这家冶金企业基于液相还原炼铁技术进行生产

《International Journal of Hydrogen Energy》：Metallurgical enterprise based on the technology of liquid phase reduction of iron

　　K.V. 斯特罗戈诺夫 | N.A. 萨利金 | D.D. 利沃夫 | V.A. 穆拉绍夫 | A.D. 西切夫
俄罗斯联邦国立预算高等教育机构“国立 MSEI 研究大学”，莫斯科动力工程学院，克拉斯诺卡扎尔梅纳亚街14号，莫斯科111250

**摘要**
本文介绍了液态铁还原技术和连续炼钢工艺的技术解决方案，旨在创建一种节能的冶金过程。本研究的主要目标是开发一种基于创新连续炼钢装置（以下简称SAND）的连续生产热轧钢带的综合技术，该装置基于液态铁还原原理运行。关键任务是创建一种无需高炉的连续铁还原技术，通过注入天然气实现碳-氢混合物的使用，从而高效利用燃料能量。根据设计的装置，提出了一份包含主要设备布局的总体规划，其中考虑了新冶金厂物料流动的物流情况。特别关注了二次能源资源的利用系统开发以及环境性能指标的分析。

该研究的科学和实践意义体现在：替代炼钢技术的可行性、与烧结-焦炭-高炉工艺相比显著降低温室气体排放，以及提高冶金生产竞争力的前景。所得结果可为工业规模设施的设计提供技术经济评估的基础。

**引言**
当前，铁冶金行业需要寻找创新的炼钢方法。例如，中国过剩的生产能力导致了市场饱和。炼钢企业竞争力的关键标准之一是低生产成本。最广泛采用的基于高炉和转炉的技术存在一些挑战，包括大量的二氧化碳排放、燃料和电力消耗高以及生产成本高。俄罗斯工业领域的积极现代化以及遵守全球环境安全标准的需求，凸显了开发新的冶金技术解决方案的重要性。液态铁还原工艺是一个有前景的方向，可以显著减少环境影响并提高能源利用效率。本研究的主要目标是基于基于液态铁还原原理运行的创新连续炼钢装置，开发一种连续生产热轧钢带的综合技术，这包括二次能源资源利用系统的开发以及环境性能指标的分析。

**科学和实践意义**
该研究的科学和实践意义在于：
- 确认了基于液态铁还原的替代炼钢技术的可行性；
- 显示了与烧结-焦炭-高炉工艺相比，温室气体排放量可大幅降低（最多60%）；
- 展示了通过引入环境导向的创新技术提高冶金生产竞争力的前景；
- 可为试点或工业规模设施的设计提供技术经济评估的基础。

**对象和研究方法**
减少二氧化碳排放可以通过降低碳氢化合物燃料消耗或转向更环保的燃料类型来实现[[1], [2], [3], [4], [5]]。最常见的炼钢技术是烧结-焦炭-高炉工艺，其特点是生产能耗高（约为1852公斤标准煤/吨钢），有害排放量大（约为1.5–2吨二氧化碳/吨钢[[6], [7], [8], [9], [10]]。

**结果讨论**
本文描述了旨在提高冶金生产能效和环境友好性的液态铁还原技术的技术解决方案。已经开发了有效利用二次能源资源的技术方案，并设计了利用废热锅炉发电的方案。Aspen One软件包中的数学建模表明……

**技术发展的前景和氢安全保障**
液态铁还原技术的发展及其基于该技术的连续炼钢复合体的建立为冶金过程的进一步进步开辟了广阔的空间。本研究获得的结果表明，所提出的技术平台具有整合到未来低碳和氢基生产链中的巨大潜力。在全球向工业脱碳转型的背景下，此类技术变得至关重要。

**最终总结**
基于液态铁还原（LPRR）和连续炼钢的工艺代表了冶金未来的一个有前景的方向。它结合了高能效、低碳足迹、技术灵活性以及与氢基解决方案的兼容性。智能监测系统的集成以及A.L.古谢夫在传感器技术和氢泄漏检测方面的科学研究，确保了高水平的工业安全性，并为该技术的运行做好了准备。

**结论**
本研究为基于液态铁还原和连续炼钢原理的新一代冶金技术的发展提供了全面的科学和工程基础。所提出的概念，体现在连续炼钢装置（CSU）及其核心组件——液态铁还原反应器（LPRR）中，与传统炼铁和炼钢工艺有显著区别。

**液态铁还原的科学和技术基础**
研究表明，使用甲烷分解产生的碳氢化合物混合物（HCM）进行液态铁还原不仅在热力学上可行，而且在技术上也有优势。甲烷在高温下分解为碳和氢，提供了在熔体中同时起作用的独特还原剂组合。这种双重作用机制加速了氧化铁的还原速度，提高了金属化程度，并稳定了过程。

**热力学和动力学论证**
使用IVTANTHERMO进行的动力学建模证实，在1460–1650 K的温度范围内，氧化铁的还原程度可达到99%。这种高效率归因于涉及液态氢和碳的反应具有有利的吉布斯自由能。该过程的动力学优势包括：
- 碳在熔体中的快速溶解；
- 氢的高扩散性；
- 无固态扩散障碍；
- 连续去除还原产物。

**LPRR反应器的工程设计和技术特性**
LPRR反应器被设计为一种坚固的连续流式冶金装置，能够在变化的装料成分和热负荷下运行。其结构组件——包括穿孔护板、耐火衬里、装料系统、废气去除系统和天然气供应系统——形成了一个优化为长期稳定运行的集成系统。主要的设计优势包括：
- 通过2°倾斜的炉底确保熔体连续流动；
- 可控的后燃区……

**环境和能源性能**
本研究最重要的成果之一是证明了温室气体排放量的显著降低。基于LPRR工艺的二氧化碳排放量计算值为每吨钢0.948吨，相比烧结-焦炭-高炉工艺降低了60%。这种减排是通过以下方式实现的：
- 消除了焦炭和烧结的生产；
- 用甲烷的部分氧化代替了碳的燃烧；
- 还原气体的高效后燃。

**二次能源资源（SER）回收**
废热锅炉（WHB）、过热器、蒸发器、 economizer、蒸汽轮机和发电机的集成形成了一个完整的二次能源回收系统。该系统将废热能转化为电能，可用于……
- 真空脱气系统；
- 辅助设备；
- 控制和监测系统。该系统显著降低了冶金厂的外部电力需求，提高了能源独立性并降低了运营成本。

**冶金企业布局的开发**
研究还包括基于CSU系统的冶金企业 comprehensive 规划的制定。该布局整合了所有必要的生产阶段：
- 原料储存和准备；
- 连续炼钢装置；
- 矿渣处理和加工；
- 发电和气体净化；
- 铸造和轧制复合体；
- 水资源管理基础设施；
- 氧气生产和气体分配；
- 质量控制和调度系统。

**与现有技术比较**
对比分析表明，基于LPRR的CSU在多个关键指标上超过了传统和替代技术：
- 能源效率：
LPRR：1031公斤标准煤/吨钢
Midrex：1438公斤标准煤/吨钢
高炉：1852公斤标准煤/吨钢
Romelt：1759公斤标准煤/吨钢
- 二氧化碳排放：
LPRR：0.95吨/吨钢
高炉：1.5–2.0吨/吨钢
Midrex：1.2吨/吨钢
Romelt：1.5吨/吨钢
- 工艺连续性：
LPRR：完全连续
所有类似工艺：部分或完全批次式
- 设备复杂性：
LPRR消除了焦炉和烧结厂……

**工业应用前景**
研究结果表明，基于LPRR的连续炼钢技术具有技术可行性和工业潜力。该系统提供了：
- 降低的资本和运营成本；
- 提高的能源效率；
- 降低的环境影响；
- 高产品质量；
- 运行稳定性；
- 模块化可扩展性。
这些优势使该技术适用于：
现有冶金企业的现代化；
新型紧凑型钢铁厂的建造；
整合到绿色钢铁项目中。

**致谢**
本研究得到了俄罗斯科学基金会的资助（项目编号：24-29-00421），https://rscf.ru/project/24-29-00421/。