重点问题。

关键词：净零排放氢气炼铁炼钢天闪炉高纯铁

1.背景

气候政策的执行，将导致钢铁行业的重建。高炉炼铁工艺因做不到“净零碳排放”而面临淘汰。解决这个问题，行业可选的办法是：依托在能源、工艺、材料领域的创新或三个领域的复合创新。目前，在全球的范围内，还未找到公认的、较完美的解决方案，例如，影响面最广、最有代表性的是“H2-DRI-EAT”法（风力发电---电解水制氢---氢直接还原铁---铁经电弧炉炼钢）也是一个阶段性的应用，因其特点是生产流程特别长、成本高，即使是用非绿色的旧能源，其生产成本也大于高炉体系，只有依赖政策补贴才能运行。由于钢铁产品的价格很难影响绿色能源的价格，所以该方法的未来极不确定，造成现在的决策困难。

实践和理论都一致认为，要实现碳减排的重大突破，最终还是要依靠工艺创新。

2.氢气天闪炉炼铁工艺流程

改造传统的闪速炉，在保留空间熔炼和熔池熔炼的冶金功能的基础上，使之生产还原气体，且以该气体为冶炼的主要原燃料，这种改造后的炉型就是天闪炉，也形象地称为串联闪速炉。

如图1所示，天闪炉由上部空间、下部空间、熔池、上升烟道四部分组成。上部空间用于加热进入其中的氢气，下部空间是还原熔炼空间，主要作用是还原熔炼铁矿粉。熔池的主要作用是造渣、渣铁分离及排渣出铁。烟气经上升烟道排出炉外。

氢气天闪炉炼铁工艺流程如图2所示，循环返回的氢气与从外部补充的氢气进入上部空间，在上部空间中被加热到熔炼所需的温度后，进入下部空间。

同时，向下部空间中喷入铁矿粉。在下部空间中，铁矿粉以极大的比表面积与高温氢气充分接触，传热和传质的速度极快，使铁矿粉迅速被熔炼还原为铁单质。

空间熔炼后的产物进入熔池。在熔池中，铁矿粉中的脉石成分与加入的熔剂造渣，在熔体向排放口流动过程中，铁水熔渣沉淀分层，分别通过排渣口和排铁口排出炉外（图1中，渣口和铁口分置两瑞，是为了表达直观）。在此过程中，向熔池内喷入氢气及适量氧气，燃烧为熔池补充热量，同时使熔池形成还原环境，残余的铁氧化物在其中被彻底地还原。

下部空间还原熔炼所产生的烟气经熔池上部的水平烟道进入上升烟道，与熔池熔炼后产生的烟气一起，经由上升烟道排出炉外。

天闪炉排出的高温烟气（主要成分为H2、H2O）进入高温换热器，作为高温换热器的热媒，换热降温后，经过烟气处理工段，得到纯净的氢气，经氢气柜缓冲后，送至高温换热器作为冷媒，换热升温后返回天闪炉的上部空间循环再利用。

3.特点说明

3.1净零排放

天闪炉尾气中的氢气经净化提纯后返回上部空间，同时从外部向上部空间补充冶炼过程中消耗掉的氢气，氢气闪速炼铁整个工艺流程没有碳素的参与，不产生也不排放CO2，因而，该工艺是一种净零排放的钢铁生产工艺。

若原料端的氢气是绿色的，那么，产品就是绿色的。

3.2产品类型

氢气天闪炉炼铁工艺的原料和辅料中，均无固碳的存在，因而铁水中含碳为零。

由于冶炼过程没有碳素存在,而锰的氧化物在℃以下无法被氢气还原为金属Mn，因而铁水中不含锰。同样的道理，铁水中也不会含硅。

由于氢气闪速炼铁工艺不用煤和焦炭，磷和硫的来源大为减少，磷和硫只来源于铁矿。而在高温的还原性气氛空间中，以大分子氧化物形态存在于铁矿中的硫、磷被还原成单质或低氧化程度的气体，与铁矿彻底分离，随烟气排出炉外。因而，铁水中硫磷含量极低。

氢气天闪炉炼铁工艺最终得到产品是优质的高纯铁，并且，由于工艺结构性的优势，有理由获得超高纯铁。

向熔池中加入碳素，使熔体渗碳，产品就是洁净钢，产品转换比较容易。

4.氢气天闪炉炼铁工艺主要技术经济指标

为与同类技术对比，以一年产48.6万吨的小型炉为例，对氢气天闪炉炼铁工艺流程进行热平衡和物料平衡冶金计算，计算结果简述如下：

说明：上表中单价为年9月中国某地的市场采购价格，仅供参考。从上表可以看出，当氢气价格为2欧元/kg（欧盟绿氢定价），绿氢闪速炼铁工艺的盈利水平大于高炉炼铁工艺的盈利水平。

5.结语

1）氢气天闪炉炼铁工艺的核心设备天闪炉是可以用成熟的氢气加热炉及成熟的闪速炉串接而成，是这二种成熟设备的集成创新，创新的风险小。

2）氢气天闪炉炼铁工艺是％的净零排放工艺。

3）氢气天闪炉炼铁工艺的产品是优质的高纯铁（也可以是钢）。

4）氢气天闪炉炼铁工艺生产的绿色钢铁的盈利水平高于高炉炼铁工艺。