纯氢还原工艺适合于对铜渣的处理吗？

铜渣中TFe含量在40%左右，以其为原料生产直接还原铁是铜渣资源化利用的一种有效途径。碳冶金是目前世界上主流的还原铁生产工艺，具有热效率高、铁回收率高、生产成本低等优点，但也存在铁产品杂质含量高、工艺流程长、CO₂排放量大等缺陷。在碳达峰、碳中和这一背景及有关政策导向影响下，氢冶金等低碳工艺研究热度与日俱增。

      近来，有人提出采用纯氢还原工艺处理铜渣生产直接还原铁，那么，纯氢还原工艺能否用来处理成分复杂的铜渣呢？

一、氢冶金的原理

      传统冶金即碳冶金的是以碳（焦炭、煤炭）作为还原剂，通过高温还原反应使铁氧化物转化为金属铁，同时生成二氧化碳。

      氢冶金工艺所使用的还原剂有两种，一是富氢气体，为氢气和一氧化碳的混合气，一是纯氢气体。富氢气体生产还原铁反应产物为金属铁、二氧化碳和水，与碳冶金相比，可以上减少二氧化碳气体的排放。纯氢还原产物为金属铁和水，理论上可以实现二氧化碳气体的零排放。

二、氢冶金的优势

      与碳冶金相比，氢冶金的核心优势在于以下几点：

      一是低碳甚至无碳排放，环保优势明显，这是氢冶金根本的优势所在。控制碳排放，特别是2020年9月22日我国在第七十五届联合国大会上提出了“双碳”目标后，在环保政策及双碳政策的导向下，传统碳冶金工艺面临着巨大的准入门槛、环保压力。而氢冶金，特别是纯氢冶金过程仅生成水，契合“双碳”战略，代表着我国炼铁炼钢产业发展的方向。

      二是产品质量明显优于碳冶金，氢冶金原料为富氢气体或纯氢气体，产物为水、二氧化碳混合气或水，极易与铁分离，从反应机理上讲，与碳冶金相比，氢冶金产品质量更易控制。

      三是反应温度低、反应速度快。氢气的分子半径小，渗透速度约是CO的5倍、还原潜能是CO的11倍，能够很容易渗透到含铁矿物内部。研究结果表明，当反应温度大于810℃，氢气对铁氧化物的还原能力强于一氧化碳。因此，与碳冶金相比，从反应动力学上讲，氢冶金可降低反应温度，提高反应速度，从而降低热量消耗，具有明显的节能优势。

三、氢冶金能否用于铜渣的处理？

      目前，采用氢冶金工艺处理铜渣生产还原铁报道较少，能够查阅到的文献与专利仅有5篇。比较典型的工艺有以下两种：

      一是某团队提出的煤基氢冶金工艺，工艺过程为：将铜渣、铁精粉、高挥发分煤、粘结剂混料后压制成块，将块料送入回转窑，利用煤热解产生的氢气和以水为气化剂发生碳化反应产生的氢气与块料中的铁氧化物反应生成金属铁。将烧成料研磨、磁选制得还原铁。

      目前，该工艺已完成了小试和中试，据报道，在窑温1100℃左右，还原时间3.5h左右的条件下铁金属化率94.1%，铁粉品位86.06%，铁回收率93.36%。所得铁粉产品质量未达到炼钢用直接还原铁和硫酸法钛白还原用铁粉标准要求。

      二是某大学提出的纯氢还原-还原后物料熔分回收金属铁工艺，该工艺将铜渣、石灰混合后压制成块，将块料用氢气和氩气的混合气体进行高温还原，使铁氧化物转化为金属铁，还原完成收得还原后物料。将氢气还原后物料在1500℃温度下进行熔分收得还原铁。所得还原铁中铁的含量为85.11%，Cu10.4%。铁产品品位偏低，铜含量较高，所得产物为铜铁混合物。

     （1）技术状态

      当前，我国氢冶金研发中心仍集中在传统铁矿石领域，且研究大部分处于试验研究阶段，仅有一项研究规模为中试试验规模。实际上，氢冶金炼铁技术尚处于立项或试验阶段，国外推进较快的氢气炼铁工艺有基于气基竖炉法的Midrex工艺和HYL工艺、 基于流化床法的Finmet工艺和Circored工艺，上述四种氢气炼铁工艺已进入工业试验阶段。我国氢冶金仍处于项目规划、签订合作协议的阶段，只有少数企业设立了以绿氢作为还原剂的发展目标，多数企业还是以利用焦炉煤气、煤制气等富氢气体作为还原剂为发展目标。 

      从技术状态看，氢冶金距离规模化、工业化尚有很长的路要走。

     （2）铜渣的铁物相有别于铁矿石，纯氢还原存在较多技术障碍

      铜渣中铁物相为磁铁矿和铁橄榄石，磁铁矿占比约15~30%；铁橄榄石占比约70~85%。采用氢冶金法由铜渣生产还原铁，不仅仅是铁氧化物的还原，其核心在于铁橄榄石相中氧化亚铁与二氧化硅的解离和解离后氧化亚铁的还原。

      氢气虽活性高，渗透性强，但能否解离铁橄榄石并使铁橄榄石中的氧化亚铁还原未见明确报道，缺少数据支撑，这是氢冶金技术应用于铜渣处理所存的一个优先考虑和解决的问题。

     （3）产品附加值

      采用氢冶金处理铜渣生产直接还原铁，虽然从理论上可以实现铁的还原并收得还原铁，但所得还原铁品质状态仍需考究。氢冶金过程虽然不存在渗碳现象，还原铁中碳含量可控，但铜渣中的硫、磷、铅、锡、锑、钼等金属、非金属的分离状况未见报道，某团队研究表明：煤基氢还原过程无法实现对铜渣中镍、铜、砷、钼的分离，所得产品仅能用于对物理性能要求不高的配重及铸造领域。如果是这样，那么所得还原铁产品的附加值将受到重大影响，市场估值约在1400~1600元/t。

     （4）氢冶金法处理铜渣成本较高

     以温度符合技术要求、处理量为2.25t/h的电磁窑为还原设备，采用纯氢还原法处理TFe 42%的铜渣生产还原铁，每处理1t铜渣的生产成本：

      纯氢21.7kg，单价30元/kg，金额651元。

      电830kwh，单价0.7元/kwh，金额560元。

      生石灰 300kg，单价0.6元/kg，金额180元。

      工资及其它：55元。

      合计1446元。

      铁收率按88%计，可产出TFe86的还原铁430kg，单价1.6元/kg，销售收入688元。

      由以上可知，以目前已报道的工艺，采用纯氢还原法处理铜渣生产直接还原铁不仅缺乏经济性，而且会使建设项目处于严重亏损状态。

      而采用碳冶金回转窑法处理铜渣生产直接还原铁，每处理1t铜渣成本约580元（不含税），产出H90牌号的直接还原铁397kg，单价3.0元/kg，销售收入1191元，利润611元，经济效益显著。

     （5）纯氢的来源及储运问题

      纯氢是氢冶金的命脉。目前，低成本、大规模、无碳制备“绿氢”，即利用风能、太阳能等清洁能源电解水制氢技术尚未完全成熟，大规模的氢气制取主要是来自化石能源，属于灰氢，生产成本相对较高。 

      此外，氢气的储存与运输也是一个问题，太阳能、风能丰富的地区离冶炼企业距离较远，氢气的储存及长距离运输投资巨大，且氢气的易燃易爆性使得储运过程安全标准苛刻，这也相应增加了氢冶金的难度和成本。

      氢冶金中氢气的来源、储存和运输是很重要的环节，高度依赖成熟、廉价、安全的纯氢供应链，而这也是当前我国乃至世界发展氢冶金须面对的现实。

四、结语

      综上所述，氢冶金的突出优势在于环保方面，由于运行成本较高，适合于生产高价值的冶金产品。对于物相组成复杂的铜渣，采用纯氢冶金工艺生产直接还原铁存在诸多局限性，就目前的技术状态，纯氢冶金法处理铜渣从经济性等方面考虑是暂时无可行性。但氢冶金代表着冶金工业的发展方向，具有一定的前瞻性。