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图2   我国各类工业制氢路线发展趋势

图3   我国制氢发展阶段预测

(1)全氢竖炉的强吸热效应。

全氢竖炉或流化床直接还原早在20世纪80年代就在西欧国家有过工业生产实践。因此，使用100%纯氢气大型竖炉生产直接还原铁在技术上不存在太大问题。但是，自欧洲几座全氢气竖炉及特立尼达和多巴哥的 CIRCORED 流化床直接还原炼铁生产装置停产后，40多年来未建成一座竖炉或流化床采用纯氢气生产直接还原铁。国内权威的冶金专家曾在多次会议上强调氢冶金的诸多好处，但目前使用100%纯氢炼铁的技术合理性及其存在的问题，仍需认真研究和思考。

采用全氢还原的竖炉中没有碳源，还原气全为H2，系统内部无法实现热量互补、变换和物质的循环。在全氢竖炉中，将发生强吸热反应(如图4所示)。因此，纯氢气还原铁矿石过程会大量吸热，竖炉中散料层内的温度场急剧向凉，延缓了需要消耗大量热量的后续氢气还原氧化铁反应，煤气利用率大幅下降(如图5所示)。

图4   H2还原的吸热效应

图5   竖炉煤气利用率与入炉还原气含氢量的关系

在温度和压力不变的条件下，若要维持预定的竖炉生产率，必须增加作为载热体的入炉氢气量。如图6所示，在0.4MPa、900℃下，全氢竖炉入炉还原气理论需求量2201.5m³(标 )/t(DRI)，才能满足竖炉还原热量需求；当入炉还原气 H2/CO 比为 1.5 时的富氢竖炉入炉还原气理论需求量仅为 1326m³(标)/(DRI)[全氢流化床还原的入炉氢气量高达 4000m³/(DRI)]。如果氢气供应量不变，与目前生产的竖炉相比，全氢竖炉的DRI产量将减少 1/3，竖炉的生产率降低 1/3，造成还原铁的成本大幅提高，导致亏损。

(2)氢气密度过低，加热难度大。

氢气的体积密度仅为CO、CO2、H2O体系的1/20，进入竖炉后会急剧向炉顶逃逸，与混合气体相比，氢气在炉内的路径、方向迅速改变，不能很好地停留在竖炉下部的高温带完成还原铁矿球团的任务。理论上讲，若提高操作压力和温度，可达生产率的设计指标，如采用 1MPa 以上的入炉氢气压力，氢气加热到 1000℃以上入炉，也可以使全氢竖炉生产率达到设计指标。还原气压力和入口温度对竖炉生产率的影响见图7。

但氢气是一种极其易燃易爆的气体，受限于加热炉炉管材质的耐高温氢蚀性能;氢气极易泄漏，易燃易爆，对反应器及管道防泄漏能力要求极高;氢气逃逸速度快，加热炉设计难度增加。纯氢气的安全加热是亟待研究解决的重要问题。尽管加热炉炉管内避免了CH4、CO的析碳、渗碳问题，但合金炉管材料的抗高温、氢脆失效问题变得突出，需要在材料设计、冶炼上进行突破。生产应用上，需要解决竖炉本体设备的密封安全和炉内耐材的氢还原破坏等问题。竖炉的装料和排料机构必须对使用的高H2比例煤气具有高的密封性，操作安全可靠。全氢竖炉高压操作尽管可以降低煤气流速、适当提高H2的利用率,但增加了竖炉操作的安全风险。而且，加热炉炉管内的氢气压力过高，也将增大氢脆的影响。

竖炉需要高效率长期地稳定生产，如果让竖炉反应器系统在高温、高压极限条件下长期工作，则不能保障反应器设备和员工的安全，高温高压不符合冶金工艺设计的目标。

(3)氢气价格昂贵。

目前氢是成本较高的二次能源，全氢竖炉生产DRI很难盈利，也难以商业化。即使采用成本最低的制氢方式，包括设备投资维护等，全竖炉还原的运行成本也比目前的富氢竖炉高出近一倍。在目前实际生产的 MIDREX、HYL-Ⅲ、PERED 等竖炉中，由于煤气中除了含氢气，还含有 20%~ 35% CO，因此，反应器中除了氢还原吸热反应，还有CO还原放热反应。放热反应与吸热反应同时进行，使得料层中不同部位均发生热交换并进行复杂的物质、元素循环变换，大大改善了竖炉内涉及供热、传热及传质等方面的还原热力学和动力学条件。

(4)全氢竖炉 DRI产品无渗碳、反应活性高、极易氧化、难以钝化，无法安全储存运输和使用;熔点高，电炉电耗增加。

影响竖炉直接还原的速度和生产效率的因素有很多，例如入炉还原气的氢气比例、温度、压力，煤气利用率，铁矿石停留时间，气体传热、传质动力学条件，竖炉设计等。基于国内丰富的煤炭资源、成熟的煤制氢技术以及尚待完善的电解水制氢与储氢技术，若按照逆流还原竖炉的规律，在安全可靠、稳定顺行、高效节能的操作方针指导下，充分发挥氢气高温还原反应速度及传质速度快的优势，充分利用现有工业化竖炉的成熟设计和生产操作经验，适度改进完善竖炉的关键工艺设备，综合运用、优化选择竖炉还原的各种工艺参数，发挥富氢竖炉的优势，使竖炉直接还原达到最佳的产能和最低的能耗，相较于纯竖炉直接还原面临的困难要小得多。而发展并实践以太阳能、风能、水能、海洋能和地热能为基础的零排放经济制氢技术，研发并应用大规模产业化的储氢装置与技术，将有助于实现全氢冶金。