鋼鐵工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)原材料工業(yè)，屬于能源、水資源、礦石資源消耗大的資源密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳等污染物。工信部資料顯示，2020年中國(guó)全國(guó)生產(chǎn)生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為8.88億噸、10.53億噸和13.25億噸，同比分別增長(zhǎng)4.3%、5.2%和7.7%，粗鋼產(chǎn)量首次超過(guò)10億噸，一直穩(wěn)居全球第一。世界鋼鐵協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球平均每生產(chǎn)1噸鋼會(huì)排放1.8噸CO2，鋼鐵行業(yè)CO2排放量約占全球CO2總排放量的6.7%，而我國(guó)作為鋼鐵大國(guó)，鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放總量約15%。在傳統(tǒng)的工藝流程中，需要在高爐中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作為還原劑，才能生產(chǎn)出1噸生鐵。而以氫代煤的鋼鐵冶金能大大減少污染物的排放。

　　2020年9月我國(guó)首次提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，在此背景下，鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行。為解決鋼鐵行業(yè)高排放的現(xiàn)狀，氫冶金技術(shù)被給予厚望。

　　氫冶金的基本原理

　　碳冶金是鋼鐵工業(yè)代表性的發(fā)展模式，冶煉的基本反應(yīng)式為Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，碳作為還原劑并生成產(chǎn)物二氧化碳。而氫冶金的概念是基于碳冶金的概念提出的，氫冶金的基本反應(yīng)式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，氫氣充當(dāng)了還原劑且產(chǎn)物是水，二氧化碳的排放量為零。

　　

 

　　從氫冶金熱力學(xué)來(lái)看，根據(jù)Fe-O-H體系平衡，臨界溫度(570℃左右)以下，H2還原Fe2O3的順序?yàn)镕e2O3—Fe3O4—Fe;臨界溫度以上，H2還原Fe2O3的順序?yàn)镕e2O3—Fe3O4—FeO—Fe。反應(yīng)過(guò)程氫還原熱力學(xué)包括低溫還原和高溫熔態(tài)還原兩種工藝路線。從氫冶金動(dòng)力學(xué)來(lái)看，氫還原氧化鐵的動(dòng)力學(xué)條件要優(yōu)于CO，氫氣的傳質(zhì)速率明顯高于CO的傳質(zhì)速率;相比于CO的還原動(dòng)力學(xué)條件，富氫煤氣或純氫的還原動(dòng)力學(xué)條件得以改善[1]。

　　氫冶金工藝

　　氫冶金工藝目前主要有富氫還原高爐與氣基直接還原豎爐兩類工藝。富氫還原高爐工藝是對(duì)現(xiàn)有長(zhǎng)流程工藝的改進(jìn)，減排潛力有限;氣基直接還原豎爐是直接還原技術(shù)，不需要煉焦、燒結(jié)、煉鐵等環(huán)節(jié)，減排潛力較大。純氫氣煉鐵的探索同樣一直在積極推進(jìn)。與長(zhǎng)流程工藝相比，該工藝下二氧化碳排放將降低98%。但是現(xiàn)有技術(shù)條件下，還不能大面積推廣應(yīng)用，成本較高是主要原因。

　　國(guó)內(nèi)外氫冶金發(fā)展情況

　　在氫冶金應(yīng)用方面，目前國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)試驗(yàn)階段，而在國(guó)際上，已經(jīng)開始超高溫煤氣爐和智能原子爐等氫冶煉技術(shù)密切相關(guān)技術(shù)的研究，蒂森克虜伯已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在高爐中使用氫氣。

　　國(guó)外示范項(xiàng)目

　　(1)蒂森克虜伯“高爐氫能煉鋼”項(xiàng)目

　　2019年11月11日，德國(guó)鋼鐵生產(chǎn)商蒂森克虜伯正式啟動(dòng)了氫能冶金的測(cè)試。據(jù)蒂森克虜伯稱，這是全球范圍內(nèi)鋼鐵公司第一次在煉鋼工藝中使用氫氣代替煤炭，以減少二氧化碳的排放。2021年2月3日，蒂森克虜伯已成功完成了杜伊斯堡9號(hào)高爐氫利用的第一階段試驗(yàn)。受新冠肺炎疫情影響，第二階段試驗(yàn)計(jì)劃推遲到2022年開始。第二階段試驗(yàn)的研究重點(diǎn)將放在氫氣利用技術(shù)對(duì)高爐冶金工藝的影響上。

　　(2)瑞典HYBRIT項(xiàng)目——全球第一個(gè)無(wú)化石燃料海綿鐵中試線

　　HYBRIT為瑞典的“突破性氫能煉鐵技術(shù)”技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，由三家行業(yè)巨頭(SSAB、歐洲最大鐵礦石生產(chǎn)商LKAB公司和歐洲最大電力生產(chǎn)商之一瑞典大瀑布電力公司)合資創(chuàng)建的HYBRIT發(fā)展有限公司負(fù)責(zé)推進(jìn)。SSAB、LKAB和Vattenfall計(jì)劃打造世界上第一個(gè)擁有“無(wú)化石鋼鐵制造”價(jià)值鏈。SSAB的目標(biāo)是，到2026年，通過(guò)HYBRIT技術(shù)，在世界上率先實(shí)現(xiàn)無(wú)化石冶煉技術(shù);到2045年，SSAB將完全按無(wú)化石工藝路線制造鋼鐵。

　　

 

　　圖1 高爐工藝和HYBRIT工藝生產(chǎn)鐵水和海綿鐵的流程對(duì)比

　　(3)奧鋼聯(lián)H2FUTURE項(xiàng)目

　　2017年初，由奧鋼聯(lián)合發(fā)起的H2FUTURE項(xiàng)目旨在通過(guò)研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭煉鐵技術(shù)，降低鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放，最終目標(biāo)是到2050年減少80%的二氧化碳排放。H2FUTURE項(xiàng)目的成員單位包括奧鋼聯(lián)、西門子、VERBUND(奧地利領(lǐng)先的電力供應(yīng)商，也是歐洲最大的水力發(fā)電商)公司、奧地利電網(wǎng)(APG)公司、奧地利K1-MET(冶金能力中心)中心組等。

　　

 

　　圖2 奧鋼聯(lián)H2FUTURE項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)鏈

　　目前國(guó)外的氫冶金項(xiàng)目情況，如下表所示。

　　表1 國(guó)外鋼企氫冶金發(fā)展態(tài)勢(shì)

　　

 

　　來(lái)源：冶金工業(yè)規(guī)劃研究院

　　國(guó)內(nèi)氫冶金發(fā)展情況

　　(1)中國(guó)寶武的核能-制氫-冶金耦合技術(shù)

　　2019年1月15日，中國(guó)寶武與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將合作共同打造世界領(lǐng)先的核氫冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。以世界領(lǐng)先的第四代高溫氣冷堆核電技術(shù)為基礎(chǔ)，開展超高溫氣冷堆核能制氫技術(shù)的研發(fā)，并與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，依托中國(guó)寶武產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的二氧化碳超低排放和綠色制造。其中核能制氫是將核反應(yīng)堆與采用先進(jìn)制氫工藝的制氫廠耦合，進(jìn)行大規(guī)模H2生產(chǎn)。經(jīng)初步計(jì)算，一臺(tái)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆機(jī)組可滿足180萬(wàn)噸鋼對(duì)氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬(wàn)噸二氧化碳，減少能源消費(fèi)約100萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，將有效緩解我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的碳減排壓力。中國(guó)寶武的低碳冶金技術(shù)路線圖見圖3。

　　

 

　　圖3 中國(guó)寶武的低碳冶金技術(shù)路線圖

　　2020年7月寶武在八鋼進(jìn)行了富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝實(shí)驗(yàn)，把脫碳后的煤氣接入富氫碳循環(huán)高爐，與接入歐冶爐脫碳煤氣前相比，富氫碳循環(huán)高爐噸鐵燃料比下降近45千克，比傳統(tǒng)高爐減排CO230%。2021年7月八鋼富氫碳循環(huán)高爐已完成第二階段50%(第一階段35%)富氧目標(biāo)，后期八鋼富氫碳循環(huán)高爐將通過(guò)技術(shù)升級(jí)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全氧冶煉目標(biāo)。寶武2021年1月宣布2023年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2035年實(shí)現(xiàn)減碳30%，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。

　　(2)河鋼集團(tuán)富氫利用項(xiàng)目

　　2019年11月22日，河鋼集團(tuán)與意大利特諾恩集團(tuán)簽署諒解備忘錄，商定雙方在氫冶金技術(shù)方面開展深入合作，利用世界最先進(jìn)的制氫和氫還原技術(shù)，并聯(lián)手中冶京誠(chéng)，共同研發(fā)、建設(shè)全球首例120萬(wàn)噸規(guī)模的氫冶金示范工程，應(yīng)用于河鋼宣鋼轉(zhuǎn)型升級(jí)項(xiàng)目。2021年5月，河鋼宣鋼氫能源開發(fā)和利用工程示范項(xiàng)目正式啟動(dòng)建設(shè)。該項(xiàng)目充分利用張家口地區(qū)國(guó)家級(jí)可再生能源示范區(qū)優(yōu)勢(shì)，打造可推廣、可復(fù)制的“零碳”制氫與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)同互補(bǔ)的創(chuàng)新發(fā)展模式。該項(xiàng)目開發(fā)的氫還原新工藝，依靠自主和集成創(chuàng)新，采用產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的模式，核心技術(shù)為Tenova公司的Energiron-ZR(零重整)技術(shù)，可替代傳統(tǒng)高爐碳冶金工藝，預(yù)計(jì)年可減碳幅度達(dá)60%。

　　目前國(guó)內(nèi)的氫冶金發(fā)展情況，如下表所示。

　　表2 國(guó)內(nèi)氫冶金發(fā)展態(tài)勢(shì)