氫能在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用方向的探討

危中良，戴金華

（廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東韶關(guān) 512122）

前言

據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）數(shù)據(jù)，至本世紀(jì)末全球升溫控制在1.5 ℃的可能性已極小，為了守住2 ℃的升溫紅線，需要全球在將來(lái)的30年內(nèi)快速達(dá)到碳中和。

為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化，世界已達(dá)成了具有國(guó)際約束力的一系列公約，其中最為重要的是《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》《京都議定書》和《巴黎協(xié)定》。中國(guó)作為發(fā)展中大國(guó)為應(yīng)對(duì)氣候變化，積極踐行《巴黎協(xié)定》，提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)和愿景，主動(dòng)提高國(guó)家在碳減排上的自主貢獻(xiàn)。

煤炭是我國(guó)的第一大能源，占全國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的70%以上。我國(guó)重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)碳排放量（包括火電、鋼鐵、水泥、有色、石化、化工等行業(yè)）約占全國(guó)總排放量的80%，其中鋼鐵行業(yè)約占15%。

目前我國(guó)鋼鐵工業(yè)主要是基于“高爐—轉(zhuǎn)爐”流程的炭冶金模式，它是資源、能源密集型產(chǎn)業(yè)，其資源、能源消耗大，工業(yè)污染排放量大，近幾年來(lái)，我國(guó)鋼鐵企業(yè)雖在節(jié)能減排、綠色發(fā)展方面取得了較大成就，鋼鐵企業(yè)噸鋼能源消耗和污染物排放持續(xù)下降，能源管理水平逐步提高，二次能源回收利用水平不斷提升，但與此同時(shí)，我國(guó)鋼鐵企業(yè)能源消耗和排放總量仍然居高不下，企業(yè)之間綠色發(fā)展水平不充分、不平衡的問(wèn)題仍然十分突出，鋼鐵行業(yè)面臨的環(huán)保減排壓力仍然巨大。

《鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰及降碳行動(dòng)方案》提出：“2025 年前，鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰；到2030 年，鋼鐵行業(yè)碳排放量較峰值降低30%，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)碳減排量4.2 億t”。

2030年碳達(dá)峰及2060年碳中和任務(wù)的迫近，鋼鐵企業(yè)要緩解這一壓力，不僅要進(jìn)行技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)內(nèi)部節(jié)能減排，更重要的是去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型。氫氣作為一種清潔能源，鋼鐵企業(yè)如何利用氫氣，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、轉(zhuǎn)型升級(jí)，是有待探討的一項(xiàng)主要內(nèi)容。

1 氫氣的來(lái)源及特性

1.1 氫氣來(lái)源

氫氣來(lái)源廣泛，作為二次能源，既可以借助傳統(tǒng)化石能源如煤炭、石油、天然氣等低碳化技術(shù)制取，也可以來(lái)自焦化、氯堿、冶金等工業(yè)副產(chǎn)品制氫，還可以通過(guò)風(fēng)、光、水等可再生能源制備。與外國(guó)相比，目前我國(guó)的氫氣稀缺，價(jià)格較高，主要原因是我國(guó)一次能源是以煤為主，煤比石油、天然氣含氫量少，制氫過(guò)程需要消耗較多的能量。

1.2 氫氣特性

氫氣是一種無(wú)色，無(wú)味、無(wú)毒的氣體。氫氣作為一種化工原料，可用于生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品，也可作為一種還原劑，用于還原金屬氧化物，提純金屬，還可以作為清潔燃料。與其它可燃?xì)怏w相比，氫氣具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）燃燒速度快，在空氣中為2.7 m/s，是天然氣、丙烷的7倍，穿透能力強(qiáng)。

（2）氫氣的單位質(zhì)量熱值為1.4×105kJ，是丙烷的2.7倍，汽油的3倍，高于除核燃料外的其它燃?xì)狻＜赐惹闆r下，燃燒1 kg燃?xì)猓瑲錃馊紵懦龅臒崃勘绕渌剂暇?，火焰溫度高?/p>

（3）氫燃燒后生成水，不產(chǎn)生CO2，屬于環(huán)境友好型燃?xì)狻?/p>

2 氫氣在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用情況

氫氣無(wú)論作為清潔能源，還是作為還原劑，在鋼鐵企業(yè)都有用武之地。。

目前氫氣在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用層面比較少，主要用于作為金屬產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的保護(hù)氣和連鑄坯火焰切割的切割氣。由于鋼鐵企業(yè)具有豐富的焦?fàn)t煤氣，大部分鋼鐵企業(yè)用自產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣來(lái)制氫，滿足以上兩個(gè)方面氫氣的需求。

2.1 保護(hù)氣

氫氣在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用最早，主要作為金屬產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的保護(hù)氣，以使金屬不被氧化。在鋼鐵企業(yè)金屬產(chǎn)品生產(chǎn)或軋制過(guò)程中，用氫氣作為保護(hù)氣，隔絕空氣，防止金屬氧化，同時(shí)在高溫下，氫氣還能與已氧化的金屬發(fā)生還原反應(yīng)，將金屬置換出來(lái)。因此與其它惰性氣體相比，氫氣作為金屬產(chǎn)品生產(chǎn)或軋制過(guò)程中的保護(hù)氣有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前氫氣作為保護(hù)氣主要用于硅鋼片、硬質(zhì)合金、粉末冶金材料的生產(chǎn)，以及薄板、帶鋼的軋制。

2.2 火焰切割可燃?xì)?/h3>

火焰切割是金屬加工過(guò)程中的一種熱切割工藝，是利用預(yù)熱氧和可燃?xì)獾幕旌先紵幕鹧?，將切割材料進(jìn)行局部加熱至燃點(diǎn)，使切割材料在高壓氧流中連續(xù)燃燒，燃燒所產(chǎn)生的熔渣被切割氧流吹掉，從而形成割縫的一種切割工藝。隨著鋼鐵企業(yè)連鑄機(jī)切割技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，連鑄坯的切割工藝由最初的乙炔-氧火焰切割，焦?fàn)t煤氣-氧火焰切割、高能氣（天然氣、丙烷氣、丁烷氣）-氧火焰切割、向氫-氧切割方向發(fā)展。

氫-氧切割最初用于航空工業(yè)的精密切割，但隨著切割技術(shù)的發(fā)展，氫-氧切割逐步應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)連鑄坯的切割，其具有以下特點(diǎn)。

（1）降低了碳排放。氫氣作為一種清潔能源，切割作業(yè)過(guò)程中，產(chǎn)生的廢氣是無(wú)毒無(wú)害的蒸汽，在改善作業(yè)環(huán)境的同時(shí)，降低了碳排放；與用焦?fàn)t煤氣切割相比，［1］氫氧切割理論上噸鋼CO2排放量可減少0.692 kg。

（2）提高了切面質(zhì)量。由于氫氣燃燒火焰熱量集中，燃燒速度快，穿透力強(qiáng)，熱影響區(qū)小，使得切割端面平整、光滑，端面下部掛渣量少且極易脫落。采用氫氣切割，不僅節(jié)省了斷面清理和后續(xù)加工時(shí)間，還能保證切割材料不被滲碳。

（3）降低了金屬損耗。氫氣切割時(shí)切縫寬度小，可顯著減少金屬損失。［2］使用焦?fàn)t煤氣切割，其切縫可達(dá)12 mm；使用氫氣切割，其切縫不足6 mm，每噸坯約減少金屬耗0.6 kg。

由于氫氧切割其火焰溫度高、切割火焰鋒利，斷面質(zhì)量好、割縫小，鋼耗小，且無(wú)碳排放，綠色環(huán)保，近年來(lái)，隨著連鑄機(jī)切割技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，氫--氧火焰切割技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于冶金企業(yè)連鑄坯的切割，如：攀鋼、包鋼等企業(yè)，并將逐步推廣應(yīng)用。

3 冶金氫氣推廣應(yīng)用的方向

3.1 氫冶煉在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用的必要性

目前我國(guó)鋼鐵企業(yè)面臨碳減排壓力過(guò)大。2015年世界主要國(guó)家簽署《巴黎協(xié)定》，2019年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量約330 億t，其中近14%是由鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生。2019 年我國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量9.96 億t，占全世界總產(chǎn)量的53.3%，而鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放量為22.27 億t，約占我國(guó)碳排放總量的16%，是碳排放量最多的行業(yè)之一。2020年9月我國(guó)提出了力爭(zhēng)2030年前碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。

鋼鐵企業(yè)的碳排放主要來(lái)源于煉焦用煤，而焦炭用來(lái)作為高爐冶煉的還原劑。氫氣是一種清潔能源，也可作為一種還原性氣體，若高爐冶煉用氫氣取代焦炭，可實(shí)現(xiàn)無(wú)碳排放，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

碳冶金：3C+2Fe2O3==4Fe+3CO2

氫冶金：3H2+Fe2O3==2Fe+3H2O

因此氫冶金是鋼鐵企業(yè)當(dāng)前低碳發(fā)展、能源變革的重要方向，也是鋼鐵企業(yè)氫氣推廣應(yīng)用的主要方向。

3.2 冶金氫氣推廣應(yīng)用的方向

當(dāng)前氫冶金研究方向主要有高爐富氫冶煉和氫直接還原冶煉。

3.2.1 高爐富氫冶煉技術(shù)的應(yīng)用

高爐富氫冶煉，就是往高爐內(nèi)噴吹富氫氣體（焦?fàn)t煤氣、天然氣）或氫氣，是一種低碳煉鐵技術(shù)。高爐噴吹H2或富氫氣體有助于增加生鐵產(chǎn)量，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)焦，降低碳排放。

國(guó)外富氫還原高爐煉鐵項(xiàng)目主要有日本COURSE50、德國(guó)“以氫代煤”、韓國(guó)COOLSTAR、奧鋼聯(lián)H2FUTURE 等；日本高爐富氫還原煉鐵是利用焦?fàn)t煤氣或改質(zhì)焦?fàn)t煤氣替代部分焦炭，用來(lái)還原鐵礦石，該技術(shù)的目標(biāo)是減少10%的碳排放，主要的支撐技術(shù)包括富氫還原鐵礦石技術(shù)、焦?fàn)t煤氣改質(zhì)技術(shù)和高強(qiáng)度高反應(yīng)性焦炭生產(chǎn)技術(shù)。日本2016年4月對(duì)COURSE50項(xiàng)目第一階段的試驗(yàn)技術(shù)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，碳減排結(jié)果為9.4%，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)定的碳減排目標(biāo)。

國(guó)內(nèi)高爐富氫冶金是以往高爐內(nèi)噴吹焦?fàn)t煤氣為典型?！?〕近年來(lái)，梅鋼與東北大學(xué)合作研發(fā)了基于梅鋼原燃料條件的高爐風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)，噴吹50 m3/t鐵焦?fàn)t煤氣，爐內(nèi)還原氣濃度增加，爐料還原速度加快，焦比降低14.43%，碳排放減少8.61%。

目前八一鋼廠430 m3全氧富氫碳循環(huán)高爐，采用全氧和煤氣提質(zhì)富氫關(guān)鍵冶煉技術(shù)。2021年7月30 日，完成了第二階段的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)氧含量50%的超高富氧冶煉，開(kāi)展脫碳煤氣噴吹試驗(yàn)，并達(dá)到減碳8%。

3.2.2 氫還原冶煉技術(shù)的應(yīng)用

氫冶金是利用“氣基豎爐-電爐”短流程替代傳統(tǒng)“高爐-轉(zhuǎn)爐”冶煉流程

（1）富氫氣基豎爐冶煉

富氫氣基豎爐直接還原技術(shù)早在20 世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。目前世界上正在運(yùn)行的以天然氣或煤制合成氣生產(chǎn)還原鐵（DRI）的MIDREX、HYL 豎爐達(dá)幾十座，多數(shù)豎爐入爐煤氣的氫氣含量已達(dá)到55%～80%。

國(guó)外的富氫氣基豎爐工藝普遍使用天然氣，而我國(guó)是天然氣稀缺的國(guó)家。我國(guó)從二十世紀(jì)末開(kāi)始，陸續(xù)開(kāi)展了氣基豎爐直接還原技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究。［3］2018年?yáng)|北大學(xué)與遼寧華信啟動(dòng)“遼寧鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng)新中心”，研發(fā)及建設(shè)年產(chǎn)1 萬(wàn)tDRI“煤制氣-豎爐-電爐”氫冶金氣基豎爐短流程中試裝置，該條件下，噸鋼總能耗為263.67 kgce，噸鋼CO2排放量為829.89 kg，優(yōu)于傳統(tǒng)“高爐-轉(zhuǎn)爐”冶煉流程。

中晉太行礦業(yè)有限公司引進(jìn)伊朗MME 公司“PERED 氣基豎爐直接還原煉鐵新工藝”，并與中國(guó)石油（北京）大學(xué)合作利用焦?fàn)t煤氣制還原氣替代天然氣的“年產(chǎn)30 萬(wàn)t 富氫氣基豎爐直接還原鐵項(xiàng)目”于2020年12月建成投產(chǎn)。它是以合格的CO+H2還原氣，與氧化球團(tuán)通過(guò)氣固反應(yīng)，生產(chǎn)出直接還原鐵的工藝，與傳統(tǒng)高爐冶煉工藝相比，該工藝可實(shí)現(xiàn)減碳34%、二氧化硫減排74%、氮氧化物減排63%、節(jié)能61%。

（2）全氫氣基豎爐冶煉

全氫還原冶煉就是采用氣基豎爐直接還原，是以“全氫氣基豎爐-電爐”短流程替代傳統(tǒng)“高爐-轉(zhuǎn)爐”冶煉流程，目前尚處于試驗(yàn)階段。

國(guó)外氫氣豎爐直接還原項(xiàng)目主要有歐盟ULCOS的ULCORED 新型豎爐直接還原和氫氣豎爐直接還原煉鋼技術(shù)、瑞典HYBRIT、德國(guó)SALCOS、MIDREX H2?等，是以“全氫氣基豎爐-電爐”短流程替代傳統(tǒng)“高爐-轉(zhuǎn)爐”流程，

ULCOS 提出了氫氣直接還原煉鋼技術(shù)（hydrogen-based steelmaking），采用H2作為還原劑，氫氣來(lái)源于電解水，還原尾氣產(chǎn)物只有水，可大幅降低CO2排放量。在該流程中，全氫氣基豎爐直接還原工藝的碳排放幾乎為零，若考慮電力產(chǎn)生的碳排放，全流程CO2排放量?jī)H有300 kg/t鋼，與傳統(tǒng)“高爐-轉(zhuǎn)爐”冶煉流程1 850 kg/t 鋼的CO2排放相比減少84%。

3.2.3 高爐富氫與氫直接還原冶煉碳減排潛力對(duì)比

高爐富氫還原冶煉的主要途徑是噴吹H2和天然氣、焦?fàn)t煤氣等含氫介質(zhì)。由于高爐的冶煉特性，焦炭的骨架作用無(wú)法被完全替代，H2噴吹量存在極限值，高爐富氫還原的碳減排幅度只達(dá)10%～20%，而氣基豎爐短流程降低碳排放幅度可達(dá)50%～80%。因此，高爐通過(guò)噴吹含氫介質(zhì)富氫還原實(shí)現(xiàn)碳減排的潛力受到限制，難以實(shí)現(xiàn)大幅度的碳減排以及碳中和的目標(biāo)，可見(jiàn)氣基豎爐直接還原更適用于發(fā)展氫冶金，甚至實(shí)現(xiàn)碳中和煉鋼。

4 氫冶煉優(yōu)勢(shì)及面臨的問(wèn)題

4.1 優(yōu)勢(shì)

4.1.1 工藝流程縮短

傳統(tǒng)的碳冶金工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)的碳冶金工藝流程

氫冶金的工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 氫冶金的工藝流程

以上兩種冶金工藝相比，氫冶金工藝流程短。

4.1.2 產(chǎn)品質(zhì)量高

碳冶金生產(chǎn)的鐵水，含S、P、Cu、Zn 等有害元素含量較高，而氫冶金生產(chǎn)的海綿鐵，含S、P、Cu、Zn等有害元素的含量相對(duì)較低。鐵的質(zhì)量明顯提高。

4.1.3 節(jié)能減排

與碳冶金相比，氫冶金短流程免除了高污染、高能耗的燒結(jié)、焦化、高爐等工序，氫冶金CO2、SO2排放量大幅減少。富氫冶金與炭冶金相比，噸鋼能耗、CO2可分別減少60.64%和54.3%。而SO2、NOx和粉塵排放量分別可減少74.0%、22.7%和15.9%。若在富氫氣基豎爐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展全氫氣基豎爐，碳減排效果將進(jìn)一步提高。

4.2 氫冶金存在問(wèn)題

（1）高爐富氫冶金時(shí)，隨著高爐噴氫量的增加，氫氣會(huì)加速碳與氧化鐵反應(yīng)，焦炭質(zhì)量會(huì)提前變差，但焦炭還要承擔(dān)料柱骨架的作用，這將影響高爐的相關(guān)操作。

（2）受制氫及儲(chǔ)氫技術(shù)的影響，目前氫氣是比較昂貴的二次能源，價(jià)格高，因此全氫直接還原煉鋼工藝的未來(lái)發(fā)展很大程度上取決于氫氣大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、綠色制取與經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)運(yùn)。

（3）由于氫氣還原是吸熱反應(yīng)，全氫氣基豎爐中沒(méi)有碳源，系統(tǒng)內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱量互補(bǔ)、變換和物質(zhì)的循環(huán)，全氫氣還原鐵礦石過(guò)程中會(huì)大量吸熱，豎爐中散料層內(nèi)的溫度場(chǎng)下降，全氫操作會(huì)降低其還原性，從而全氫氣豎爐生產(chǎn)率降低。若要提高還原反應(yīng)的速率和保證產(chǎn)能，必須通過(guò)增加入爐氫氣流量，或者用其他物理方法向床層補(bǔ)充熱量保持高溫，才能達(dá)到氫氣快速還原的效果，但因此會(huì)造成全氫氣豎爐運(yùn)行成本提高。

（4）氫氣密度小，導(dǎo)致氫氣進(jìn)入豎爐就會(huì)急劇向爐頂逃逸，致使氫氣不能很好地停留在豎爐下部的高溫帶完成含鐵爐料還原的任務(wù)，從理論上講，為解決此問(wèn)題，入爐氫氣必須為高溫溫度（＞1 000 ℃）和高壓（＞1 MPa）氣體，產(chǎn)品才可以達(dá)到工藝產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)。由于氫氣是一種極其易燃易爆的氣體，若豎爐在高溫、高壓極限條件下長(zhǎng)期工作，其安全性能降低，很難保證設(shè)備和員工的安全。

（5）全氫豎爐DRI 產(chǎn)品無(wú)滲碳，反應(yīng)活性大，極易發(fā)生再氧化，鈍化特別困難，難以安全儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用，且全氫無(wú)滲碳生產(chǎn)的DRI熔點(diǎn)高，送至電爐煉鋼時(shí)電耗增加。

5 結(jié)論

（1）氫氣是一種清潔能源，也是一種還原劑，氫能具備幫助鋼鐵企業(yè)完成轉(zhuǎn)型升級(jí)、綠色制造、節(jié)能減排的潛力，因此鋼鐵企業(yè)應(yīng)加快推進(jìn)氫能的大力應(yīng)用，特別是氫冶金的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)雙贏局面。

（2）針對(duì)全氫氣基豎爐冶煉存在的問(wèn)題，由于高爐富氫冶煉與富氫氣基豎爐冶煉相比，雖然節(jié)能減排的潛力受到限制，但因投資較小，因此現(xiàn)階段高爐富氫冶煉與富氫氣基豎爐冶煉將是我國(guó)氫冶金發(fā)展的主要方向。

（3）未來(lái)隨著風(fēng)能、海洋能、太陽(yáng)能、水能、核能等基礎(chǔ)的低碳綠色制氫技術(shù)的研發(fā)、完善、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，氫能價(jià)格大幅度降低時(shí)，才可能實(shí)現(xiàn)全氫氣基豎爐冶煉。全氫氣基豎爐冶煉是氫冶金應(yīng)用的最終方向，只有全氫氣基豎爐冶煉才能真正實(shí)行以“氫代煤”的冶煉模式，鋼鐵行業(yè)才能真正實(shí)現(xiàn)二氧化碳超低排放和綠色制造。