氢冶金技术现状及面临的挑战

　　钢铁是能源消耗总量高、碳排放量大的行业，在严格的资源和环保碳排放政策约束下，面临着巨大的环保压力和降碳压力。为降低钢铁生产过程中的二氧化碳排放，钢铁企业积极开展氢冶金技术路径研究，希望通过“以氢代碳”，实现绿色低碳发展。截至目前，钢铁行业针对氢冶金研究初步形成氢基竖炉直接还原炼铁技术、氢基流化床直接还原炼铁技术、高炉富氢冶炼技术和富氢熔融还原炼铁技术等四大技术路径。

　　从国内外钢铁企业实践来看，采用氢基竖炉直接还原炼铁技术的项目有瑞典HYBRIT项目、安赛乐米塔尔纯氢冶炼技术、德国蒂森克虏伯氢炼铁技术、日本COURSE50项目，以及我国的中晋太行直接还原铁项目、中国宝武湛江钢铁氢基竖炉项目和河钢氢冶金项目。采用氢基流化床直接还原炼铁技术的有鲁奇公司Circored流化床直接还原项目和我国的鞍钢氢冶金项目，采用高炉富氢冶炼技术的有德国蒂森克虏伯、迪林根—萨尔钢两家企业，以及我国的晋南钢铁和中国宝武宝钢股份，采用富氢熔融还原炼铁技术的有建龙集团CISP富氢熔融还原项目。从以上国内外企业的氢冶金项目所采用的技术路径进行分析，氢冶金主流技术路径为高炉富氢冶炼和氢基竖炉直接还原炼铁技术，并且氢能来源基本以焦炉煤气为主。

　　对行业内研究较多的氢基直接还原炼铁技术和高炉富氢冶炼技术减碳潜力进行分析。根据焦炉煤气制直接还原铁、全绿电绿氢制直接还原铁和常规高炉炼铁3种工艺流程，分别选择3种工艺流程最接近实际情况的能源资源消耗进行分析，测算碳排放，得到以下结果：“即全绿电绿氢制直接还原铁碳排放最低，比常规高炉炼铁碳排放低约78%，即每吨铁可减排1.235吨二氧化碳；其次为焦炉煤气制直接还原铁，比常规高炉炼铁碳排放低约44%，即每吨铁可减排0.696吨二氧化碳。

　　对于高炉富氢冶炼技术，在无炉顶气循环利用条件下，高炉通过喷吹富氢还原气实现碳减排的潜力受到限制，一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度能够达到10%~20%。中国宝武开发的富氢碳循环高炉技术，通过富氢、富氧以及炉顶煤气循环等措施，降碳目标为30%。

　　氢基直接还原要求铁精粉品位达到68%以上，脉石含量低于4%，而我国铁矿石是以低品位磁铁矿为主，高品位铁矿资源匮乏，难以支撑我国大规模开展直接还原铁生产。

　　我国制氢规模虽然较大，但大部分均采用化石能源制氢，用于生产合成氨、甲醇等产品，可用于氢冶金的氢能资源较少。钢铁企业只有配套建设焦化项目或周边地区有焦化企业，才具有发展氢冶金的基础。利用绿电—电解水制氢工艺，氢气成本是焦炉煤气制氢和天然气制氢的2倍~3倍，用氢成本较高，难以和高炉—转炉长流程在成本上进行竞争。

　　全氢直接还原炼铁技术是对现有高炉—转炉工艺的革新，在技术研发上具有较多关键问题需要解决。一是氢还原为强吸热反应，将影响到反应器内温度场分布，而反应温度的变化将影响氢气利用效率。二是依照现有气基竖炉工艺或流化床工艺，氢还原反应器内热量均依靠高温还原气的物理热带入，解决热量不足问题将是未来研发重点。三是通过提高还原气温度和增加还原气流量来补充热量，将影响到氢气在竖炉中的流速，进一步影响氢气还原率及利用效率，同时对气体加热炉装备、反应器的耐高温、耐高压、防泄漏、耐氢蚀性等带来巨大挑战。四是全氢还原无渗碳条件，不含碳的直接还原铁熔点高、极易再氧化、自燃，难以安全储存和运输。

　　其四，可再生能源制绿氢与冶金流程耦合难度大。

　　冶金工业是一种流程制造系统，生产基地由多个不可拆分的化工、冶金反应器组成，反应器内部高温、高压，伴有连续进行的多相物质相互转化的化学反应，对系统的可靠性要求很高，必须长期连续稳定运行。而可再生能源受制于风或光等外部自然条件变化，波动性较大，如何通过利用电网、储能、储氢等多种方式实现绿氢的稳定供应，是氢能与钢铁产业间相互耦合要解决的难题。

　　其一，氢冶金是钢铁工业远期实现碳中和的重要路径。国家和行业应加快制订钢铁行业氢能产业专项规划和氢冶金发展规划，明确氢冶金发展思路、技术路线图及配套鼓励性政策，支持低碳冶金园区、氢冶金示范项目建设。

　　其二，充分发挥绿色低碳类投资基金和全球低碳冶金创新联盟作用。集行业之力开展氢冶金技术的研发与工程化示范，避免技术研发的重复投入和资源浪费。加大高效、低成本选矿技术研发力度，突破发展直接还原炼铁的原料端环节限制。

　　其三，以《氢能产业发展中长期规划（2021年-2035年）》为引领，加强制氢、储运技术研发和产业化，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，支撑氢能在冶金行业的应用。

　　其四，钢铁企业开展氢冶金示范项目建设，应组织专业技术人员深入总结国内外氢冶金工程示范经验，开展相关技术装备调研、市场分析、技术经济性评估、氢能资源评估等前期准备工作，规避投资风险和技术风险。（员晓 彭锋 李晓 白永强 张丽娜）