國(guó)內(nèi)外氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀及其展望

陳 龍 陳子波 曹凱琪

華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院 河北 唐山 063210

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)，是工業(yè)發(fā)展必不可少的組成部分。碳作為鋼鐵工業(yè)的還原劑，冶煉過程中能源消耗巨大，環(huán)境污染嚴(yán)重。近年來，各國(guó)政府為了阻止全球氣候變暖，高度重視無碳和低碳能源的開發(fā)和利用。氫作為綠色、高效的二次能源，具有來源廣泛、燃燒熱值高、清潔無污染、可儲(chǔ)能、利用形式多、安全性好等優(yōu)良特性，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?。因此，在全球低碳?jīng)濟(jì)發(fā)展和“脫碳”大潮的背景下，以減少碳足跡、降低碳排放為中心的氫冶金工藝技術(shù)開始得到了研究及發(fā)展。

1 國(guó)外氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 瑞典HYBRIT項(xiàng)目 瑞典HYBRIT項(xiàng)目，旨在聯(lián)合開發(fā)用氫替代煉焦煤和焦炭的突破性煉鐵技術(shù)。項(xiàng)目將研究采用氫的直接還原工藝，而氫則是利用非化石能源產(chǎn)生的。氫與球團(tuán)礦發(fā)生反應(yīng)，生成直接還原鐵。將直接還原鐵與廢鋼一起裝入電爐，或者制成熱壓塊鐵儲(chǔ)存或出售。瑞典鋼鐵公司計(jì)劃于2026年向市場(chǎng)提供第一批無化石能源生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品。

1.2 安賽樂米塔爾開展純氫煉鐵技術(shù)研發(fā) 類似瑞典HYBRIT項(xiàng)目的思路，目前漢堡廠采用天然氣生產(chǎn)直接還原鐵，該項(xiàng)目的研究是采用氫來直接還原鐵礦石。另外，研究采用變壓吸附法從現(xiàn)有廠的爐頂煤氣中分離氫氣，使其純度達(dá)到95%以上。氫直接還原鐵礦石的試驗(yàn)首先采用煤氣分離出的氫氣，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。未來當(dāng)有足夠數(shù)量的來自可再生能源的氫時(shí)，采用“綠氫”進(jìn)行生產(chǎn)。

1.3 德國(guó)蒂森克虜伯氫煉鐵技術(shù) 蒂森克虜伯集團(tuán)與液化空氣公司合作，計(jì)劃到2050年開發(fā)氫氣大量噴入高爐的氫煉鐵技術(shù)。2019年11月11日，蒂森克虜伯正式啟動(dòng)氫氣注入杜伊斯堡9號(hào)高爐，進(jìn)行氫煉鐵試驗(yàn)。氫氣通過其中一個(gè)風(fēng)口注入了9號(hào)高爐，如果進(jìn)展順利，氫氣的使用范圍逐步擴(kuò)展到9號(hào)高爐全部的28個(gè)風(fēng)口。此外，蒂森克虜伯還計(jì)劃從2022年開始，該地區(qū)其他3座高爐都使用氫氣進(jìn)行鋼鐵冶煉，從而降低生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，降幅可高達(dá)20%。

1.4 奧鋼聯(lián)綠氫項(xiàng)目 研究“綠氫”在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，希望用氫替代鋼鐵生產(chǎn)過程中使用的化石燃料。目前，已建成世界上最大的電解槽，正在生產(chǎn)綠氫。奧鋼聯(lián)集團(tuán)興建混合燃料鋼鐵廠，5座高爐中的3座改為電爐，預(yù)計(jì)2030年建成。利用電能取代煤和焦炭等化石燃料高爐只是中間步驟，最終目標(biāo)是利用氫能作為鋼鐵高溫生產(chǎn)的所需能源。預(yù)計(jì)氫能制鋼這一技術(shù)要在2035年以后才能實(shí)現(xiàn)。

1.5 薩爾茨吉特低二氧化碳煉鋼項(xiàng)目 該項(xiàng)目核心是氫作為還原劑，減少鋼鐵生產(chǎn)過程中二氧化碳排放，使用的氫氣應(yīng)由可再生能源生產(chǎn)。目前，共同建造高溫電解器，用于生產(chǎn)高效節(jié)能的“綠氫”。

1.6 日本COURSE50項(xiàng)目 日本COURSE50項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容包括氫還原工藝技術(shù)開發(fā)、從高爐煤氣中 分離和回收二氧化碳以及該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。該項(xiàng)目于2008年啟動(dòng)，歷時(shí)10年開發(fā)了關(guān)鍵技術(shù)，自2018年開始，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的綜合技術(shù)開發(fā)階段。項(xiàng)目最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)煉鐵工藝二氧化碳排放量減少30%，其中對(duì)于氫還原煉鐵法二氧化碳減排目標(biāo)為10%、從高爐煤氣中分離回收二氧化碳技術(shù)的減排目標(biāo)為20%，項(xiàng)目計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

2 國(guó)內(nèi)氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 中國(guó)寶武集團(tuán)核能利用項(xiàng)目 2018年10月，中國(guó)寶武、中核集團(tuán)和清華大學(xué)三方啟動(dòng)了共同研究核能技術(shù)與冶金制造技術(shù)。如何協(xié)同以及創(chuàng)新技術(shù)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的工作。三方以“產(chǎn)學(xué)研”模式開展深度合作，共同打造世界領(lǐng)先的核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，充分發(fā)揮核能的優(yōu)勢(shì)，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，帶動(dòng)核裝備制造、材料研發(fā)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；結(jié)合中國(guó)寶武鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，核能技術(shù)與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的超低排放。

2.2 河鋼集團(tuán)氫能利用項(xiàng)目 2019年3月，河鋼集團(tuán)與中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心、中國(guó)鋼研、東北大學(xué)簽訂合作協(xié)議，聯(lián)合組建“氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心”，打造氫能應(yīng)用研究和科技成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)。研究的領(lǐng)域包括制氫、儲(chǔ)運(yùn)、加氫等氫能利用領(lǐng)域。據(jù)悉，河鋼在氫能利用方面還涉足發(fā)展氫能的合格氣源和燃料電池汽車等領(lǐng)域。

2.3 建龍集團(tuán)建建設(shè)年產(chǎn)30萬(wàn)噸富氫熔融還原高純鑄造生鐵項(xiàng)目項(xiàng)目 內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司的富氫熔融還原法高純鑄造生鐵項(xiàng)目于2020年9月底實(shí)現(xiàn)試生產(chǎn)，項(xiàng)目規(guī)模為年產(chǎn)30萬(wàn)噸。該項(xiàng)目運(yùn)用富氫熔融還原新工藝，強(qiáng)化對(duì)焦?fàn)t煤氣的綜合利用，推動(dòng)傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變。

3 國(guó)內(nèi)外氫冶金發(fā)展展望

鋼鐵行業(yè)是去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)行業(yè)，氫能具備幫助鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、完成轉(zhuǎn)型的潛力，因此將綠色電力和氫氣用于鋼鐵制造工藝是變革性技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)。當(dāng)前，全球氫冶金項(xiàng)目研究可以分三步走:第一步，2025年前，建立中試裝置研究大規(guī)模工業(yè)用氫能冶煉的可行性；第二步，到2030年，實(shí)現(xiàn)以焦?fàn)t煤氣、化工等副產(chǎn)品中產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)；第三步，到2050年，實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)氫氣的工業(yè)化生產(chǎn)，并進(jìn)行鋼鐵高純氫能冶煉，其中氫能以水電、風(fēng)電及核電電解水為主。

而我國(guó)氫冶煉技術(shù)當(dāng)前還處于研發(fā)起步階段，多數(shù)企業(yè)仍處于項(xiàng)目規(guī)劃，簽訂合作協(xié)議的階段，只有少數(shù)企業(yè)設(shè)立了以清潔能源生產(chǎn)氫氣作為冶煉能源的目標(biāo)，多數(shù)企業(yè)還是以利用焦?fàn)t煤氣、化工副產(chǎn)品等作為氫源冶煉為項(xiàng)目目標(biāo)。我國(guó)氫冶煉技術(shù)的研發(fā)還需要以國(guó)家層面高度的規(guī)劃和定位，確定可行的技術(shù)路線圖，在政策支持下，實(shí)現(xiàn)氫能和鋼鐵冶煉產(chǎn)業(yè)合作共贏。要真正實(shí)現(xiàn)氫冶金的廣泛應(yīng)用，世界各國(guó)還有很長(zhǎng)的一段路要走。