氫冶金在我國鋼鐵行業低碳發展中的作用及意義

季愛兵 巨世峰

摘要：本文介紹了氫冶金的定義和環保優勢，并指出了未來我國鋼鐵行業實現“低碳”發展的意義和作用，簡單分析了我國未來“氫冶金”發展的方向。

關鍵詞：氫冶金;低碳發展;干重整

一、概述

根據國家統計局數據顯示，2020年我國粗鋼產量10.53億噸、鋼材產量13.2489億噸、生鐵產量8.8752億噸[1];均超過世界鋼鐵產能的50%以上。我國鋼鐵產業（以長流程為主）的整個生產過程中均伴有CO2的排放;鋼鐵行業是碳排放的重要領域（約占7-9%），鋼鐵行業低碳減排對我國實現碳達峰的目標至關重要。

我國鋼鐵行業的低碳發展不僅為我國實現“碳達峰”和“碳中和”的目標至關重要，而且對全球實現“碳中和”目標舉足輕重。

二、我國鋼鐵行業現狀

目前我國鋼鐵行業的工藝流程以長流程冶煉為主，約占總產能的90%以上，相對于國外幾個發達國家，短流程冶煉工序需進一步鼓勵和發展。

我國長流程冶煉工藝存在的問題：

依賴焦炭：占煉鐵成本 35%以上;

礦石進口： 對外依存度 90%以上;

能 耗 高：鋼鐵能耗占全國總能耗15%，煉鐵工序能耗占鋼鐵全流程 69.7%;

污染嚴重：鋼鐵污染物排放占工業總排放 45.8%，煉鐵工序占鋼鐵全流程CO2排放 73.1%。

鋼鐵工業低碳發展是應對全球氣候變化的客觀需要，也是實現高質量發展的內在要求。低碳轉型已經成為鋼鐵工業高質量發展的重要抓手，制定務實的低碳發展戰略規劃，同時把握綠色低碳經濟發展下的新機遇，通過低碳轉型，為鋼鐵企業贏得更廣闊的發展空間。

三、“氫冶金”在我國鋼鐵行業低碳發展的作用

氫能作為新興的戰略能源，具有零污染、零排放的優勢，被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源之一[4]。氫冶金通常是指入爐還原氣含氫量大于55%條件下還原鐵礦石生產DRI的以氣基豎爐直接還原為主要代表的非高爐煉鐵工藝;在全球低碳經濟發展和“脫碳”大潮的背景下，以減少碳足跡、降低碳排放為中心的冶金工藝技術變革，業已成為鋼鐵行業綠色發展的新趨勢;以“氫”代替“碳”是當前低碳發展、能源變革的重要方向，也被認為是鋼鐵行業綠色化的主要抓手。

氫冶金具有以下優勢：（1）反應速率快。H2作為還原氣，具有傳質速率快、抗粘結性良好、速率常數大和還原產物綠色的優勢。在高溫條件下，H2的還原能力高于CO還原能力，且反應平衡濃度低于CO，在相同溫度下，還原氣氛中H2含量越高，還原反應速率越大。（2）產品清潔。從熱力學看，除鐵之外其他元素很難被氫還原，為純凈鋼生產奠定基礎。且氫還原不使用固體還原劑，帶入的P、S等少，煉鋼過程雜質少。（3）環境負荷小。氫冶金的產物為水，不僅可減少甚至避免CO2對大氣污染，且還原產物易于脫除，能源和水資源可循環利用。

根據我國的“氫冶金”發展趨勢以及富裕的焦爐煤氣量綜合測算，我國近期可實現“氫冶金+電爐流程”的產量10000萬噸/年，每年可降低CO2排放量11200萬噸。

四、中晉冶金科技有限公司“氫冶金”工藝技術簡介

中晉冶金科技有限公司位于革命老區—左權縣龍泉產業創新科創園;項目采用優質的鐵精粉（左權-黎城鐵精礦）和焦爐煤氣（配套建設100萬噸焦化）生產30萬噸優質高純還原鐵項目，項目占地234畝，項目投資約7.5億元;項目產品—高純直接還原鐵是優質鋼、特種鋼以及高純粉末冶金的原料。

中晉冶金“氫冶金” 技術是通過消化、吸收國外氫基直接還原鐵技術后進行自我創新;并根據我國國情聯合研發的焦爐煤氣干重整技術耦合（冶金+化工）而成;形成了完全具有自主知識產權的技術（命名為“CSDRI” 技術）。

作為全球首套焦爐煤氣干重整項目既是鋼鐵行業實現低碳清潔冶煉的重要技術路徑，也是山西省焦化行業焦爐煤氣利用和鋼焦高度融合的重要產業轉型項目。

中晉冶金“氫冶金”工藝創新點：

1）100%采用焦化企業生產的焦爐煤氣;無需天然氣等優質氣源。

2）采用“CO2干重整”技術生產還原氣（CO+H2）;有效氣體成分（H2+CO≥90%），H2/CO=1.2-2.0，可有效的調節豎爐所需工藝氣中的H2/CO比;相對于傳統重整工藝， CO2減排70%;

3）焦爐煤氣重整爐（全國首臺套）采用自主技術的重整工藝和新型催化劑可有效控制重整反應中積碳發生，保證了重整轉化的作業率。

4）本項目100%采用國內自產鐵精粉和項目自產球團，打破了對國外鐵礦資源的依賴。

5）豎爐密封采用重整爐的煙氣，既能增加爐頂循環氣中的CO2比例，也能節約氮氣，降低生產成本。

6）焦爐煤氣凈化、重整和氫氣豎爐設備100%實現國產化。

7）試生產數據表明，利用干重整技術，30萬噸直接還原鐵每年減少約30萬噸CO2排放。

8） “CSDRI”氫冶金技術已獲得授權專利25項，受理中專利10項。

五、我國鋼鐵行業低碳發展的方向

鋼鐵工業（特別是鐵前工序）低碳發展是應對全球氣候變化的客觀需要，也是我國實現高質量發展的內在要求。低碳轉型已經成為鋼鐵工業高質量發展的重要抓手，制定務實的低碳發展戰略規劃，同時把握綠色低碳經濟發展下的新機遇，通過低碳轉型，為鋼鐵企業贏得更廣闊的發展空間已成為當前最重要的任務。

我國鋼鐵行業將以“長、短流程”協調發展，并逐漸由“傳統長流程煉鋼模式”向“氫基直接還原鐵+電爐煉鋼等短流程煉鋼模式”轉型;促進我國鋼鐵行業低碳、綠色發展，發展模式如下圖所示。

六、小結

綜上所述，未來我國“氫冶金”發展的方向：

1）鋼鐵行業將以“長、短流程”協調發展，并逐漸由“傳統長流程煉鋼模式”向“氫基直接還原鐵+電爐煉鋼等短流程煉鋼模式”轉型;促進我國鋼鐵行業低碳、綠色發展;

2）未來隨著我國氫能產業的發展，低成本制取“綠氫”、儲氫和加氫等關鍵技術有所突破，氫能將逐漸在我國能源生產中有其一席之地，氫的新能源大規模使用以及成本的快速下降，將會是我國大規模發展氫冶金工藝的最佳時期。

3）直接還原工藝將以氫基豎爐冶金工藝為主，工藝技術、核心裝備將會全面國產化，并形成我國100%氫基豎知識產權;

4）直接還原鐵（HBI/HDRI）成本進一步降低;低端產品代替廢鋼、中端產品生產高端鋼、高端產品生產粉末冶金、3D鐵基打印材料。

參考文獻：

[1]《電爐鋼原料問題的再思考》翁宇慶;沙鋼集團直接還原鐵生產研討會。

[2]《鋼鐵工業節能與CO2排放的現狀及對策分析[J]》沙高原，劉穎昊，殷瑞鈺，張春霞;冶金能源，2008（1）：3-5。