鋼鐵行業氫冶金技術的發展初探

李少飛 顧華志 黃 奧

武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室 湖北武漢 430081

鋼鐵行業約占全球終端能源需求的8%，約占全球能源系統二氧化碳排放（包含工藝排放）份額的7%［1］。2020年，世界粗鋼產量達18.64億t，其中中國10.53億t，占比56.49%［2-3］。世界短流程煉鋼粗鋼產量約占全部粗鋼產量的30%，而中國占比不足10%［4］。高爐煉鐵是鋼鐵冶金流程中能源消耗和溫室氣體排放量最大的環節，因此，尋找環境友好且經濟性俱佳的鐵礦石還原方式成為理想工藝的探索熱點。氫冶金是氫部分或完全取代碳作為還原劑，實現鐵礦石脫氧過程的技術。作為氫冶金關鍵流程之一的直接還原煉鐵［5］是用氣體或固體還原劑在低于鐵礦石軟化溫度下，在反應裝置內將鐵礦石還原成金屬鐵的方法。與高爐煉鐵的主要差異在于其最高工藝溫度在1 000℃左右，遠低于高爐煉鐵最高溫度。世界直接還原鐵（DRI）年產量［3］2018年突破1億t，2019年達到1.11億t，中國DRI較少。因此，氫冶金技術對中國鋼鐵行業降低能源消耗和溫室氣體排放具有巨大潛能。

推廣氫冶金技術有兩個問題需要解決，一個是采用哪一種氫冶金技術更具經濟性和可操作性；另外一個是大規模低成本氫氣氣源問題。本文中，簡要介紹直接還原鐵工藝，探討氫冶金氣源等問題，并結合鋼鐵行業氫冶金的國內外項目，對中國鋼鐵行業推廣氫冶金技術提出展望。

1 直接還原鐵工藝

直接還原鐵（DRI）工藝根據還原劑的物理狀態可分為兩類：一類是以CO和H2復合氣體作為還原劑的氣基豎爐直接還原工藝；一類是以煤作為還原劑的煤基回轉窯直接還原工藝。典型的DRI工藝實例有MIDREX、HYL/ENERGIRON、回轉窯工藝、PERED、CIRCORED、FINMET和ITMK3等。氣基豎爐直接還原是在1 000℃左右，通過CO和H2復合還原氣體對鐵礦石進行還原，得到含鐵料的過程。隨著其技術的發展和進步，氣基豎爐直接還原工藝已成為DRI的主流工藝，同時還原氣體中H2比例及其單套設備的實際產量都有逐步增大的趨勢。煤基回轉窯直接還原工藝由于其能源轉換效率低、產品質量不穩定、溫室氣體排放量大等因素，使得該工藝僅在印度有所推廣。

從2000年開始，世界鋼鐵行業經歷了兩次的衰退，但DRI產量未受影響，一直保持持續增長的勢頭［3，6］。2018年世界DRI年產量達100.5 Mt·a-1，2019年增加到了111.1 Mt· a-1。其中，采用MIDREX工藝生產DRI的產量占比60.5%，HYL/ENERGIRON產量占比13.2%，回轉窯工藝產量占比24.0%，PERED的占比2.1%，其他工藝產量占比僅有0.2%。氣基豎爐直接還原鐵產量達到81.94 Mt·a-1，其中，MIDREX工藝貢獻了79.8%，HYL/ENERGIRON貢獻了余下的20.2%。因此，主要介紹MIDREX工藝，簡要介紹HYL/ENERGIRON工藝。

MIDREX工藝源于19世紀60年代，其工藝核心理念是將天然氣重整與還原豎爐配套，使得重整制得的CO和H2混合還原氣體與鐵礦石達到動態的化學平衡［7］。MIDREX工藝分為天然氣重整、還原氣預熱和鐵礦石還原三個模塊。天然氣重整反應為：CH4+CO22CO+2H2。根據不同的還原氣來源，MIDREX工藝可以分為兩類，一類是天然氣基的MIDREX NGTM［8］；另一類是基于煤基合成氣，比如煤氣化氣體、焦爐煤氣、COREX尾氣等的MXCOL。為使該工藝相對簡單和操作性強，該工藝最初主要定位于使用天然氣和球團礦。豎爐內發生的主要還原反應為：Fe2O3+3H22Fe+3H2O和Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。在豎爐內部礦石移動床自上而下流動，還原氣自下而上逆流與礦石反應，從而可以保持一個高效率的礦石處理方式。一方面，物料移動床使得每一個礦石球團都可以經歷同樣的溫度曲線、還原氣成分以及停留時間。另一方面，逆流反應提供了最大的反應驅動力和較短的反應時間。這種礦石運動方式和高爐內部情況相似，但其650～980℃的操作溫度大幅低于高爐操作溫度。

為了保證還原反應高效進行，需要DRI工藝還原氣成分中H2和CO的含量盡可能高。在MIDREX發展過程中，進行了大量的技術革新與工藝改進，主要表現在設計產能、實際產量、能耗、鐵礦石適應性、還原氣H2和CO 的體積比以及產品種類等方面。MIDREX單套設計產能從0.15 Mt·a-1增加至2.5 Mt·a-1，實際產量一般能達到其設計產能的120%～130%。天然氣消耗方面，能耗從高于12.6 GJ·t-1降低至9.6 GJ·t-1。礦石適應性方面，從100%的入爐球團到塊礦比例接近70%。還原氣成分方面，H2和CO的體積比在0.5～3.5均可適應。產品種類方面，其排出形式可以是冷態直接還原鐵（CDRI）、熱態直接還原鐵（HDRI）和熱壓塊鐵（HBI）的任意一種或隨機組合。

HYL/ENERGIRON直接還原工藝和MIDREX直接還原工藝流程基本一致，唯一差異在于天然氣重整模塊。傳統HYL工藝采用水蒸氣重整天然氣，而MIDREX工藝則是利用還原豎爐尾氣中的CO2對天然氣進行重整。隨著技術的發展和進步，基于HYL工藝的ENERGIRON ZR［9］（零重整）工藝，通過利用直接還原豎爐中大量存在的鐵作為天然氣重整催化劑，實現了傳統天然氣重整爐的去除，使得直接還原工藝更加簡潔和高效。

與高爐煉鐵工藝相比，直接還原鐵工藝可以大幅降低鐵礦石還原過程的能耗和排放。其中作為氫冶金關鍵流程之一的直接還原鐵工藝在天然氣資源豐富的中東、印度、俄羅斯、墨西哥等國家和地區得到了較快發展。2019年世界DRI生產國排名前五位的是印度（33.74 Mt）、伊朗（28.52 Mt）、俄羅斯（8.03 Mt）、墨西哥（5.97 Mt）、沙特阿拉伯（5.79 Mt）。煤基回轉窯工藝產量主要來自于印度，其產量占到印度直接還原鐵產量的79%［10］。

2 氫源

目前，直接還原鐵工藝中的H2仍來源于化石能源［11］。其中，天然氣是最主要的原材料，源于天然氣的氫氣產量占比＞75%。天然氣重整工藝是常用的方法之一，然而，天然氣重整過程受制于能源轉化效率，其工藝過程中的溫室氣體排放量也較高。因此，該工藝還遠不能達到可持續性，仍需配置額外碳捕捉（CCUS）裝置對其進行額外的減排處理。

鋼鐵行業氫冶金必然要有大規模、低成本環境友好型的氫氣來支撐。世界鋼鐵聯合會和國際能源署于2020年10月聯合發布了鋼鐵行業技術路線圖，認為采用100%純氫直接還原工藝是鋼鐵行業氫冶金的一個重要發展方向［1］。氫氣具有能量密度高、產物只有水的特點，被認為是未來最佳的二次能源載體。雖然氫氣可以來源于幾乎所有的能源資源，然而制氫工藝的環保效能及能源轉換效率也需要考慮到。根據H2來源的不同可以將制氫工藝路線分為兩類：一類是來源于高碳能源（化石能源）部分氧化過程的制氫工藝，主要有煤制合成氣提純制取H2、石油催化裂解提純制取H2和天然氣重整等；另一類是源于水電解制取H2。

從整個制氫用氫工藝鏈條的角度來說，來源于化石能源的氫氣，由于其生產過程中仍伴隨著大量的CO2排放，仍然需要配置CCUS等裝置對其進行進一步的后續處理。而來源于水電解的氫氣，根據所用電能不同，有較大的環保效應差異：若電能來源于化石能源燃燒，考慮到發電過程排放、輸電用電過程能量轉化效能及損耗效能，不能稱為環境友好；若電能來源于水電勢能、風能、核能、太陽能、潮汐能和地熱能，則環保效應增強。在目前的能源結構條件下，基于可再生能源電能生產低碳綠氫，還不足以支撐鋼鐵行業氫冶金的發展。低碳氫氣的產能仍然相對恒定，與可持續發展場景有所偏離。因此，基于可再生能源的綠色氫氣的規模化、低成本化制取成了研究和探索的熱點［12-15］。

3 鋼鐵行業氫冶金國內外相關項目

各鋼鐵公司為實現節能減排，對于推進氫冶金技術提出了各自的應對方案。典型方案有：瑞典鋼鐵公司的HYBRIT倡議，德國的薩爾茨吉特（Salzgitter）低二氧化碳煉鋼項目（SALCOS），安塞樂米塔爾集團的純氫煉鐵項目，韓國的POSCO核能制氫及DRI項目，奧鋼聯的H2FUTURE項目，我國河北鋼鐵集團的直接還原鐵項目、中晉太行礦業有限公司的焦爐煤氣富氫豎爐直接還原鐵項目等。

HYBRIT倡議由瑞典鋼鐵公司聯合瑞典國有鐵礦石公司和瑞典大瀑布電力公司在2016年提出。初期采用氣基豎爐直接還原鐵加電爐模式，并采用電解水制氫［16］。目標是到2035年擁有一個完全沒有化石燃料的鋼鐵生產流程。其前期的可行性研究結果表明，在今天的電價、煤炭和二氧化碳排放量的情況下，非化石燃料鋼鐵價格將會高出20%～30%。然而，隨著非化石能源電價的降低以及歐洲碳排放交易系統二氧化碳排放成本的增高，將來非化石燃料鋼鐵可以在市場上和傳統鋼鐵產品相競爭。

SALCOS項目［17］的第一階段是對原有的高爐-轉爐工藝進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型煉鋼工藝逐步轉變為直接還原煉鐵-電弧爐工藝路線，爭取逐步將CO2排放量降低85%。第二階段，Salzgitter將基于化石能源的灰氫替換成基于可再生能源的綠氫。第三階段，氫氣既可用于直接還原鐵生產，也可用于鋼鐵生產的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。

安塞樂米塔爾集團在其位于德國的漢堡廠進行氫直接還原鐵礦石的項目研究［18］。前期將DRI整合進其鋼鐵流程。后期陸續采用基于可再生能源的綠氫替代化石能源的灰氫，計劃建成采用純氫氣做還原劑的年產10萬t的鋼鐵廠。

POSCO［19］推進核能制氫研究和DRI技術。2015年5月，POSCO開展系統集成模塊化先進反應堆和超高溫核反應堆技術。并計劃在2025年建成一個DRI試驗爐。

H2FUTURE［20］是一個致力于通過可再生能源原料來生產綠色氫氣的項目。奧鋼聯和奧地利K1-MET中心組將通過整合天然氣基DRI與傳統長流程煉鋼來降低鋼鐵工業碳排放。隨后，計劃整合純氫DRI與電爐煉鋼。

河北鋼鐵集團［21］在2020年11月與意大利特諾恩集團（TENOVA）正式簽約建設全球首例120萬t規模的氫冶金示范工程。該項目將從分布式綠色能源、低成本制氫、焦爐煤氣凈化、氣體自重整、氫冶金、成品熱送、二氧化碳脫出等全流程進行創新研發。

中晉太行的氣基豎爐還原鐵項目［22］是將焦爐煤氣干法重整制備還原氣工藝與德國MME公司PERED豎爐工藝進行有機結合，具有高效、節能、減排的特點。

為了推進氫冶金技術，國內成立了寶武核能冶金聯盟、酒鋼氫冶金研究院、東北大學氫能研究中心、上海大學富氫低碳冶煉模擬科學中心等機構。

4 總結與展望

鋼鐵行業節能減排，尤其是中國鋼鐵行業節能減排對于減少溫室氣體排放應對全球氣候變化至關重要。推廣氫冶金技術是鋼鐵行業節能減排的有效途徑。

氫冶金技術主要包括引入DRI、高爐注氫、可再生能源替代化石能源、綠色氫源等。對于體量巨大的中國鋼鐵行業來說，采用哪一種氫冶金方式最具環保效益和經濟可行性？在大規模低成本環境友好型氫氣可以得到之前，利用焦爐煤氣和其他含氫工業氣體作為還原劑是合適的。

純氫直接還原鐵工藝是鋼鐵行業氫冶金的一個重要發展方向。目前受制于可再生能源制取綠色氫氣技術的發展。

此外，目前對于氫氣氣氛下耐火材料服役行為的相關研究甚少，亟待推進面向氫冶金工藝的耐火材料應用基礎研究。