我國發展氫冶金對資源環境影響的綜合分析

員 曉 彭 鋒

在全球溫室氣體排放持續上升形勢下，各行業都在尋求“脫碳”發展新思路。鋼鐵工業能源消耗總量和碳排放量大，在現有長流程鋼鐵冶煉工藝基礎上進行碳減排，持續降低碳排放量難度巨大。因此，世界各國正積極研發各類“低碳”冶煉工藝，其中氫冶金成為行業研究熱點方向。

氫能作為一種清潔的二次能源，具有無污染、零碳排的特點，氫冶金是利用氫能替代部分或全部的煤焦作為還原劑，將鐵礦石還原為金屬鐵的氣基直接還原技術，可從源頭上實現低碳煉鐵，成為鋼鐵行業綠色發展的新方向。該技術取消了高排放的焦炭、燒結工序，能夠實現低碳甚至零碳排放，同時可降低硫化物、氮氧化物和顆粒物的排放，減少冶煉過程固體廢棄物的產生，達到清潔生產目標。

鋼鐵工業發展氫冶金技術，必須以成熟穩定、規模化、低成本的制氫技術為基礎，且制氫過程應降低碳排放量。目前已應用的制氫工藝包括天然氣制氫、煤制氫、電解水制氫和工業副產氣制氫，氫氣產品主要用于合成氨、合成甲醇、石油煉化行業，氫氣用于鋼鐵工業正處于研發起步階段。

一、我國氫能資源現狀及制氫分析

(一)我國氫能資源生產現狀分析

據初步統計，2019年我國氫氣產量已超過2000萬噸，全球氫氣產量在6200萬噸左右，占到全球產量的將近三分一，已成為世界第一產氫大國，為開發利用新能源、加快步入氫能經濟時代創造了有利條件。各制氫技術氫氣產量占比見圖1。從結構上分析，我國70%以上氫氣制取依靠煤炭、天然氣、石油等化石能源，其中制氫過程造成碳排放量大；工業副產氣制氫比例為25%，主要包括焦化和氯堿生產過程的副產氣制氫；由于電解水制氫和新型制氫技術成熟度低以及成本較高的原因，電解水制氫比例只占到1%左右 。

圖1 各制氫技術氫氣產量占比

我國擁有豐富廉價的煤炭資源，有力支撐了煤制氫技術的發展，但同時制氫過程產生大量的CO2，以煤制氫-氫冶金的工藝流程只是將冶金過程的碳排放遷移至制氫過程，只有將制氫過程CO2進行碳捕集和封存（CCS），才能實現減排目標。

2019年我國天然氣表觀消費量為3100億立方米，而國內產量為1736億立方米，年進口量超過1342億立方米，對外依存度達到43%。現階段我國天然氣資源短缺的現狀仍未改變，限制了我國發展氣基豎爐直接還原煉鐵技術，難以保障我國鋼鐵行業發展氫冶金對天然氣資源的需求。同時天然氣價格高，導致制氫成本較高，鋼鐵產品成本競爭力低。

近幾年我國焦炭年產量達到4.5億噸，按通常生產1噸焦炭產生430立方米焦爐煤氣，我國焦爐煤氣年產量達1900億立方米，若全部焦爐煤氣采用蒸汽重整工藝，預計年產氫氣規模可達到2000萬噸以上。目前，我國焦爐煤氣主要用于企業生產用燃料、合成氨、制甲醇等方向。利用副產焦爐煤氣制氫，發展氫冶金技術成為鋼鐵企業重要路徑。

(二)工業制氫技術經濟性分析

我國工業領域制氫工藝主要有天然氣制氫、煤制氫、電解水制氫和工業副產氣制氫四種工藝，由于原燃料、能源消耗、價格及生產工藝不同，導致生產成本差異較大。見表1。

根據我國煤炭資源豐富、天然氣資源緊缺、電力成本高的特點，煤制氫在規模化和成本上具有較大優勢，但同時在生產過程碳排放較大和高污水排放，因此，以煤制氫得到的氫能源為“黑氫”，在環保上無優勢。天然氣制氫成本主要受原料價格波動影響，由于我國天然氣資源緊缺，價格高達3元/立方米-4元/立方米，在制氫規模和制氫成本上均不具備優勢。

工業副產氫具有產量大、經濟性好、分布廣特性，生產主要集中在焦化、氯堿等行業，最常用的是變壓吸附技術(PSA)進行提純，產品氫一般按GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分 工業氫》國家標準要求純度執行，若生產的氫用于冶金，可進一步放寬純度和CO、CO2、CH4、H2O等雜質含量要求，以降低制氫成本。見表2。

利用可再生能源電解制氫是清潔化、無污染的制氫路線，但我國65%以上電力為燃煤生產的，按每生產1立方米常溫常壓氫氣需要消耗電能大約5千瓦·時-5.5千瓦·時，大工業平均電價 0.6元/（千瓦·時）計算，則制氫成本約為3.4元/立方米，成本遠高于其他制氫方式。電解制氫受限于裝備生產能力，迄今單臺生產能力小于1200立方米/小時，無法適應規模化冶金生產。

二、發展氫冶金對資源環境影響分析

(一)能耗及碳排放對比分析

對比BF-BOF長流程、NG-DR-EAF、全氫冶金HYBRIT三種工藝能耗數據，對比分析均以配比25%廢鋼進行轉爐或電爐冶煉為基準。其中BF-BOF為高爐-轉爐生產工藝，NG-DR-EAF為以天然氣為還原氣的直接還原豎爐聯合電弧爐生產工藝，消耗電能為化石能源發電，全氫冶金HYBRIT工藝是以可再生能源電解制氫，采用直接還原豎爐聯合電弧爐生產工藝。見圖2。

圖2 三種工藝流程能耗對比 千克標煤/噸粗鋼

表1 不同制氫路線制氫成本和規模分析 元/m3

表2 工業氫與ENERGIRON工藝氣體成分對比（體積分數） %

對比BF-BOF長流程、NG-DR-EAF、全氫冶金HYBRIT三種工藝CO2排放數據，三種生產流程中，以天然氣為還原氣的直接還原豎爐聯合電弧爐生產工藝能耗最高為523千克標煤/噸粗鋼，主要是電弧爐冶煉消耗大量電能，其比例占到總能耗的37.2%，該部分電能為化石燃料發電，導致整體工藝能耗較高。若電弧爐冶煉進一步提高廢鋼比至70%，而直接還原鐵占比降至30%，工藝能耗可降低至326千克標煤/噸粗鋼。HYBRIT工藝能耗為490千克標煤/噸粗鋼（以可再生能源發電效率80%計算當量值），該工藝采用電解水制氫，制氫過程電耗較高，占到總電耗的64%。三種工藝中，應用最廣泛的高爐-轉爐長流程噸粗鋼CO2排放量最高，總計達到1876千克，其中約1700千克碳排放是工序直接產生的。全氫冶金HYBRIT工藝噸粗鋼CO2排放量最低為25千克，分別為煅燒石灰石和電弧爐冶煉的碳排放量。見圖3。

圖3 三種工藝流程CO2排放對比 千克/噸粗鋼

(二)大氣污染物排放對比分析

2019年4月，國家生態環境部五部委聯合發布《關于推進實施鋼鐵鋼業超低排放的意見》，以推進鋼鐵企業的超低排放工作，促進鋼鐵工業綠色發展。我國鋼鐵企業多采用長流程生產工藝，涉及焦炭生產、鐵礦石燒結、高爐冶煉等工藝，生產流程長、工藝復雜，尤其焦化和燒結工序，污染物排放量大，其中對環境影響較大的污染物包括顆粒物、SO2、NOx。

1.燒結球團工序對比

在顆粒物、SO2和NOx污染物排放方面，由于球團工序噸產品顆粒物排放為燒結工序的20%，SO2排放為燒結工序的35%，NOx排放為燒結工序的50%，在兩種生產工藝中，豎爐直接還原工藝噸鐵球團礦消耗量為1.45噸，而高爐長流程工藝以爐料結構75%燒結礦、15%球團、10%塊礦計算，噸鐵消耗燒結礦為1.2噸、球團0.24噸、塊礦0.16噸。綜合計算，在原料獲取上，基于高品位球團礦為原料的豎爐直接還原工藝顆粒物、SO2和NOx排放上是高爐長流程的23%、40%和55%。因此采用氫冶金的豎爐直接還原工藝更具有環保優勢，可以有效緩解國內鋼鐵行業高污染物排放現狀。

2.高爐、豎爐工序對比

高爐冶煉工藝以焦炭和煤粉為燃料，隨著我國優質低硫煤資源減少，鋼鐵企業使用煤焦含硫量不斷升高，高爐煤氣中硫含量相應增加，導致后端用戶燒結、軋鋼、高爐熱風爐、發電等工序排放壓力大。2019年全國重點鋼鐵企業入爐焦比394.7千克/噸，噴煤比140.3千克/噸，以一級冶金焦炭硫含量0.7%、噴吹煤硫含量0.6%計算，噸鐵水燃料帶入硫總量為3.6千克，其中進入煤氣中硫為0.18千克，折合SO2為0.36千克。采用氫冶金的豎爐直接還原工藝以精脫硫的天然氣、富氫氣體或工業純氫為原料氣，其總硫含量小于0.1×10-4%，遠遠低于高爐冶煉硫排放。

高爐工序NOx排放主要源于熱風爐加熱過程，豎爐直接還原工序NOx排放來自天然氣轉化爐或氫氣加熱爐。參考《工業污染源產排污系數手冊》，高爐冶煉工序噸鐵NOx排放量為0.19千克，豎爐直接還原工序噸鐵NOx排放量為0.15千克，豎爐工序比高爐工序的減少排放21%。

（三）固廢排放量對比分析

高爐—轉爐流程以綜合品位為56%-59%的礦石為原料，以焦炭和煤粉為燃料，冶煉過程中礦石雜質及焦炭、煤粉灰分進入爐渣中，為合理造渣脫硫加入石灰石、白云石等熔劑，導致高爐渣量大。2018年重點鋼鐵企業噸鐵渣量平均水平為340 千克，轉爐工序噸鋼鋼渣量平均水平為123千克。

采用全氫或富氫氣體為還原劑的豎爐直接還原技術，以高品位鐵精礦（TFe＞67%）為原料，不僅可從源頭上減少礦石雜質帶入量，而且可避免燃料帶入的硫、磷、灰分導致的冶煉過程大量爐渣排放。對比分析了高爐—轉爐流程與氣基豎爐—電爐流程噸鋼冶煉渣產生量，可見采用全氫或富氫氣體的豎爐—電爐流程，噸鋼冶煉渣產生量為120千克-130千克，只占到高爐—轉爐流程的噸粗鋼冶煉渣量的29%-32%，固廢減排優勢顯著。見表3。

傳統高爐—轉爐流程中高爐干法灰、燒結電廠灰因含較高K、Na、Zn等有害元素，限制其作為配料返回燒結，部分企業通過磁選、濕法浸出、回轉窯、轉底爐等工藝技術來實現資源利用，不僅增加裝備投資，而且增加相應工藝處理能耗、水耗和酸堿消耗。基于氫冶金的豎爐直接還原技術采用濕法除塵，豎爐本身爐頂氣中粉塵不含K、Na、Zn等有害元素，經水洗后的含鐵污泥可直接回用至球團生產工序，屬于清潔生產冶煉技術。

表3 高爐—轉爐流程與氫基豎爐—電爐流程噸粗鋼冶煉渣量對比 kg

三、對我國發展氫冶金技術的幾點建議

1. 全氫冶金技術發展路線，提倡以目前成熟工業化應用的氣基豎爐直接還原技術為突破方向，開展全氫冶煉工藝研究實踐，探索全氫冶煉條件下的還原反應熱力學和動力學。在現有電解水制氫及核能制氫技術不成熟情況下，短期內應以焦化、化工等副產氣制氫為路徑，推進化工與冶金的耦合生產，提升工業副產氫在冶金領域應用比例，解決我國發展氫冶金技術面臨氫資源匱乏、成本高等困境。遠期氫冶金發展仍以可再生能源發電-電解水高效制氫為重點，實現氫能生產的綠色低碳化。

2. 國內已有多家鋼鐵企業開發應用高爐噴吹焦爐煤氣工藝，并取得了一定減排效果。但高爐噴吹富氫氣體，H2只是在高爐上部參與間接還原，在高爐中還原利用率最大為25%，其余75%氫氣進入高爐煤氣，煤氣中氫能高效利用與回收成為未來應用的研究重點。

3. 針對我國鋼鐵行業發展氫冶金的趨勢，國家應盡早出臺適用于鋼鐵行業的氫能產業和氫冶金規劃，制定氫冶金發展戰略、技術路線及產業鼓勵政策，地方政府根據區域資源優勢，開展氫冶金產業區域規劃、園區規劃，在條件具備的地區積極推進氫冶金的產業化。制氫技術裝備企業應加強與冶金裝備企業合作，依托工業副產氣制氫和電解水制氫工藝，開展適用于鋼鐵行業的大規模、低成本制氫技術裝備研發，實現穩定量產。冶金裝備企業聯合國外氫冶金工藝裝備企業形成合作，依托科研院所技術研發基礎，發揮資源整合優勢，引進消化吸收氫冶煉技術裝備，完成成套裝備開發工作。鋼鐵企業結合自身及外部氫資源環境，在焦爐煤氣和工業副產氫充足的地區，與化工企業合作推進氫冶金項目規劃落地。同時，組織專業技術人員認真學習國內外氫冶金經驗，積極開展相關研究工作。鋼鐵企業應依托行業權威咨詢機構，加快制定企業氫冶金戰略規劃，在投資項目實施前，開展相關技術調研、政策市場分析、能源評估等工作，規避投資風險。

參考文獻(略)