“雙碳”背景下氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展

劉佳玲　宋德峰　邊立國

摘要：在“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略背景下，中國鋼鐵工業(yè)面臨極大的減排壓力，而以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程占據(jù)主導(dǎo)地位的中國鋼鐵生產(chǎn)中，高爐低碳冶煉成為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)降碳的重要路徑。而以氫代碳的氫冶金成為鋼鐵企業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和工藝流程、實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一，各國鋼鐵行業(yè)正在積極探索從碳冶金向氫冶金轉(zhuǎn)變。本文對國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)的氫冶金工藝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、主要工藝及研究項(xiàng)目進(jìn)展進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：低碳；氫冶金；項(xiàng)目進(jìn)展

0 前言

鋼鐵工業(yè)作為電力、煤炭消費(fèi)大戶，CO2排放量巨大，中國鋼鐵工業(yè)占全國CO2總排放量的15%左右，占世界鋼鐵工業(yè)總排放量的51%，主要原因是中國鋼鐵生產(chǎn)中高爐-轉(zhuǎn)爐長流程占據(jù)主導(dǎo)地位，在整個(gè)長流程中，煉鐵系統(tǒng)（包括焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐煉鐵工序）的碳排放量占鋼鐵長流程碳排放總量的82.79%，因此，高爐低碳冶煉成為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)降碳的重要路徑。而以氫代碳的氫冶金成為鋼鐵企業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和工藝流程、實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一，氫冶金日益成為國內(nèi)外鋼鐵領(lǐng)域研發(fā)的熱點(diǎn)。

1 中國鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展概況

中國鋼鐵工業(yè)是基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)量基數(shù)大，能源消費(fèi)密集，是我國制造業(yè)中的碳排放大戶，走低碳發(fā)展之路，不僅關(guān)系到中國鋼鐵工業(yè)的生存發(fā)展，更是體現(xiàn)中國踐行“雙碳”的承諾。中國鋼鐵工業(yè)必須抓住綠色低碳發(fā)展的契機(jī)，加速推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展。

“十四五”期間，鋼鐵工業(yè)從碳排放強(qiáng)度的“相對約束”到碳排放總量的“絕對約束”，同時(shí)還可能面臨更多來自“碳經(jīng)濟(jì)”的國際挑戰(zhàn)，加快低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)約束下，一方面將加速推動鋼鐵工業(yè)改善生產(chǎn)流程、更新生產(chǎn)設(shè)備和使用低碳能源，迅速實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型；另一方面可促使鋼鐵企業(yè)主動創(chuàng)新，摒棄高碳排放產(chǎn)品和業(yè)務(wù)，研發(fā)深度脫碳、零碳技術(shù)。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，中國鋼鐵業(yè)要加強(qiáng)科技創(chuàng)新，推動電弧爐短流程煉鋼、氫冶金、綠電煉鋼、先進(jìn)低碳技術(shù)研發(fā)等工作的開展，讓低碳轉(zhuǎn)型真正成為鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、提高競爭力的重要引擎。

2 氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀及主要研究項(xiàng)目

目前，我國鋼鐵行業(yè)90%以上為傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐長流程工藝，在整個(gè)長流程中，煉鐵系統(tǒng)（包括焦化、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐煉鐵工序）的碳排放量占鋼鐵長流程碳排放總量的82.79%，其中高爐煉鐵占67.02%，燒結(jié)占8.54%，焦化占6.13%［1］。因此，高爐低碳冶煉成為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)降碳的重要路徑。而以氫代碳的氫冶金成為鋼鐵企業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和工藝流程、實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。氫冶金逐漸成為國內(nèi)外研發(fā)的熱點(diǎn)。

國外較早部署綠色低碳冶煉研究規(guī)劃項(xiàng)目（如表1所示）。歐盟設(shè)立的ULCOS（超低CO2煉鋼）項(xiàng)目是使歐盟噸鋼CO2排放量降低至少50%，包括高爐爐頂煤氣循環(huán)（TGRBF）、先進(jìn)直接還原工藝（ULCORED）、新興熔融還原工藝（Hisarna）和電解鐵礦石工藝4個(gè)技術(shù)路線。日本COURSE50項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是以氫代碳還原煉鐵法、CO2分離和回收［2］。瑞典的“Carbon-Dioxide-Free Steel Industry”計(jì)劃開始非化石能源鋼鐵項(xiàng)目HYBRIT，用H2替代高爐用煤粉和焦炭。此外，韓國POSCO鋼鐵和德國蒂森克虜伯等國外鋼鐵公司也已實(shí)施低碳冶煉項(xiàng)目［3］及“以氫代煤”煉鐵［4］。近幾年，中國各大鋼企及院校開始陸續(xù)布局氫冶金技術(shù)項(xiàng)目（如表2所示）。

3 氫冶金的主要工藝

氫冶金是以氫氣代替碳還原鐵礦石，將從源頭徹底降低污染物與二氧化碳的排放量。目前，氫冶金工藝主要包括高爐富氫還原工藝、氫基直接還原工藝、氫基熔融還原工藝、氫基等離子直接煉鋼工藝等。從技術(shù)角度而言，富氫還原高爐技術(shù)相對成熟，部分已開始工業(yè)化應(yīng)用，碳減排能力在10%-20%；氫基直接還原工藝的碳減排能力可達(dá)50%-98%，如MIDREX、HYLIII及ENERGIRON工藝，是當(dāng)前的重點(diǎn)研發(fā)方向；氫冶金熔融還原多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，目前工業(yè)化尚未成熟［5-6］。

3.1 高爐富氫還原工藝

高爐中富氫還原技術(shù)是將含氫介質(zhì)注入高爐中，從而減少煤/焦炭的使用和二氧化碳的排放；同時(shí)就熱力學(xué)和動力學(xué)而言，氫作為氧化鐵的還原劑，比一氧化碳具有更多優(yōu)勢。因此，通過將高氫含量的介質(zhì)注入高爐，來實(shí)現(xiàn)富氫還原已成為研究的熱點(diǎn)。

3.2 氫基直接還原工藝

直接還原技術(shù)的發(fā)展同樣引人注目。直接還原工藝的產(chǎn)物是直接還原鐵（DRI），也稱海綿鐵。還原反應(yīng)是通過與反應(yīng)氣體CO和H2進(jìn)行一系列氣固相反應(yīng)而發(fā)生的。工藝的反應(yīng)器通常是立式豎爐，其還原氣體（CO、H2混合物）通過天然氣重整獲得。國內(nèi)外很多項(xiàng)目優(yōu)先考慮在豎爐中用氫進(jìn)行還原。

3.3 氫基熔融還原工藝

目前，僅有部分企業(yè)開展了氫氣熔融還原鐵氧化物的工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，在控制好氫氣壓力和流量的前提下，氫氣熔融還原鐵氧化物的工業(yè)化是安全可行的，但仍需解決熱量不足的問題。正式投產(chǎn)的企業(yè)只有建龍集團(tuán)的內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司。

3.4 氫基等離子直接煉鋼工藝

氫等離子體熔融還原技術(shù)（HPSR），利用高溫下的氣體等離子體，將氫分子分裂成氫原子和氫離子（H或H+）。這種氫具有比氫分子高得多的還原勢，可以將所有的氧化物還原為金屬，即液態(tài)鋼水。近幾年在蒙大拿里奧本大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里第一次試驗(yàn)成功，且目前正在建設(shè)一個(gè)新的試驗(yàn)工廠，但仍有許多研究工作需要開展。2003年上海大學(xué)上海市鋼鐵冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張玉文等人研究了等離子態(tài)氫還原金屬氧化物，證實(shí)了等離子態(tài)的氫能強(qiáng)化氫還原金屬氧化物的能力。建龍集團(tuán)的CISP工藝發(fā)展到第四階段，將實(shí)現(xiàn)等離子氫熔融還原煉鐵。

目前，主流的氫冶金技術(shù)路線為高爐富氫冶煉與氣基直接還原豎爐兩種技術(shù)路線。國內(nèi)中國寶武、河鋼集團(tuán)、中晉集團(tuán)、建龍集團(tuán)賽思普等較多企業(yè)已經(jīng)制定了氫冶金的發(fā)展路線與目標(biāo)、開展了相關(guān)中試試驗(yàn)，甚至進(jìn)行了工業(yè)化實(shí)踐。

4 氫冶金發(fā)展中的關(guān)鍵問題

綠色經(jīng)濟(jì)化制氫和安全規(guī)模化用氫是發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵。

4.1 氫冶金技術(shù)仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決突破

目前碳冶金技術(shù)工藝成熟，很多的氫冶金工藝仍處于研發(fā)或初試階段，國內(nèi)外氫冶金項(xiàng)目都處于剛剛起步的項(xiàng)目布局和研發(fā)層面，大部分鋼鐵企業(yè)處于簽署合作協(xié)議、規(guī)劃發(fā)展前景的初級階段。目前的氫冶金技術(shù)仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決突破，比如氫氣直接還原鐵氧化物的過程為強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，需要解決還原過程爐內(nèi)熱量平衡問題。

4.2 綠色經(jīng)濟(jì)化制氫

鋼鐵行業(yè)若想大規(guī)模發(fā)展氫冶金工藝，氫的來源將是面臨的首要問題。大規(guī)模經(jīng)濟(jì)化的氫源是基礎(chǔ)。中國“富煤缺油少氣”的能源稟賦，缺少充足經(jīng)濟(jì)規(guī)模的氫源，一直是發(fā)展高爐富氫、氫基豎爐和熔融還原工藝的瓶頸。氫冶金面臨的最大挑戰(zhàn)仍然是低成本制氫的問題，制氫過程的清潔性是實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵，現(xiàn)階段綠氫制備成本高，安全儲存和輸送技術(shù)有待進(jìn)一步完善。目前鋼鐵企業(yè)大多以利用焦?fàn)t煤氣等作為氫源冶煉項(xiàng)目目標(biāo)，相關(guān)研發(fā)方興未艾，制氫工藝呼喚關(guān)鍵技術(shù)突破（如圖1），氫冶金的未來仍需不斷探索。

5 結(jié)論

在“雙碳”背景下，氫能是實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。中國鋼鐵行業(yè)碳排放占全國碳排放總量的15%，是推動碳減排的重要領(lǐng)域。而以氫代碳的氫冶金技術(shù)是鋼鐵產(chǎn)業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和工藝流程、實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。

（1）從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，中國鋼鐵業(yè)要加強(qiáng)科技創(chuàng)新，推動電弧爐短流程煉鋼、氫冶金、綠電煉鋼、先進(jìn)低碳技術(shù)研發(fā)等工作的開展，讓低碳轉(zhuǎn)型真正成為鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、提高競爭力的重要引擎。

（2）高爐低碳冶煉成為實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)降碳的重要路徑。而以氫代碳的氫冶金成為實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。氫冶金逐漸成為國內(nèi)外研發(fā)的熱點(diǎn)。歐盟、日本、瑞典、韓國、德國等國外鋼鐵公司已紛紛實(shí)施低碳冶煉及“以氫代煤”煉鐵項(xiàng)目。此外，近幾年，中國各大鋼企及院校也陸續(xù)布局氫冶金技術(shù)項(xiàng)目。

（3）氫冶金工藝主要包括高爐富氫還原工藝、氫基直接還原工藝、氫基熔融還原工藝、氫基等離子直接煉鋼工藝等。從技術(shù)角度而言，富氫還原高爐技術(shù)相對成熟，部分已開始工業(yè)化應(yīng)用，碳減排能力在10%-20%；氫基直接還原工藝的碳減排能力可達(dá)50%-98%，如MIDREX、HYLIII及ENERGIRON工藝，是當(dāng)前的重點(diǎn)研發(fā)方向；氫冶金熔融還原多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，目前工業(yè)化尚未成熟。

（4）氫冶金技術(shù)仍有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決突破，以及綠色經(jīng)濟(jì)化制氫問題都是發(fā)展氫冶金中存在的關(guān)鍵問題。

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