世界氫冶金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

王婷婷

隨著全球資源約束趨緊和環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，鋼鐵行業(yè)面臨著越來(lái)越大的碳減排壓力。過(guò)去十年間，世界主要產(chǎn)鋼國(guó)致力于開(kāi)發(fā)能夠顯著降低CO2排放的突破性低碳煉鋼技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)利用無(wú)碳或低碳能源。氫能以其來(lái)源多樣、低碳排放、高效、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，被許多國(guó)家列為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的清潔能源。以氫代替碳是當(dāng)前低碳發(fā)展、能源變革的重要方向，成為鋼鐵行業(yè)共認(rèn)的節(jié)能減排理想方案之一。為推進(jìn)氫冶金的產(chǎn)業(yè)化，世界各國(guó)在氫冶金技術(shù)方面進(jìn)行了積極的探索。

一、歐洲主要國(guó)家氫冶金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著歐盟“2030年氣候和能源政策目標(biāo)”的發(fā)布，歐盟各國(guó)都推出了更為嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)；歐盟排放權(quán)交易體系(EU-ETS)的建立，使各行業(yè)碳排放成本大大增加。在此背景下，歐洲鋼鐵行業(yè)將節(jié)能減排提升至與利潤(rùn)增長(zhǎng)同等重要的高度來(lái)對(duì)待。歐盟于2020年7月宣布，計(jì)劃到2050年向氫產(chǎn)業(yè)投資4700億歐元，重點(diǎn)支持歐洲鋼鐵行業(yè)開(kāi)發(fā)氫還原煉鐵工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)和相應(yīng)的工廠建設(shè)。15個(gè)歐洲國(guó)家和48家企業(yè)聯(lián)合發(fā)起了超低二氧化碳煉鋼（ULCOS）項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)至少50%的二氧化碳減排。ULCOS主要推廣五種工藝：高爐頂煤氣循環(huán)（TGR-BF）、直接還原（ULCORED）、熔煉還原（HISARNA）、電解鐵礦石工藝（ULCOWIN/ULCOLYSIS）和氫基煉鋼。目前歐洲的主要?dú)湟苯痦?xiàng)目有：

1.安賽樂(lè)米塔爾集團(tuán)純氫煉鐵示范工廠

2019年，安賽樂(lè)米塔爾宣布在漢堡工廠設(shè)計(jì)示范工廠，用氫氣生產(chǎn)鋼鐵，示范大規(guī)模制成氫氣并使用100%氫氣作為還原劑生產(chǎn)直接還原鐵。該工廠最初使用天然氣中的灰色氫氣，一旦由可再生能源制備的綠色氫氣能夠以經(jīng)濟(jì)的成本足量獲得，就可以綠色氫氣取代灰色氫氣。未來(lái)，該示范工廠每年將生產(chǎn)約10萬(wàn)噸直接還原鐵，成為世界上第一個(gè)以氫氣為動(dòng)力的工業(yè)規(guī)模直接還原鐵生產(chǎn)工廠。

2.瑞典鋼鐵HYBRIT 項(xiàng)目

該項(xiàng)目研究采用氫與球團(tuán)礦生產(chǎn)直接還原鐵，所用的氫由非化石能源制備。該項(xiàng)目的核心概念是通過(guò)水電解產(chǎn)生氫氣直接減排，其目標(biāo)是在瑞典和芬蘭分別減少10%和7%的二氧化碳排放量。HYBRIT的新工藝類似于現(xiàn)有豎爐直接還原，但使用100%氫氣作為還原劑。該項(xiàng)目電解制氫使瑞典電力消耗增加的15kW·h，可通過(guò)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)滿足。該項(xiàng)目將建設(shè)三個(gè)試點(diǎn)工廠：一個(gè)制氫-直接氫還原煉鋼廠（位于盧利亞）、一個(gè)非化石球團(tuán)廠（位于馬爾姆堡和盧利亞）和一個(gè)儲(chǔ)氫廠（位于盧利亞）。

2018年6月，HYBRIT項(xiàng)目在瑞典Lulea建設(shè)中試廠， 2021-2024年運(yùn)行后，每年可生產(chǎn)50萬(wàn)噸直接還原鐵。該中試廠可方便利用瑞典鋼鐵公司現(xiàn)有煉鋼設(shè)施和Norrbotten鐵礦。到2024年，該中試廠的建造和運(yùn)營(yíng)成本預(yù)計(jì)為10-20億瑞典克朗，目標(biāo)是在2035年之前形成無(wú)碳解決方案。

3.薩爾茨吉特SALCOS 項(xiàng)目

2016年4月，薩爾茨吉特正式啟動(dòng)GrInHy 1.0（綠色工業(yè)制氫）項(xiàng)目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產(chǎn)氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)風(fēng)能（或其他可再生能源）波動(dòng)時(shí)，電解槽可轉(zhuǎn)變成燃料電池，向電網(wǎng)供電，以平衡電力供需。SALCOS項(xiàng)目旨在對(duì)原有的高爐-轉(zhuǎn)爐工藝進(jìn)行逐步改造，把以高爐為基礎(chǔ)的碳密集型煉鋼工藝逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)富余氫氣的多用途利用。

2019年1月，GrInHy 1.0項(xiàng)目完成連續(xù)2000個(gè)小時(shí)系統(tǒng)測(cè)試后，薩爾茨吉特開(kāi)展了GrInHy 2.0項(xiàng)目。該項(xiàng)目的顯著特點(diǎn)是通過(guò)鋼企產(chǎn)生的余熱資源生產(chǎn)水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發(fā)電，然后采用高溫電解水法生產(chǎn)氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產(chǎn)，也可用于鋼鐵生產(chǎn)的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。

4.奧鋼聯(lián)H2FUTURE 項(xiàng)目

2017年初，奧鋼聯(lián)發(fā)起H2FUTURE項(xiàng)目，旨在通過(guò)研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術(shù)，降低鋼鐵生產(chǎn)中的CO2排放，最終目標(biāo)是到2050年減少80%的CO2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，歐洲最大的水電商）公司、奧地利電網(wǎng)（APG）公司、奧地利K1-MET中心組等。該項(xiàng)目將建設(shè)世界最大的氫還原中試工廠。西門子作為質(zhì)子交換膜電解槽的技術(shù)提供方，將為奧鋼聯(lián)林茨廠提供電解能力為6兆瓦的電解槽，氫氣產(chǎn)量為1200m3/小時(shí)，電解水產(chǎn)氫效率目標(biāo)為80%以上；Verbund公司作為項(xiàng)目協(xié)調(diào)方，將利用可再生能源發(fā)電，同時(shí)提供電網(wǎng)相關(guān)服務(wù)；奧地利電網(wǎng)公司的主要任務(wù)是確保電力平衡供應(yīng)，保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定；奧地利K1-MET中心組將負(fù)責(zé)研發(fā)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中氫氣替代碳或碳基能源的工序，定量對(duì)比研究電解槽系統(tǒng)與其他方案在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)研究該項(xiàng)目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業(yè)的可復(fù)制性和大規(guī)模應(yīng)用的潛力。

5.迪林根和薩爾鋼公司富氫煉鐵技術(shù)

德國(guó)主要鋼鐵企業(yè)迪林根（Dillinger）和薩爾鋼公司（Saarstahl）計(jì)劃投資1400萬(wàn)歐元，研究將聯(lián)合鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的富氫焦?fàn)t煤氣輸入薩爾煉鐵公司的兩座高爐中，用焦?fàn)t煤氣中的氫取代部分碳作為還原劑的工藝技術(shù)，以減少煤粉和冶金焦的使用量，從而降低高爐內(nèi)的碳強(qiáng)度和整個(gè)煉鐵過(guò)程中的碳足跡。這一應(yīng)用將是未來(lái)氫基煉鐵的大膽一步。根據(jù)工程進(jìn)度計(jì)劃，2020年夏季，該公司5號(hào)高爐風(fēng)口總數(shù)的一半開(kāi)始噴入焦?fàn)t煤氣；到2020年底，兩爐的所有風(fēng)口都永久噴入焦?fàn)t煤氣。

6.德國(guó)蒂森克虜伯氫煉鐵技術(shù)

蒂森克虜伯-斯塔爾股份公司啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，涉及用氫氣替代煤作為還原劑，減少或完全避免鋼鐵生產(chǎn)中二氧化碳的排放。蒂森克虜伯已經(jīng)完成了向杜伊斯堡工廠9號(hào)高爐28個(gè)風(fēng)口之一注入氫氣的測(cè)試，目的是減少冶金煤的使用，到2030年將二氧化碳排放量減少30%?；诘谝浑A段成功試驗(yàn)結(jié)果，蒂森克虜伯將在2022年開(kāi)始的第二階段中向所有28個(gè)風(fēng)口注入氫氣。該計(jì)劃完成后，蒂森克虜伯將在杜伊斯堡開(kāi)始建設(shè)年產(chǎn)能120萬(wàn)噸的氫基直接還原鐵廠，并將全部使用綠色氫氣運(yùn)行，預(yù)計(jì)2025年完成。

7.普銳特冶金技術(shù)公司的無(wú)碳?xì)浠F礦粉直接還原技術(shù)

2019年6月，普銳特宣布正在開(kāi)發(fā)一種不需要燒結(jié)或球團(tuán)等任何預(yù)處理工序即可使用鐵精礦的直接還原工藝。該工藝借鑒了Finmet工藝開(kāi)發(fā)和設(shè)備安裝的經(jīng)驗(yàn)，可采用所有類型的精礦，甚至是粒度小于0.15毫米的粉礦。新工藝使用綠色氫氣、傳統(tǒng)蒸汽重整爐的富氫氣體或者富氫廢氣作為還原劑，將顯著減少CO2排放，甚至零排放。直接還原設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為25萬(wàn)噸/年，可適用于所有規(guī)模的鋼廠。

此外，作為全球領(lǐng)先的冶金設(shè)備供應(yīng)商，德國(guó)西馬克正在與意大利達(dá)涅利聯(lián)合開(kāi)發(fā)氫基煉鐵工藝。

二、亞洲氫冶金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.日本Course50 低碳冶金項(xiàng)目

日本的氫還原煉鐵course50包括兩項(xiàng)主要技術(shù)：富氫還原和從高爐廢氣中捕獲并回收二氧化碳，以減少二氧化碳排放。新日鐵建設(shè)了一座生產(chǎn)能力為35t/d的12m3實(shí)驗(yàn)性高爐，確定了氫還原煉鐵減排10%、二氧化碳回收減排20%、總體減排30%的項(xiàng)目減排目標(biāo)。在氫還原煉鐵中，用氫氣代替部分焦炭以減少高爐生產(chǎn)中的二氧化碳排放。由于氫的密度小，加上氫還原反應(yīng)的吸熱性，為了保證還原性能的最大化和爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定，試驗(yàn)中對(duì)高爐爐身和滾道的位置進(jìn)行了調(diào)整，并在噴吹前對(duì)氫氣進(jìn)行了預(yù)熱。2014-2016年進(jìn)行的第一階段高爐噴氫試驗(yàn)表明，與不噴氫相比，碳排放減少了9.4%。第二階段進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)，逐步模擬4000m3～5000m3的實(shí)際高爐，到2030年，將在第一座高爐進(jìn)行氫氣還原，到2050年，該技術(shù)將在日本投入使用。

C O U R S E 50 項(xiàng)目也被開(kāi)發(fā)用于從焦?fàn)t煤氣（COG）中生產(chǎn)氫氣。當(dāng)焦?fàn)t煤氣離開(kāi)炭化室時(shí)，溫度達(dá)到800℃，可最大限度地利用顯熱催化裂解焦油和烴類物質(zhì)，從而產(chǎn)生氫氣。采用這種技術(shù)，焦?fàn)t煤氣中的氫氣含量從55vol%增加到63vol%～67vol%，氣體體積增加一倍。該技術(shù)已完成工業(yè)試驗(yàn)。

course50項(xiàng)目只是日本低碳冶金的第一步。包括高爐氫氣還原（內(nèi)氫氣和外氫氣）、無(wú)高爐氫氣還原、二氧化碳捕集與儲(chǔ)存（CCS）和二氧化碳捕集利用（CCU）在內(nèi)的一系列相關(guān)的氫冶金技術(shù)已經(jīng)在日本開(kāi)發(fā)或計(jì)劃中。

2.韓國(guó)的COOLSTAR 項(xiàng)目

根據(jù)韓國(guó)政府2019年10月修訂的《2030年國(guó)家溫室氣體減排路線圖》，韓國(guó)鋼鐵工業(yè)2030年二氧化碳排放量目標(biāo)將從最初的1.357億噸降至1.271億噸。因此，韓國(guó)高爐鋼企迫切需要開(kāi)發(fā)氫還原煉鐵技術(shù)，同時(shí)需要大量廉價(jià)氫氣。

從2017年12月開(kāi)始，韓國(guó)正式啟動(dòng)氫還原煉鐵工藝研究。該項(xiàng)目作為一項(xiàng)政府課題，由韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部主導(dǎo)，韓國(guó)政府和民間計(jì)劃投入898億韓元用于相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)，其中，政府資金600億韓元，民間資金298億韓元。該項(xiàng)目正式名稱為COOLSTAR（CO2Low Emission Technology ofSTeelmaking and Hydrogen Reduction），主要包括“高爐二氧化碳減排混合煉鐵技術(shù)”和“替代型鐵原料電爐煉鋼技術(shù)”兩項(xiàng)子課題。2017-2020年是該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的技術(shù)研發(fā)階段，主要完成基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)；2021-2024年是中試規(guī)模的技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，主要完成中試技術(shù)驗(yàn)證，到2024年11月前完成氫還原煉鐵工藝的中試開(kāi)發(fā)，并對(duì)具有經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)大規(guī)模的試驗(yàn)；2024-2030年完成商業(yè)應(yīng)用的前期準(zhǔn)備研究；2030年以后篩選出真正可行的技術(shù)并投入實(shí)際應(yīng)用研究；到2050年前后實(shí)現(xiàn)商用化應(yīng)用。項(xiàng)目的終極目標(biāo)是減排二氧化碳15%，同時(shí)確保技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。COOLSTAR項(xiàng)目的第一部分課題由浦項(xiàng)鋼鐵公司主導(dǎo)，依據(jù)歐洲和日本的技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和今后的發(fā)展方向，以利用煤為能源的傳統(tǒng)高爐為基礎(chǔ)，充分利用由鋼鐵廠產(chǎn)生的副產(chǎn)煤氣改質(zhì)精制而成的灰色氫氣，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)，并作為高爐和電爐的還原劑；第二部分課題是將氫氣作為還原劑，通過(guò)制備DRI（直接還原鐵）逐步替代廢鋼，由此減少電爐煉鋼工序二氧化碳排放，同時(shí)提高工序能效，最終目標(biāo)是向韓國(guó)電爐企業(yè)全面推廣。

目前，浦項(xiàng)鋼鐵公司浦項(xiàng)廠已將還原性副產(chǎn)氣體作為還原劑進(jìn)行應(yīng)用，這類副產(chǎn)氣體由發(fā)電站供應(yīng)?，F(xiàn)代鋼鐵公司利用生物質(zhì)替代煤炭，由此實(shí)現(xiàn)煉鐵工序二氧化碳減排。浦項(xiàng)工科大學(xué)開(kāi)發(fā)了高溫固體氧化物電解電池系統(tǒng)，可以還原二氧化碳，并通過(guò)間接去除技術(shù)，減少尾氣中的二氧化碳。延世大學(xué)開(kāi)發(fā)的吸附工藝可從焦?fàn)t煤氣中回收氫氣，同時(shí)對(duì)甲烷進(jìn)行濃縮。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）從焦?fàn)t煤氣中生產(chǎn)氫氣，并試圖通過(guò)水蒸氣改質(zhì)工藝研究，擴(kuò)大氫氣的產(chǎn)量。釜慶大學(xué)利用煉鐵副產(chǎn)煤氣，制備高碳、高金屬化率的DRI。

三、美國(guó)低碳煉鋼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)的低碳煉鋼研究由美國(guó)能源部和美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)共同出資，由冶金領(lǐng)域頂尖的高校牽頭實(shí)施，旨在開(kāi)發(fā)能顯著降低鋼鐵生產(chǎn)中CO2排放的新技術(shù)，包括在鋼鐵生產(chǎn)中使用清潔能源和開(kāi)發(fā)CO2分離／捕集技術(shù)，如高溫電解還原煉鐵、氫氣還原煉鐵、礦物分離和石灰吸收電爐尾氣CO2。其中有兩項(xiàng)技術(shù)抑制CO2排放效果最好：一是熔融氧化電解（moltem oxide electrolysis，簡(jiǎn)稱MOE），通過(guò)電解還原鐵礦；二是氫氣閃熔，用氫氣作為還原劑煉鐵。

美國(guó)的氫氣閃熔是一種新型的閃速煉鐵技術(shù)，將鐵精礦在懸浮狀態(tài)下還原成金屬化率高的直接還原鐵，還原氣體可以是H2、CH4或其他氣體。該工藝是適應(yīng)美國(guó)鐵礦石資源狀況發(fā)展起來(lái)的，美國(guó)60%的鐵礦石是鐵燧巖，其粒徑小于25～38μm。在該工藝中，直接使用氧化鐵精礦，無(wú)需造粒或燒結(jié)。美國(guó)猶他大學(xué)進(jìn)行了大規(guī)模的測(cè)試，采用安賽樂(lè)米塔爾和Ternium公司的鐵精礦和內(nèi)徑為20.3厘米、長(zhǎng)度為244厘米的豎爐，在1200℃～1400℃的溫度下，1～7s內(nèi)可迅速獲得90%～99%的還原度。通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，比較了含H2、CH4和煤的高爐流程和FIT（美國(guó)享受稅收補(bǔ)貼的新能源技術(shù)）流程的能耗，F(xiàn)IT工藝的能耗明顯低于高爐工藝。對(duì)于1噸鐵，當(dāng)氫氣、CH4和煤被適當(dāng)利用時(shí)，CO2排放量分別為71kg、650kg和1145 kg。相比之下，常規(guī)高爐的排放量高達(dá)1671kg。即使以煤為燃料，F(xiàn)IT的CO2排放量也明顯低于高爐工藝。

四、世界氫冶金技術(shù)發(fā)展對(duì)我國(guó)的啟示

1.氫冶金技術(shù)發(fā)展需要頂層設(shè)計(jì)

與國(guó)外氫冶金的發(fā)展對(duì)比，目前我國(guó)氫冶金配套的專項(xiàng)規(guī)劃、政策體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、安全規(guī)范還缺乏頂層設(shè)計(jì)。涉及氫能產(chǎn)業(yè)的政策主要體現(xiàn)在交通領(lǐng)域，例如新能源汽車、加氫站、氫儲(chǔ)存、運(yùn)輸和燃料電池等方面。氫能在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于政策制定和規(guī)劃之中，我國(guó)氫冶金頂層設(shè)計(jì)和政策引導(dǎo)還有待加強(qiáng)。

2.氫冶金技術(shù)發(fā)展應(yīng)當(dāng)逐步推進(jìn)

氫是一種昂貴的二次能源，氫冶金的主要挑戰(zhàn)是制氫和儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。國(guó)外氫冶金技術(shù)研究多采用豎爐做實(shí)驗(yàn)，純氫豎爐的成本，包括設(shè)備、投資和維護(hù)費(fèi)用幾乎是目前煤氣化-煤氣豎爐的兩倍，到目前純氫豎爐直接還原鐵還難以實(shí)現(xiàn)盈利和商業(yè)化生產(chǎn)。制氫和儲(chǔ)氫的規(guī)?；?、零排放和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化將推動(dòng)全氫豎爐的進(jìn)一步發(fā)展。在中國(guó)，使用富氫豎爐比使用純氫豎爐更容易成功。我國(guó)應(yīng)充分利用現(xiàn)有成熟的豎爐設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化和生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)關(guān)鍵設(shè)備，優(yōu)化豎爐還原工藝參數(shù)，最大限度地發(fā)揮富氫豎爐的優(yōu)勢(shì)，獲得適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)能和低能耗。同時(shí)，隨著以太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能、地?zé)崮転榛A(chǔ)的零排放、經(jīng)濟(jì)化、規(guī)?；茪涞陌l(fā)展和實(shí)踐，以及儲(chǔ)氫裝置和儲(chǔ)氫技術(shù)的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)積極發(fā)展純氫冶金。

3.氫冶金技術(shù)發(fā)展需要協(xié)同推進(jìn)

氫冶金技術(shù)的發(fā)展需要從產(chǎn)氫和用氫兩端協(xié)同推進(jìn)。我國(guó)氫能行業(yè)和氫冶金目前都處于起步階段，不僅需要努力發(fā)展技術(shù)，也需要更多的資金和人才支持。如果氫能和鋼鐵產(chǎn)業(yè)的合作形成了互補(bǔ)，將有良好的示范效應(yīng)，就能吸引更多行業(yè)涉足氫能，一定會(huì)有雙贏的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)略