氫冶金的發(fā)展歷程與關(guān)鍵問(wèn)題＊

魯雄剛，張玉文，祝凱，李光石，葉水鑫，武文合

①上海大學(xué) 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；②上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；③上海金屬零部件綠色再制造工程技術(shù)研究中心，上海 200444

2020年9月22日第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平向全世界承諾：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。中國(guó)“碳達(dá)峰碳中和”(“雙碳”)目標(biāo)的提出吹響了舉國(guó)降碳行動(dòng)的號(hào)角。2020年12月18日閉幕的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議，首次將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”作為2021年重點(diǎn)任務(wù)，提出要抓緊制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，支持有條件的地方率先達(dá)峰。2021年3月4日科技部碳達(dá)峰與碳中和科技工作領(lǐng)導(dǎo)小組第一次會(huì)議，研究了科技支撐實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的相關(guān)工作，明確把加快碳中和科技創(chuàng)新作為當(dāng)前的重要任務(wù)，研究形成《碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新行動(dòng)方案》，擬編制《碳中和技術(shù)發(fā)展路線圖》，計(jì)劃設(shè)立“碳中和關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”重點(diǎn)專項(xiàng)。2021年4月18日“碳中和科技創(chuàng)新路徑選擇”香山科學(xué)會(huì)議上，科技部部長(zhǎng)王志剛指出：“碳達(dá)峰碳中和意義不亞于三次工業(yè)革命，要發(fā)展原料、燃料替代和工藝革新技術(shù)，推動(dòng)鋼鐵、水泥、化工等高碳產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)流程零碳再造”[1]。2021年科技部編制了“雙碳”目標(biāo)下的技術(shù)路線[2]，包括減少碳排放和增加碳吸收兩條主線(圖1)。其中減少碳排放有3條路線，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、重點(diǎn)領(lǐng)域減排和金融減排支持。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是減少化石能源、提高利用效率和增加清潔能源。重點(diǎn)領(lǐng)域減排明確指出，氫能冶煉、氧氣高爐和非高爐冶煉是制造領(lǐng)域中鋼鐵冶煉行業(yè)減少含碳能源使用的技術(shù)路徑。2022年3月國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》。這是我國(guó)首部國(guó)家級(jí)氫能產(chǎn)業(yè)頂層政策文件，統(tǒng)籌謀劃、整體布局氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。發(fā)展氫能的重點(diǎn)任務(wù)之一是穩(wěn)步推進(jìn)氫能的多元化應(yīng)用，逐步探索工業(yè)領(lǐng)域替代應(yīng)用，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用，探索氫能在工業(yè)生產(chǎn)中作為高品質(zhì)熱源的應(yīng)用，擴(kuò)大工業(yè)領(lǐng)域氫能替代化石能源的應(yīng)用規(guī)模。

圖1 “雙碳”目標(biāo)下的技術(shù)路線圖

在應(yīng)對(duì)氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，各國(guó)都高度重視無(wú)碳和低碳能源的開發(fā)與利用，以減少碳足跡、降低碳排放為目的的冶金工藝技術(shù)變革日益受到鋼鐵工業(yè)的關(guān)注。氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，將氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)的變革性技術(shù)——?dú)湟苯?，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 中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的碳排放現(xiàn)狀

作為世界粗鋼產(chǎn)量第一大國(guó)，中國(guó)的粗鋼產(chǎn)量占世界的一半以上，2020年突破10億t，CO2排放約21億t[3]。目前，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)工藝主要包括高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程、廢鋼-電弧爐短流程和直接還原鐵(DRI)-電弧爐流程(表1)。其中：高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程的產(chǎn)鋼量占比大于90%[4]，噸鋼碳排放量為1.8～2.5 t，碳排放主要工序?yàn)楦郀t(噸鋼碳排放量為1.5 t，占70%～90%)；廢鋼-電弧爐短流程的產(chǎn)鋼量占比小于10%，噸鋼碳排放量為0.25～0.30 t，碳排放主要工序?yàn)殡娀t(噸鋼碳排放量為0.19 t，約占75%)；非高爐煉鐵-電弧爐工藝占比很少，直接還原鐵(DRI)-電弧爐流程的噸鋼碳排放量0.96 t，碳排放主要工序?yàn)橹苯舆€原(噸碳排放量約為0.5 t，占52%)?？梢钥闯?，長(zhǎng)流程的碳排放量要遠(yuǎn)高于廢鋼/直接還原鐵-電弧爐短流程。

表1 我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)工藝占比及碳排放現(xiàn)狀

2 鋼鐵生產(chǎn)的碳減排路徑

在“雙碳”大背景下，整個(gè)鋼鐵行業(yè)必須根據(jù)現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)及各流程特點(diǎn)，合理發(fā)展高效可行的碳減排路徑。從表1的分析可以看出，目前，以碳冶金和礦石為基礎(chǔ)的高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程在我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，其中高爐煉鐵是CO2排放量最大的工序，約占整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)CO2排放總量的70%～90%。高爐煉鐵工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)能力強(qiáng)、效率高，未來(lái)幾十年仍將是支撐中國(guó)對(duì)鋼鐵材料龐大需求的主流煉鐵技術(shù)。因此，鋼鐵行業(yè)助力實(shí)現(xiàn)2030年碳排放強(qiáng)度降低60%的目標(biāo)必須基于現(xiàn)有的高爐。高爐低碳冶煉是我國(guó)規(guī)?；瘜?shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)降碳的重要路徑。從我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的中長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，逐步從長(zhǎng)流程向短流程調(diào)整是大幅度降低碳排放的必然選擇。在全球前十大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)家中，中國(guó)短流程占比最低，僅有10%左右，美國(guó)短流程已占總產(chǎn)量的75%以上，歐洲也達(dá)55%。隨著我國(guó)廢鋼蓄積量的增加和廢鋼分類標(biāo)準(zhǔn)的完善，逐步增大短流程產(chǎn)鋼比例將會(huì)釋放巨大的減排空間。

針對(duì)工藝現(xiàn)況，我國(guó)的鋼鐵生產(chǎn)可以在源頭減少碳輸入、過(guò)程提高碳利用效率、末端加強(qiáng)碳捕集固化利用等3個(gè)方面切入進(jìn)行降碳(圖2)。源頭上減少碳輸入：調(diào)整鋼鐵生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，發(fā)展廢鋼-電爐短流程和氣基豎爐還原技術(shù)，降低長(zhǎng)流程在生產(chǎn)中的占比；研究開發(fā)高爐富氫低碳冶煉、富氫和非化石能源燒結(jié)、富氫/全氫非高爐煉鐵技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)以氫代碳和清潔能源利用。提高鋼鐵冶煉過(guò)程中碳的利用效率、降低噸鐵/噸鋼碳消耗，包括使用鐵焦、含碳球團(tuán)等新型爐料，以及高爐爐頂煤氣循環(huán)、氧高爐等技術(shù)。末端包括CO2分離、捕集和利用，以及鋼化聯(lián)產(chǎn)、固化、封存等。

圖2 鋼鐵生產(chǎn)的碳減排路徑

鋼鐵工業(yè)降碳路徑和措施可以分步實(shí)施：第一步，節(jié)能降耗減排，采取各種措施降低噸鐵碳消耗，節(jié)能是實(shí)現(xiàn)碳減排最重要、最經(jīng)濟(jì)的手段；第二步，發(fā)展短流程廢鋼/海綿鐵-電爐-連鑄連軋工藝，逐步減少長(zhǎng)流程產(chǎn)鋼量占比，研究以氫取代部分碳(富氫冶金)，發(fā)展高爐富氫冶煉技術(shù)、擴(kuò)大富氫氣基豎爐/流化床等非高爐冶煉生產(chǎn)比例；第三步，以氫取代全部碳，探索研究純氫氣基豎爐、流化床冶煉技術(shù)生產(chǎn)海綿鐵，再接電爐熔分煉鋼，實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的碳凈零排放。

作為中國(guó)鋼鐵企業(yè)龍頭，中國(guó)寶武的低碳發(fā)展路徑具有示范和啟示作用，他們率先提出碳中和目標(biāo)下的冶金技術(shù)路線(圖3)和不同技術(shù)的碳減排潛力及部署時(shí)間表(圖4)[5]。中國(guó)寶武以富氫碳循環(huán)高爐和氫基豎爐兩條工藝路線為中心，從6個(gè)方面進(jìn)行碳減排：①全流程極限能效，研究鋼鐵全流程理論和技術(shù)極限能耗模型，通過(guò)最佳可適商業(yè)技術(shù)(BACT)應(yīng)用、智慧制造、界面能效提升、余熱余能深度資源化等領(lǐng)域的集成創(chuàng)新，逼近極限能效，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳3%～5%；②冶金資源循環(huán)利用，研發(fā)鋼鐵循環(huán)材料、含鐵含碳固廢、多源生物質(zhì)等資源在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的使用技術(shù)，減少化石能源消耗，持續(xù)降低噸鋼碳排放強(qiáng)度10%～20%；③短流程近終形制造技術(shù)，構(gòu)建短流程近終形制造技術(shù)平臺(tái)，開展電爐+近終形制造工藝技術(shù)路徑研究，實(shí)現(xiàn)鋼鐵加工工藝流程極低碳排；④富氫碳循環(huán)高爐工藝技術(shù)，構(gòu)建以“富氫還原”耦合“爐頂煤氣循環(huán)”為技術(shù)特征的富氫碳循環(huán)高爐技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)高爐爐頂煤氣化學(xué)能利用率極致化，結(jié)合綠電加熱、金屬化微波燒結(jié)和CO2分離捕集，實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)高爐噸鐵碳排放強(qiáng)度下降30%～50%的目標(biāo)；⑤氫基豎爐技術(shù)，以綠氫制備工藝技術(shù)、氫氣直接還原鐵礦石工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，集成構(gòu)建綠氫直接還原-電爐熔分短流程冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)噸鋼碳排放強(qiáng)度比長(zhǎng)流程大幅度降低；⑥CO2資源化利用技術(shù)，通過(guò)對(duì)鋼鐵流程CO2低成本、大規(guī)模的捕集和資源化利用，實(shí)現(xiàn)末端碳固化利用，減少碳排放。

圖3 中國(guó)寶武碳中和冶金技術(shù)路線圖[5]

圖4 主要技術(shù)的減排潛力和部署時(shí)間表[5]

從中國(guó)寶武制定的碳中和路線圖看：2020—2035年仍以高爐長(zhǎng)流程為主，這一時(shí)期通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)高爐工藝加以技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)；2035—2050年將大力發(fā)展氫基豎爐-電爐熔分短流程，輔以碳回收利用技術(shù)達(dá)到2050年碳中和的目標(biāo)。

以上分析可知，近中期的高爐富氫，中遠(yuǎn)期的氫基豎爐以及逐漸提高短流程產(chǎn)鋼量是鋼鐵行業(yè)降碳的發(fā)展主線，其本質(zhì)均為逐漸增加清潔氫能的利用，以氫代碳。伴隨人類能源利用的減碳清潔化，氫能是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。以氫代碳，將氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)的氫冶金變革性技術(shù)，反應(yīng)的碳排放隨之被“水排放”替代，氫冶金成為鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

3 氫冶金的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

從傳統(tǒng)的碳冶金到全氫冶金的工藝發(fā)展歷程主要分兩個(gè)階段，以減少對(duì)焦炭依賴為主要目標(biāo)的階段和以降低碳排放為主要目標(biāo)的階段。減少焦炭使用主要采用以煤代焦、以氣(油)代焦，降低碳排放主要采用以氫代碳。氫冶金是在鐵礦石的還原冶煉過(guò)程中，引入氫氣作為還原劑和燃料的技術(shù)，分為富氫冶金和純氫冶金。

3.1 以減少對(duì)焦炭依賴為主要目標(biāo)的發(fā)展階段

作為最重要煉鐵工藝，高爐煉鐵采用焦炭代替木炭，為現(xiàn)代高爐的大型化奠定基礎(chǔ)，是冶金史上的重要里程碑。焦炭具有還原劑、燃料、料柱骨架和滲碳等方面的作用。從1709年達(dá)比(Darby)父子在英格蘭的什羅普郡首次以焦炭代替木炭在高爐中煉出生鐵，到1784年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，高爐開始以機(jī)械代替蓄力鼓風(fēng)，使風(fēng)壓風(fēng)量增大，為高爐完全使用焦炭創(chuàng)造了條件。1800年，英國(guó)高爐全部使用焦炭，并將這一技術(shù)傳至歐美其他國(guó)家和地區(qū)。直到20世紀(jì)40年代，高爐主要采取全焦冶煉。全焦冶煉需要消耗大量的焦炭，為降低焦炭消耗、緩和對(duì)日趨匱乏的焦煤的需求，發(fā)展出了高爐噴吹工藝和非焦冶煉(即非高爐煉鐵)工藝(圖5)。高爐噴吹工藝?yán)蔑L(fēng)口噴吹煤粉、重油、天然氣和焦?fàn)t煤氣等固、液、氣體燃料代替部分焦炭，從而降低焦比，增加高爐操作調(diào)劑手段，以提高冶煉效率，降低生產(chǎn)成本。從20世紀(jì)50年代開始，高爐普遍采用高風(fēng)溫、大風(fēng)量、精料、風(fēng)口噴吹、富氧鼓風(fēng)、高壓爐頂?shù)纫幌盗写胧?，焦比大幅降低。非高爐煉鐵工藝包括氣基直接還原、煤基直接還原和熔融還原。氣基直接還原工藝中的還原氣是通過(guò)重整天然氣或焦?fàn)t煤氣獲得的富氫混合氣(H2+CO)。非高爐煉鐵工藝中氣基直接還原工藝最為成熟，但由于我國(guó)沒(méi)有豐富的氣源，非高爐煉鐵在我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)中的占比很低。

圖5 氫冶金發(fā)展歷程

3.2 以減少碳排放為主要目標(biāo)的發(fā)展階段

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，降低CO2排放、低碳生產(chǎn)逐漸成為關(guān)注焦點(diǎn)。隨著全人類能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，能源演變趨勢(shì)雖然目的不單一，但脫碳是一條非常清晰的路線：木柴—煤炭—石油—天然氣—“可再生能源+氫儲(chǔ)能”，用主要成分可以表示為C10H—C2H—CH2—CH4+H。以煤炭為主要能源的傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)是CO2排放大戶，減少碳排放的主要手段是以氫代碳，逐漸增加鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的用氫比例，發(fā)展高爐富氫冶煉，擴(kuò)大富氫直接還原生產(chǎn)占比，提高富氫氣體中氫氣比例，直至全氫直接還原。如何降低碳排放、實(shí)現(xiàn)凈零碳排放？由傳統(tǒng)的碳冶金發(fā)展為全氫冶金，逐漸形成高爐富氫冶煉和全氫直接還原兩大技術(shù)路線。富氫冶煉是現(xiàn)階段從“碳冶金”到“氫冶金”的重要過(guò)渡，是大幅降低碳排放的重要突破口，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”過(guò)渡時(shí)期的應(yīng)用意義重大。全氫直接還原符合短流程發(fā)展需求，是鋼鐵脫碳從快速發(fā)展到成熟的重要路徑。煤基直接還原和熔融還原工藝整體來(lái)說(shuō)，對(duì)碳減排的實(shí)際應(yīng)用意義有限。要實(shí)現(xiàn)以氫代碳，大規(guī)模的氫源是基礎(chǔ)。以灰氫、藍(lán)氫、綠氫代部分碳大幅降低CO2排放量，再利用綠電制備綠氫，最終全氫冶金實(shí)現(xiàn)零碳排放。

氫用于煉鐵過(guò)程已有比較長(zhǎng)的歷史，上述的二十世紀(jì)五六十年代開展的高爐噴吹富氫焦?fàn)t煤氣、天然氣，利用重整天然氣的氣基直接還原等均是富氫冶金，屬于氫冶金的范疇。在全球低碳化應(yīng)對(duì)氣候變化、“雙碳”戰(zhàn)略背景下，氫冶金逐漸成為國(guó)內(nèi)外研發(fā)和討論的熱點(diǎn)。圖6為圍繞應(yīng)對(duì)氣候變化、降低碳排放和氫冶金發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)。1992年通過(guò)的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》提出將大氣溫室氣體濃度維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，在該水平上人類活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的危險(xiǎn)干擾不會(huì)發(fā)生。1997年《京都議定書》使溫室氣體減排成為發(fā)達(dá)國(guó)家的法律義務(wù)。1999年第125次香山科學(xué)會(huì)議中，上海大學(xué)徐匡迪院士從CO2減排角度提出氫冶金、調(diào)峰儲(chǔ)能和利用綠電電解水制備綠氫，并提出完整的全氫冶金短流程工藝路線：純氫直接還原鐵礦石-電爐熔分(圖7)[6]。2002年在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)主辦的冶金學(xué)科戰(zhàn)略研討會(huì)上，徐匡迪院士提出氫冶金技術(shù)思想并介紹了低溫氫還原鐵礦微粉多物理場(chǎng)下成型工藝流程[7]。隨后，國(guó)外陸續(xù)開展了多個(gè)降低鋼鐵生產(chǎn)碳排放的氫冶金發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目。徐匡迪院士持續(xù)推動(dòng)中國(guó)氫冶金、鋼鐵低碳的發(fā)展，多次在中國(guó)鋼鐵年會(huì)上強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)氫冶金技術(shù)的重要性和規(guī)劃[7-9]：①未來(lái)鋼鐵工藝的能源結(jié)構(gòu)是氫能，21世紀(jì)是氫能經(jīng)濟(jì)時(shí)代，也是氫冶金時(shí)代；②建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型鋼鐵企業(yè)，發(fā)展綠色冶金是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[8]，包括利用冶金過(guò)程爐氣制氫；③當(dāng)綠色環(huán)保氫能源占主流時(shí)，下一代鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)可能是“氫還原”。2009年第七屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)上，徐匡迪院士的“低碳經(jīng)濟(jì)與鋼鐵工業(yè)”主旨發(fā)言指出：中國(guó)鋼鐵業(yè)需及早制定CO2減排路線圖，研究低碳煉鐵技術(shù)，在鋼鐵設(shè)備達(dá)到服役期(2020—2030)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮高爐爐頂煤氣循環(huán)及高爐噴吹焦?fàn)t煤氣，實(shí)現(xiàn)CO2減排；及時(shí)部署前瞻性的碳減排技術(shù)研發(fā)，主要包括碳捕集技術(shù)，充分利用現(xiàn)有工業(yè)規(guī)模的煤氣制氫；在非化石能源成為主流時(shí)(2050年左右)，可推出氫冶金工業(yè)技術(shù)[10]。

圖6 圍繞降低碳排放和氫冶金的重要節(jié)點(diǎn)事件

圖7 全氫流化床直接還原-電爐熔分短流程

國(guó)外較早部署綠色低碳冶煉研究規(guī)劃項(xiàng)目(表2)。2004年歐盟設(shè)立ULCOS(超低CO2煉鋼)項(xiàng)目，目標(biāo)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。2008年日本啟動(dòng)COURSE50項(xiàng)目，關(guān)鍵技術(shù)是以氫代碳還原煉鐵法、CO2分離和回收[11-13]。2016年瑞典發(fā)起“Carbon-Dioxide-Free Steel Industry”計(jì)劃，開始非化石能源鋼鐵項(xiàng)目HYBRIT(hydrogen breakthrough ironmaking technology)，用H2替代高爐用煤粉和焦炭[14-15]。2017年韓國(guó)POSCO鋼鐵開始低碳冶煉項(xiàng)目[16]。2019年德國(guó)蒂森克虜伯9號(hào)高爐首次噴吹純氫，正式宣布“以氫代煤”煉鐵[17]。

表2 國(guó)外氫冶金低碳冶煉項(xiàng)目

由圖8展示的日本鋼鐵工業(yè)減碳技術(shù)路線圖可以看出，近中期發(fā)展高爐富氫冶煉(COURSE50和Super COURSE50)，中遠(yuǎn)期發(fā)展非高爐的氫還原煉鐵，配合CO2的捕集利用和封存來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)碳減排[12]。

圖8 日本鋼鐵工業(yè)減碳技術(shù)實(shí)施路線[12]

2016年，瑞典開始實(shí)施非化石能源鋼鐵項(xiàng)目——突破性氫能煉鐵技術(shù)(HYBRIT)(圖9)[18]。HYBRIT核心是以非化石能源替代傳統(tǒng)的化石能源，利用氫氣替代高爐生產(chǎn)用的燃煤和焦炭，降低CO2排放。HYBRIT工藝的特別之處在于所用氫氣均通過(guò)可再生的綠電電解水獲得。電解水工藝雖然耗能高，但所需電力可以再生，因此整個(gè)工藝的碳排放可以忽略。研究?jī)?nèi)容包括利用純氫直接還原球團(tuán)礦生產(chǎn)海綿鐵的技術(shù)和球團(tuán)、燒結(jié)工藝的非化石能源加熱。HYBRIT于2017年底完成可行性研究，2024年完成中試研究和測(cè)試，到2028年將試驗(yàn)工廠擴(kuò)大成示范工廠，并作為工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)施連續(xù)數(shù)月24 h運(yùn)轉(zhuǎn)，至2035年全面試產(chǎn)。這種氫基直接還原鐵-電爐熔分短流程已成為實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)近凈零碳排放爭(zhēng)相示范的“夢(mèng)工廠”模式。寶武集團(tuán)在湛江、河鋼集團(tuán)在宣化、鞍鋼集團(tuán)在鲅魚圈均布局開展這種短流程工藝示范項(xiàng)目的研發(fā)和建設(shè)。

圖9 瑞典HYBRIT項(xiàng)目與傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐流程對(duì)比[18]

相比國(guó)外低碳、氫冶金方面的研究規(guī)劃布局，中國(guó)氫冶金基礎(chǔ)研究雖然一直在持續(xù)，但由政府和企業(yè)牽頭的整體性規(guī)劃研究最近兩年才陸續(xù)展開，相關(guān)項(xiàng)目剛開始布局實(shí)施。2006年科技部批準(zhǔn)氫冶金規(guī)劃立項(xiàng)，但受制于氫氣成本和工藝未持續(xù)跟進(jìn)。直到近幾年，中國(guó)各大鋼企及院校開始陸續(xù)布局氫冶金技術(shù)項(xiàng)目(包括高爐富氫和氫基非高爐煉鐵工藝)(圖6、表3)，并將其列入2021年中國(guó)“雙碳”技術(shù)路線圖規(guī)劃中(圖1)。

表3 國(guó)內(nèi)氫冶金低碳冶煉項(xiàng)目

(1)高爐富氫冶煉技術(shù)開發(fā)

高爐富氫低碳冶煉的技術(shù)特征是“富氫還原”耦合“爐頂煤氣循環(huán)”。從高爐煉鐵的基本原理出發(fā)(圖10)，實(shí)現(xiàn)高爐富氫低碳冶煉的核心技術(shù)環(huán)節(jié)主要包括：富氫(或純氫)氣源供給、預(yù)熱調(diào)質(zhì)和噴吹；實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)富氫低碳冶煉過(guò)程順行高效的綜合調(diào)控；富氫冶煉下適應(yīng)性新?tīng)t料的應(yīng)用；爐頂煤氣循環(huán)噴吹；捕捉分離出的CO2的固化利用。要實(shí)現(xiàn)爐頂煤氣的循環(huán)噴吹，高爐排出的爐頂荒煤氣需要除塵、分離去除氧化產(chǎn)物組分CO2、H2O和惰性組分N2。要最大限度地減少CO2排放，需要對(duì)從煤氣中捕捉富集出來(lái)的CO2進(jìn)行規(guī)?；C合利用。

目前，國(guó)內(nèi)寶武集團(tuán)新疆八一廠(以下簡(jiǎn)稱八鋼)400 m3工業(yè)級(jí)富氫碳循環(huán)高爐(圖10)、上海大學(xué)-興國(guó)鑄業(yè)的40 m3半工業(yè)化試驗(yàn)高爐富氫的技術(shù)開發(fā)具有代表性。2020年7月15日，八鋼的400 m3工業(yè)級(jí)別試驗(yàn)高爐正式點(diǎn)火開爐，開啟了八鋼低碳冶金特色創(chuàng)新之路。第一階段工業(yè)試驗(yàn)，計(jì)劃3～4個(gè)月內(nèi)突破傳統(tǒng)高爐富氧極限，實(shí)現(xiàn)35%高富氧冶煉；第二階段引入脫除CO2，再用3～4個(gè)月打通煤氣循環(huán)工藝流程，實(shí)現(xiàn)50%超高富氧。完成氧氣高爐頂煤氣循環(huán)和全氧冶煉后，進(jìn)一步開展富氫冶金工業(yè)試驗(yàn)。2021年10月八鋼進(jìn)行了富氫碳循環(huán)高爐第三階段科研試驗(yàn)的工程建設(shè)，截至2022年3月，完成試驗(yàn)高爐土建基礎(chǔ)澆筑工作，進(jìn)入地面以上結(jié)構(gòu)施工階段。

圖10 高爐富氫低碳冶煉關(guān)鍵技術(shù)與工藝

2021年，上海大學(xué)與昌黎縣興國(guó)精密機(jī)件有限公司聯(lián)合建成我國(guó)富氫低碳高爐煉鐵領(lǐng)域首臺(tái)/套專業(yè)化、半工業(yè)規(guī)模的熱模擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可解剖打開式的40 m3試驗(yàn)爐為核心，具備供氫、富氫冶煉、爐頂煤氣循環(huán)噴吹和二氧化碳捕集分離等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、評(píng)估功能。目前，我國(guó)首次以純氫為噴吹氣源進(jìn)行高爐富氫冶煉技術(shù)開發(fā)的試驗(yàn)已成功完成，純氫氣噴吹量達(dá)1 800 m3/h、噸鐵250 m3?！耙詺浯肌币睙捲囼?yàn)達(dá)到降低焦比10%以上、減少CO2排放量10%以上和鐵產(chǎn)量增加13%以上，同時(shí)獲得鋼鐵生產(chǎn)中大規(guī)模安全使用氫氣的經(jīng)驗(yàn)。利用氮?dú)鈱?duì)試驗(yàn)爐進(jìn)行快速“冷凍”，并對(duì)“冷凍”后的試驗(yàn)高爐進(jìn)行解剖分析，進(jìn)一步解讀富氫對(duì)爐內(nèi)爐料結(jié)構(gòu)和性狀變化的作用規(guī)律，為構(gòu)建完整的富氫低碳冶金技術(shù)理論和工藝奠定基礎(chǔ)。

(2)氫基非高爐冶煉技術(shù)開發(fā)

中晉太行礦業(yè)有限公司2017年8月開工建設(shè)我國(guó)首套以重整焦?fàn)t煤氣為氣源的30萬(wàn)噸級(jí)富氫豎爐直接還原鐵工業(yè)化試驗(yàn)裝置，并于2019年10月調(diào)試投產(chǎn)。鋼鐵研究總院承擔(dān)的“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，開展氫基豎爐和電爐熔分短流程煉鋼工藝技術(shù)研究。2022年初寶武集團(tuán)在湛江百萬(wàn)噸級(jí)、河鋼集團(tuán)在張家口2座55.5萬(wàn)噸級(jí)的氫基豎爐直接還原鐵項(xiàng)目開工建設(shè)。2021年4月建龍集團(tuán)內(nèi)蒙古賽思普公司與北京科技大學(xué)等合作完成30萬(wàn)噸級(jí)氫基熔融還原的建設(shè)，并成功出鐵。2021年7月鞍鋼集團(tuán)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(中科院大化所)、中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所(中科院過(guò)程所)及上海大學(xué)在鲅魚圈布局研發(fā)光伏/風(fēng)電(綠電)-電解水制氫(綠氫)-全氫流化床直接還原技術(shù)。

4 發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵問(wèn)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。以氫代碳、氫冶金是清潔氫能在工業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用場(chǎng)景。厘清氫能制備和氫冶煉技術(shù)的發(fā)展瓶頸與節(jié)奏，確定氫能和鋼鐵冶煉產(chǎn)業(yè)合作共贏的可行性時(shí)間和技術(shù)路線圖，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展，為落實(shí)氫冶金對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐作用奠定基礎(chǔ)。

4.1 綠色經(jīng)濟(jì)化制氫

以氫代碳的富氫或全氫冶金，無(wú)論發(fā)展高爐還是非高爐路線，大規(guī)模經(jīng)濟(jì)化的氫源是基礎(chǔ)。中國(guó)“富煤缺油少氣”的能源稟賦，缺少充足天然氣和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的氫源，長(zhǎng)期以來(lái)一直是發(fā)展高爐富氫、氫基豎爐和熔融還原工藝的瓶頸，也是目前低碳化轉(zhuǎn)型過(guò)程中卡脖子的問(wèn)題。

2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)和國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)確定氫能清潔低碳發(fā)展原則，并提出發(fā)展目標(biāo)。到2025年，可再生能源制氫量達(dá)到10萬(wàn)～20萬(wàn)t/a，成為新增氫能消費(fèi)的重要組成部分，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系?！兑?guī)劃》要求結(jié)合資源稟賦特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)布局，因地制宜選擇制氫技術(shù)路線，著力構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫。這為氫冶金的氫源供給提供新的發(fā)展機(jī)遇。

2019年《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)測(cè)不同制氫方法產(chǎn)氫量的發(fā)展趨勢(shì)(圖11)[19]。目前，氫氣主要來(lái)源于化石燃料制氫(67%)和工業(yè)副產(chǎn)氫(30%)，電解水制氫僅占3%；到2030年，化石燃料制氫與工業(yè)副產(chǎn)氫占比分別降到60%和20%，電解水制氫占比增加到20%；到2050年，基于各種可再生能源產(chǎn)生的綠電電解水制氫占70%。不同的制氫方法和技術(shù)各具優(yōu)劣(表4)。氫可廣泛用水、化石燃料等含氫物質(zhì)制取，但全程無(wú)碳的技術(shù)路線有限?；覛溆梢越?fàn)t煤氣、氯堿尾氣為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制取，過(guò)程伴隨碳排放；藍(lán)氫由煤或天然氣等化石燃料制取，并將CO2副產(chǎn)品捕獲、利用和封存(CCUS)，可實(shí)現(xiàn)低碳排放生產(chǎn)；綠氫是通過(guò)使用再生能源(例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等)制造的氫氣，例如通過(guò)可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，生產(chǎn)綠氫的過(guò)程完全沒(méi)有碳排放。綠氫是氫能利用的理想形態(tài)，但受到目前技術(shù)及制造成本的限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要時(shí)間。

表4 制氫方法及各制氫技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)

圖11 中國(guó)氫能制備與供給的發(fā)展趨勢(shì)

近中期可以充分利用各類工業(yè)產(chǎn)氫，就近消納，降低工業(yè)副產(chǎn)氫供給成本。目前我國(guó)氫氣產(chǎn)量約為3 300萬(wàn)t/a，主要以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦?fàn)t煤氣、煉廠干氣及電烯干氣等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%。把副產(chǎn)氫應(yīng)用于氫冶金，逐漸改變傳統(tǒng)的煤氣燃燒加熱、發(fā)電等優(yōu)質(zhì)能源的價(jià)值錯(cuò)配利用模式。隨著可再生能源制氫示范規(guī)模的逐步擴(kuò)大，季節(jié)性儲(chǔ)能和電網(wǎng)調(diào)峰的發(fā)展，清潔低碳的氫能供給將會(huì)逐漸釋放巨大潛力。雖然我國(guó)可再生能源制氫體量不大，但發(fā)展態(tài)勢(shì)很積極，可再生能源裝機(jī)量全球第一。鋼鐵企業(yè)可利用廠房屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，鐵礦企業(yè)可充分利用尾礦庫(kù)建設(shè)風(fēng)光一體發(fā)電站。開展可再生能源制氫項(xiàng)目，有效推進(jìn)鋼鐵企業(yè)能源結(jié)構(gòu)逐步調(diào)整。遠(yuǎn)期的光伏、風(fēng)能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國(guó)鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。

4.2 安全規(guī)?；脷?/h3>

安全規(guī)?；脷湫枰鉀Q兩方面的問(wèn)題：

(1)冶金領(lǐng)域供氫模式與軟硬件設(shè)施

氫是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳化的重要載體。氫能的經(jīng)濟(jì)布局正在制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、分配和使用各方面展開，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈要求各個(gè)領(lǐng)域都有其支撐。由傳統(tǒng)的碳基能源轉(zhuǎn)換為清潔氫能源，鋼鐵企業(yè)環(huán)境下氫的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和向冶金反應(yīng)器噴吹利用模式，對(duì)應(yīng)的安全、溫度、壓力、流量等過(guò)程控制硬件和軟件設(shè)施、設(shè)計(jì)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等是基礎(chǔ)。

化工和交通領(lǐng)域用氫發(fā)展最快，基礎(chǔ)設(shè)施、安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)較完善。中國(guó)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》(圖12)，規(guī)劃了2016—2020年集中攻克大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)和氫的儲(chǔ)存運(yùn)輸，2020—2025年制氫技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)示范，以及解決氫儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題后試驗(yàn)示范，爭(zhēng)取在2030前實(shí)現(xiàn)制氫技術(shù)和氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用推廣[20]。冶金領(lǐng)域的供氫模式和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施可借鑒交通領(lǐng)域的供氫儲(chǔ)氫設(shè)備，也可以按三階段布局和發(fā)展：集中攻關(guān)、試驗(yàn)示范和應(yīng)用推廣。我國(guó)近些年出臺(tái)的《中國(guó)制造2025》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》和《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》等文件，均明確提及要重點(diǎn)研發(fā)氫能以及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)、示范和標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)和完善。

圖12 中國(guó)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016–2030年)》

(2)以氫代碳的冶煉反應(yīng)調(diào)控

高爐富氫低碳冶煉

高爐富氫噴吹方面的相關(guān)研究分3類：①直接利用現(xiàn)有設(shè)備從風(fēng)口噴入高爐(類似噴煤)，對(duì)高爐黑箱冶煉過(guò)程進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性嘗試，考察用氫對(duì)焦比、產(chǎn)量等指標(biāo)的宏觀影響；②實(shí)驗(yàn)室里針對(duì)高爐內(nèi)不同部位的局部模擬實(shí)驗(yàn)，如高爐上部的氣固間接還原、滴落帶等；③數(shù)值理論計(jì)算模擬。

富氫的焦?fàn)t煤氣(典型成分為56%～60%H2、23%～27%CH4、5%～8%CO、1.5%～3%CO2、2%～4%CmHn和0.3%～0.8%N2)用于高爐噴吹增加冶煉過(guò)程用氫量的研究最為廣泛。通過(guò)理論和建立數(shù)學(xué)模型，分析高爐噴吹焦?fàn)t煤氣對(duì)風(fēng)口區(qū)理論燃燒溫度、爐腹煤氣量、煤氣組成、回旋區(qū)形狀、爐缸區(qū)總熱量、還原、降焦、極限噴吹量、焦炭置換比等的影響，預(yù)測(cè)爐內(nèi)現(xiàn)象的變化規(guī)律[21-24]。儲(chǔ)滿生等[25]還利用分析模型定量描述了高爐冶煉過(guò)程能量轉(zhuǎn)換和利用效率。這些理論分析表明高爐噴吹富氫焦?fàn)t煤氣可降低焦比、增加產(chǎn)量及減少碳排放量，這與氫參與冶煉反應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)口理論燃燒溫度、煤氣量、還原氣氛、直接/間接還原、軟熔帶等高爐內(nèi)部物化過(guò)程變化密切相關(guān)。同時(shí)研究人員也發(fā)現(xiàn)噴吹焦?fàn)t煤氣導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度降低、熱量不均衡和還原氣利用率低等問(wèn)題，并從理論上提出鼓風(fēng)富氧、爐料熱裝、循環(huán)噴吹爐頂煤氣等可能的措施。

在理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)高爐塊狀帶、軟熔滴落帶的局部實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究也表明高爐噴吹富氫煤氣對(duì)爐料的低溫還原粉化、間接/直接還原、軟熔滴落、成渣過(guò)程和焦炭性能等均有明顯影響[26-29]。呂慶課題組[30-32]對(duì)高爐噴吹富氫煤造氣進(jìn)行了系統(tǒng)研究。高爐噴吹富氫煤氣一定程度上對(duì)改善透氣性、強(qiáng)化高爐冶煉、降低能耗有利，但同時(shí)增加氫用量又會(huì)加速焦炭氣化，降低焦炭氣孔率和強(qiáng)度，惡化透氣性[33]。這些針對(duì)高爐內(nèi)局部的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析，加深對(duì)高爐噴吹富氫氣體的認(rèn)識(shí)。

高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的實(shí)踐國(guó)外較多，中國(guó)冶金企業(yè)焦?fàn)t煤氣主要用于燃燒加熱和變壓吸附提氫保護(hù)氣，沒(méi)有余量用于高爐噴吹，只有少量簡(jiǎn)單試驗(yàn)。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)馬凱耶沃、法國(guó)索爾梅鋼廠開始高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的試驗(yàn)；后來(lái)美國(guó)MON VALLEY鋼鐵公司和奧鋼聯(lián)林茨廠也嘗試過(guò)高爐噴吹焦?fàn)t煤氣[34]。我國(guó)本鋼、鞍鋼、濟(jì)鋼、鞍鋼鲅魚圈廠區(qū)等也用焦?fàn)t煤氣進(jìn)行高爐噴吹試驗(yàn)[35-36]。這些實(shí)踐表明，噴吹富氫焦?fàn)t煤氣有利于降低焦比，爐況向好，提高產(chǎn)量，改善生鐵質(zhì)量。然而，2010年承鋼高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的3次工業(yè)試驗(yàn)效果都不理想，燃料比不降反升，鐵損也大幅升高[37]，其中的原因未見(jiàn)公開報(bào)道。高爐噴吹天然氣主要集中在天然氣豐富的國(guó)家，如蘇聯(lián)彼得洛夫斯基廠、北美的高爐、日本JFE京濱2號(hào)高爐、巴西等，噴吹天然氣有利于加速爐料還原，降低焦比，增產(chǎn)和減少CO2排放[38]。上述研究主要從資源綜合利用角度出發(fā)，嘗試開展高爐噴吹含氫氣體的實(shí)踐。

綜上可知，國(guó)外對(duì)含氫焦?fàn)t煤氣和天然氣參與高爐煉鐵進(jìn)行了一些生產(chǎn)實(shí)踐和基礎(chǔ)研究，公開報(bào)道也多是一些整體工藝結(jié)果，涉及關(guān)鍵技術(shù)理論的極少。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究大多處于數(shù)值理論分析和爐內(nèi)局部實(shí)驗(yàn)?zāi)M的探索階段，缺乏高爐實(shí)踐驗(yàn)證。高爐噴吹試驗(yàn)嘗試結(jié)果有好有壞，其中的原因未知。這些研究得到幾種富氫氣體參與高爐冶煉過(guò)程的一些特點(diǎn)，但在采用傳統(tǒng)煉鐵操作，如精料、高風(fēng)溫、富氧噴煤等，來(lái)降低碳消耗與碳排放達(dá)到極限的情況下，進(jìn)一步從用氫代替碳實(shí)現(xiàn)CO2最大量減排的角度，氫對(duì)高爐內(nèi)從上到下(喉、身、腰、腹、缸)連續(xù)冶煉過(guò)程整體影響規(guī)律是什么？保證高爐順行的最大用氫量是多少？如何對(duì)富氫低碳冶煉過(guò)程進(jìn)行調(diào)控？這些關(guān)鍵問(wèn)題還遠(yuǎn)沒(méi)有形成系統(tǒng)完整的認(rèn)識(shí)。

與CO相比，氫氣還原鐵氧化物反應(yīng)更快，換熱傳熱效果好，擴(kuò)散速率快，在還原動(dòng)力學(xué)方面更具有優(yōu)勢(shì)，改善了鐵礦石還原性能。但氫還原也存在一些問(wèn)題[21,39]：①氫還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需要額外補(bǔ)充熱量，爐子容易向涼或 “上冷下熱”，影響還原速率，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生懸料；②上部低溫區(qū)鐵礦石還原粉化增大；③礦焦體積比升高，熔損反應(yīng)變化，惡化透氣性；④吹入模式包括風(fēng)口吹入和爐身下部吹入，存在氣流分布的問(wèn)題；⑤氫氣一次利用率低。

為了保證爐內(nèi)良好的熱狀態(tài)，需要進(jìn)行熱補(bǔ)償，氫氣噴入反應(yīng)爐之前預(yù)熱到較高溫度是補(bǔ)熱的一個(gè)有效途徑。氫氣是易燃易爆的危險(xiǎn)氣體，富氫氣體或純氫加熱比空氣加熱困難很多。在高溫高壓下，氫氣容易與金屬發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫腐蝕等問(wèn)題。因此，保障富氫氣體或純氫加熱技術(shù)安全穩(wěn)定運(yùn)行是研究開發(fā)氫冶金技術(shù)的難點(diǎn)，包括富氫氣體或純氫加熱裝備、相關(guān)耐火材料、富氫氣體或純氫的高溫帶壓輸送等。

氫基非高爐工藝

氫基非高爐煉鐵工藝主要包括氫基直接還原(豎爐、流化床)和氫基熔融還原，以氫基豎爐直接還原為主，發(fā)展也更完善。

當(dāng)前沒(méi)有純氫基直接還原鐵系統(tǒng)運(yùn)行，但富氫基(CO+H2，H2含量55%～80%)直接還原鐵的技術(shù)比較成熟。典型的工藝包括以豎爐為還原反應(yīng)器的Midrex技術(shù)和HYL技術(shù)、以流化床為還原反應(yīng)器的FIOR(fine iron ore reduction)技術(shù)和FINMET技術(shù)。這些技術(shù)源于擁有豐富天然氣的南美地區(qū)，已有幾十年穩(wěn)定生產(chǎn)實(shí)踐。Midrex和HYL技術(shù)的單套系統(tǒng)產(chǎn)能每年達(dá)250萬(wàn)t DRI。FIOR技術(shù)開發(fā)于20世紀(jì)60年代，1976年在委內(nèi)瑞拉建成40萬(wàn)t/a的工業(yè)生產(chǎn)裝置且穩(wěn)定運(yùn)行了幾十年，后與奧鋼聯(lián)合開發(fā)每年100萬(wàn)t DRI的FINMET系統(tǒng)，2001年投入運(yùn)行。另外，F(xiàn)INEX熔融還原技術(shù)也以CO+H2混合氣為還原劑，采用多級(jí)流化床還原鐵礦粉，產(chǎn)能達(dá)200萬(wàn)t/a。

從富氫轉(zhuǎn)變?yōu)榧儦錃饣苯舆€原，最大的工程實(shí)踐難點(diǎn)在于反應(yīng)系統(tǒng)供熱與還原的匹配。富氫混合氣中CO還原鐵為放熱反應(yīng)，富氫基直接還原供熱需求低于純H2還原，尤其對(duì)于大型反應(yīng)器的供熱問(wèn)題更為突出。CO還原FeO為Fe的反應(yīng)為放熱，隨著溫度升高需要CO濃度升高，熱力學(xué)還原難度增加；爐頂壓力0.4 MPa條件下，每噸直接還原鐵需要消耗2 600 m3溫度為900 ℃的氫氣，才能滿足豎爐還原的熱量需求，而純氫流化床每噸直接還原鐵所需的入爐氫氣量則高達(dá)4 000 m3。氫氣還原速度與氫氣還原量并非線性正相關(guān)，氫氣還原能力受到反應(yīng)器內(nèi)部溫度場(chǎng)的制約，增加氫含量會(huì)加快還原進(jìn)程并達(dá)到還原速率的最大值，最大氫含量是該條件下的最佳比例。氫含量進(jìn)一步增加，氫還原鐵礦石吸熱效應(yīng)將使鐵礦石床層溫度降低，吸熱效應(yīng)逐漸占主導(dǎo)，還原速度會(huì)持續(xù)地明顯受阻。這是還原動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)。這時(shí)，要提高還原反應(yīng)速率，必須增加入爐高溫氫氣的流量，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。

美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)1980年出版的《直接還原鐵生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)》中的能量平衡表明，純氫氣豎爐和流化床直接還原流程能耗非常高(表5)，包括制氫噸鐵能耗高達(dá)7.08～11.55 Gcal，比現(xiàn)代豎爐高3～4倍。100%氫氣直接還原煉鐵可能在經(jīng)濟(jì)上不可行。由于純氫氣還原鐵礦過(guò)程大量吸熱，使豎爐散料層內(nèi)的溫度場(chǎng)急劇變涼，后續(xù)氫氣還原氧化鐵的反應(yīng)變慢。如要維持預(yù)定生產(chǎn)率，必須增加作為載熱體的入爐氫氣量。例如，爐頂壓力0.4 MPa，900 ℃入爐氫氣量至少要達(dá)到2 600 m3/t(DRI)以上，才能滿足豎爐還原熱量需求，純氫流化床入爐氫氣量高達(dá)4 000 m3/t(DRI)。與目前生產(chǎn)的豎爐相比，如果氫氣供應(yīng)量不變，純氫氣豎爐的DRI產(chǎn)量將減少1/3，豎爐生產(chǎn)率降低1/3，造成豎爐還原鐵產(chǎn)品的成本大幅度提高，使企業(yè)虧損。其他問(wèn)題包括氫源經(jīng)濟(jì)性、還原產(chǎn)物高活性、安全儲(chǔ)運(yùn)和政策等。

表5 純氫基直接還原工藝的能量平衡 Gcal

氫基豎爐-電爐熔分短流程中，豎爐對(duì)球團(tuán)礦的品位要求非常高(65%以上)，對(duì)鋼鐵爐料構(gòu)成比較大的挑戰(zhàn)。低品位爐料通過(guò)氫基豎爐直接還原后，再進(jìn)電爐進(jìn)行渣鐵熔分，渣量會(huì)非常大，傳統(tǒng)的電爐難以承受。是否可以通過(guò)特殊的電爐進(jìn)行渣鐵分離，形成鐵水與轉(zhuǎn)爐進(jìn)行連接，走傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐、連鑄、軋鋼的流程值得探討。

4.3 頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)(市場(chǎng)化的難點(diǎn)和對(duì)策)

對(duì)于高耗能、高碳排放的鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程低碳化需要投入大量資金用于采用清潔能源、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、更換升級(jí)生產(chǎn)設(shè)備等，每一項(xiàng)都會(huì)增加企業(yè)的成本。這是低碳技術(shù)推廣應(yīng)用存在的主要市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)和障礙。除具體的低碳技術(shù)基礎(chǔ)外，鋼鐵工業(yè)要實(shí)現(xiàn)低碳高質(zhì)量發(fā)展，還需要有多方面的外圍支撐：金融的支持，打造碳金融體系，促使更多金融資本參與；財(cái)稅政策優(yōu)惠；建設(shè)碳交易市場(chǎng)體系，以碳稅促進(jìn)發(fā)展；國(guó)際合作，包括碳邊境調(diào)節(jié)稅、低碳技術(shù)合作、國(guó)際產(chǎn)能合作和低碳標(biāo)準(zhǔn)銜接等。能源消耗高密集型的鋼鐵行業(yè)是制造業(yè)31個(gè)門類中碳排放大戶，是碳交易市場(chǎng)的主要目標(biāo)和核心參與者，需要納入監(jiān)控與交易體系。利用碳交易機(jī)制促使具有減排潛力和效率的高耗能鋼鐵企業(yè)加快采納低碳技術(shù)，提高低碳技術(shù)市場(chǎng)化程度，促進(jìn)低碳技術(shù)的推廣應(yīng)用。

“碳排放交易”將成為推動(dòng)低碳技術(shù)發(fā)展的有力杠桿。2017年12月全國(guó)碳排放交易體系正式啟動(dòng)，初期為30～40 元/t，2020年74 元/t，計(jì)劃2025年為108 元/t。2021年7月15日，寶武鋼鐵集團(tuán)聯(lián)合多個(gè)投資公司設(shè)立國(guó)內(nèi)最大的碳中和主體基金，總規(guī)模500億，首期100億。2021年7月16日上午9點(diǎn)30分，全國(guó)碳排放權(quán)交易在上海環(huán)境能源交易所正式啟動(dòng)，首筆全國(guó)碳交易：52.78 元/t，總成交16萬(wàn)t，交易額790萬(wàn)元。2021年啟動(dòng)碳交易市場(chǎng)100日，成交額累計(jì)達(dá)35億元。鋼鐵行業(yè)作為CO2排放大戶，是碳交易市場(chǎng)的主要目標(biāo)和核心參與者，政策性減排將“倒逼”鋼鐵企業(yè)發(fā)展低碳冶煉技術(shù)。

氫氣成本是制約氫冶金在鋼鐵冶煉生產(chǎn)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素，氫冶金經(jīng)濟(jì)性影響因素主要由被代替的碳成本、減少的碳排放稅、冶煉過(guò)程效率提高和氫氣成本構(gòu)成。氫冶金經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)氫冶金經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn)為零，即氫氣成本與被代替的碳的成本、減少的碳排放稅、冶煉過(guò)程效率提高持平或氫氣成本更低時(shí)，氫冶金煉鐵煉鋼與傳統(tǒng)碳冶金具有競(jìng)爭(zhēng)力，氫冶金才可能大規(guī)模推廣應(yīng)用。這里說(shuō)的氫氣成本包括制備、儲(chǔ)輸運(yùn)等環(huán)節(jié)。降低氫制備成本的同時(shí)，氫的大規(guī)模安全輸送和儲(chǔ)存技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施的布局和建設(shè)等環(huán)節(jié)的成本也是影響用氫經(jīng)濟(jì)性的重要組成部分。

5 結(jié)論

在應(yīng)對(duì)氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，氫能是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放占全國(guó)碳排放總量15%，是推動(dòng)碳減排的重要領(lǐng)域。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。以上梳理和追溯了氫冶金的發(fā)展歷程和存在的問(wèn)題。

(1)在傳統(tǒng)碳冶金基礎(chǔ)上，從以減少對(duì)焦炭和焦煤資源的依賴為初衷，發(fā)展到以降低碳排放、實(shí)現(xiàn)冶金過(guò)程凈零碳排放為目標(biāo)，鋼鐵生產(chǎn)逐漸形成了基于高爐煉鐵開展高爐噴吹富氫(或純氫)技術(shù)路線和基于現(xiàn)有氣基還原工藝的富氫(或純氫)還原技術(shù)兩條氫冶金發(fā)展主線。

(2)中國(guó)“富煤缺油少氣”的能源稟賦，沒(méi)有天然氣和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的氫源，長(zhǎng)期以來(lái)一直是限制發(fā)展氫冶金技術(shù)的瓶頸，也是目前低碳化轉(zhuǎn)型過(guò)程中卡脖子問(wèn)題。國(guó)外較為成熟的富氫冶金技術(shù)在我國(guó)沒(méi)有得到推廣，我國(guó)的氫冶金尚處于探索階段。發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵問(wèn)題是綠色經(jīng)濟(jì)化制氫和安全規(guī)?；脷?。

(3)2021年科技部的雙碳技術(shù)路線圖對(duì)我國(guó)氫冶金的發(fā)展定位和目標(biāo)形成了初步的規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)。2022年國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》確定氫能清潔低碳發(fā)展原則和發(fā)展目標(biāo)，建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系。這為氫冶金的氫源供給提供了新發(fā)展機(jī)遇。

(4)以氫代碳，由于CO還原鐵為放熱反應(yīng)，氫還原為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)系統(tǒng)供熱與還原的匹配問(wèn)題是高爐富氫和純氫基直接還原工程實(shí)踐中需要解決的難點(diǎn)。以“富氫還原”耦合“爐頂煤氣循環(huán)”為技術(shù)特征的高爐富氫低碳冶煉亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：富氫下高爐內(nèi)鐵氧化物氫、碳還原競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和適宜富氫量，原/燃料冶金性能的優(yōu)化，軟熔帶調(diào)控及極限焦比等。氫基直接還原裝備的國(guó)產(chǎn)化、大型化也是需要有序推進(jìn)、解決的問(wèn)題。