氢在钢铁生产中的应用及趋势

韩兵权

摘要：钢铁生产行业是我国社会建设的重要支柱行业，为汽车制造、机械加工等领域提供关键的原料。由于钢铁生产过程中原铁矿石的生产利用会产生大量的废渣等，不仅对环境造成严重的污染，同时也降低了原铁矿石的利用效率。随着对钢铁生产技术的研究发展，通过利用氢气能够增强钢铁生产效率，提高钢铁生产的经济效益和社会效益。文章通过对氢在钢铁生产中的应用途径进行分析，旨在能够为钢铁生产模式的转型发展提供有力支撑，促进我国可持续发展方针政策的落实。

关键词：氢;钢铁生产;应用;趋势

随着国家节能减排和可持续发展战略的提出，对于钢铁生产等传统行业提出了转型发展的要求。随着原铁矿石材料开采量的减少以及社会生产对钢铁产量的要求不断提高，使得钢铁原料的价格一路攀升。钢铁生产企业在保证生产能力的同时，可以通过先进的技术革新方式提高生产的效率。通过使用氢气技术对钢铁生产过程进行优化处理，能够显著提高原材料的利用水平，进而实现节能减排的发展目标。

一、氢在钢铁生产中的应用

（一）氢在钢铁生产炼焦环节的应用

焦炭是钢铁生产的必要材料，钢铁生产过程中的炼焦环节是通过将煤炭原料的炼化得到焦炭的过程。炼焦环节中由于煤炭会产生大量的焦炉气体，这些焦炉气体的主要成分是氢气，对焦炉气体的循环利用能够降低气体排放造成的空气污染。目前，在钢铁生产中可以利用焦炉气体较好的助燃特点，为钢铁以及其他工业领域所二次利用，如通过焦炉气体的提纯得到氢气产品等，从而提高了钢铁生产的经济性。

（二）氢在钢铁生产炼铁环节的应用

1.氢在高炉炼铁工艺中的应用

利用高炉炼铁工艺进行铁生产是一种较为简单和普遍的方式，高炉炼铁流程中需要通过对原铁矿石、焦炭等材料进行配比使用，使得不同原材料在高炉的高温蒸汽环境下发生化学反应，生成铁、氢气等物质，实现了炼铁目的。而氢气作为中间产物可以在有效的气体导出和提纯后，作为燃料被二次利用，不仅减少了对环境的污染，同时还能够降低钢铁生产企业的燃料成本，对钢铁生产企业的优化转型具有积极的作用。

2.氢在熔炉炼铁工艺中的应用

目前的熔炉炼铁工艺主要可以分为两种形式，即含焦方式和非焦方式。含焦工艺方式主要是通过熔炉对煤炭、铁矿等进行分解，通过利用煤炭产生的氢气与铁矿进行结合，得到还原后的生铁[1]。这种含焦工艺方式的炼铁量较大，但不足之处是需要使用大量的煤炭能源。非焦工艺方式与含焦工艺的区别较大。非焦工艺方式属于一种新型技术，可以通过非焦煤炭和铁矿粉在熔炉中的喷射进行铁提纯。非焦工艺中的熔炉含有大量的高温铁水，通过非焦煤中的碳元素进行化学反应，生成氢气使熔炉能够持续保持高温发热，从而维持炼铁流程的循环往复。非焦工艺方式不仅使炼铁过程实现优化，还能够通过对气体的高效利用显著压缩排放的气体数量，是目前钢铁生产中的核心技术之一。

3.氢在直接冶炼工艺中的应用

钢铁生产过程中的直接冶炼工艺主要是利用物理反应实现对铁矿石的提炼。直接冶炼工艺可以分为顶炉裂化方法和变压吸附方法。顶炉裂化工艺方法主要是将天然气与煤气进行裂化，产生高浓度的氢气和一氧化碳混合气体，并利用混合气体对竖炉中的铁矿石进行提炼。但有天然气等资源的开采越来越难，因此这种冶炼工艺已经不再适合钢铁生产[2]。变压吸附工艺方法是通过变压手段去除混合气体中的二氧化碳，从而提高氢气的纯度，以便提高氢气与铁矿石的反应性效率。高纯度的氢气能够在竖炉中与铁矿发生气还原，并在热炉中将硫化物等残渣转化为固体形式，减低排放的污染情况。

（三）氢在钢铁生产炼钢环节的应用

炼钢环节中主要是通过电炉设备提炼纯钢。电炉主要是依靠电能加热实现对原料的提炼。电炉炼钢工艺是世界最为普及的钢铁生产技术，电炉具有制造还原气体的功能，在钢冶炼过程中实现脱氧、脱碳等需求，钢冶炼可以分为三个主要阶段，即熔化、氧化以及提纯。熔化阶段是将钢原材料熔化为液体状态;氧化阶段是通过向电炉设备中输送氧气，使钢原材料中的碳元素通过有氧反应转变为气体;提纯阶段是利用氢气的混合气体对钢原材料进行还原和提出，从而得到钢产品。在使用电炉进行炼钢时，对于生产过程中出现的废渣等物质可以进行二次提出，从而提高钢产量并较少排放物。目前的钢生产技术可以有效支持废钢作为原材料，从而极大地推动了废钢的回收再利用，实现了钢铁生产领域的可持续发展目标。

二、氢在钢铁生产中的发展趋势

钢铁生产行业作为一个重要的传统领域，在社会发展进程中必然会经历不断的变革。随着国家对传统生产领域的节能减排方针政策的提出，钢铁生产行业的结构转型和技术创新成为必然趋势。氢能源具有较强的催化作用，能够帮助钢铁生产环节实现资源的循环利用，进而降低废气、废渣等的排放数量。氢在钢铁生产领域的应用还处于初步阶段，技术模式、工艺流程以及生产设备等的研发工作仍然具有较大的发展空间，这就需要相关企业和研发人员能够重视对钢铁生产的创新优化，使氢能源能够在钢铁生产中发挥更为积极的作用。氢能源与钢铁产业的结合，也给传统钢铁领域的发展带来了新的契机，通过积极发展氢能源领域，为钢铁生产提供充足的能源的同时，也实现了产业结构的优化，推动了社会的有序发展。

结束语：

钢铁生产行业一直以来都是重要的能源消耗以及环境污染因素，随着国家环保力度的增大，钢铁生产行业也必须及时作出结构调整，通过充分利用氢能源，提高钢铁生产效率，减低污染物的排放。钢铁生产与氢能源的结合发展，可以有效降低钢铁生产的原料成本和环境治理成本，对我国建设成为可持续发展的国家做出贡献。

參考文献

[1]于蓬，郑金凤，王健，张亮修.氢在钢铁生产中的应用及趋势[J].科学技术创新，2019（29）：152-154.

[2]王涛，王铁民，陈素君，陈赞华.燃气蒸汽联合循环与低温多效海水淡化耦合式生产在钢铁行业中的应用[J].节能与环保，2016（01）：68-70.