钢铁是(shi)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)总量(liang)高(gao)、碳(tan)排(pai)放(fang)量大(da)的(de)行业，在严(yan)格(ge)的(de)资源(yuan)和环保碳(tan)排放政(zheng)策约(yue)束下，面(mian)临着(zhe)巨(ju)大(da)的环保(bao)压力(li)和降碳(tan)压力(li)。为(wei)降(jiang)低(di)钢(gang)铁生产(chan)过程(cheng)中(zhong)的(de)二(er)氧化碳排放，钢铁(tie)企(qi)业积(ji)极(ji)开(kai)展(zhan)氢冶金(jin)技(ji)术路(lu)径研究，希望(wang)通过“以(yi)氢(qing)代(dai)碳”，实现(xian)绿(lv)色(se)低碳(tan)发(fa)展(zhan)。截(jie)至目前(qian)，钢(gang)铁(tie)行业(ye)针(zhen)对氢(qing)冶(ye)金(jin)研(yan)究初步(bu)形(xing)成氢基竖(shu)炉(lu)直接还原(yuan)炼铁技(ji)术(shu)、氢基(ji)流(liu)化(hua)床(chuang)直接还(hai)原炼铁(tie)技(ji)术、高(gao)炉富氢冶(ye)炼(lian)技术和(he)富(fu)氢熔融(rong)还(hai)原炼(lian)铁(tie)技术等四(si)大技(ji)术(shu)路径(jing)。

  氢(qing)冶(ye)金技术(shu)现(xian)状

  从国(guo)内外钢铁(tie)企业(ye)实(shi)践(jian)来看(kan)，采(cai)用(yong)氢(qing)基(ji)竖(shu)炉(lu)直接(jie)还(hai)原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术(shu)的(de)项目有瑞(rui)典(dian)HYBRIT项(xiang)目(mu)、安(an)赛(sai)乐米(mi)塔(ta)尔(er)纯氢冶炼(lian)技(ji)术、德国(guo)蒂森克虏伯(bo)氢炼铁技术(shu)、日(ri)本(ben)COURSE50项目，以(yi)及(ji)我国(guo)的中晋(jin)太(tai)行直(zhi)接(jie)还原(yuan)铁(tie)项目、中国(guo)宝(bao)武湛(zhan)江钢铁氢(qing)基竖(shu)炉项(xiang)目和河(he)钢(gang)氢(qing)冶金项(xiang)目。采(cai)用氢基(ji)流化(hua)床直接还(hai)原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术(shu)的有鲁(lu)奇(qi)公司(si)Circored流(liu)化(hua)床(chuang)直接(jie)还原(yuan)项目(mu)和我国的鞍钢氢冶(ye)金项目，采(cai)用高炉富(fu)氢冶(ye)炼(lian)技(ji)术的(de)有德(de)国蒂森克虏伯、迪(di)林根—萨尔(er)钢(gang)两家企(qi)业(ye)，以及我国的晋(jin)南(nan)钢(gang)铁和(he)中(zhong)国宝武(wu)宝(bao)钢(gang)股份(fen)，采(cai)用(yong)富(fu)氢熔(rong)融(rong)还原炼铁技术的(de)有(you)建(jian)龙(long)集(ji)团CISP富氢熔融(rong)还(hai)原(yuan)项目。从以(yi)上(shang)国内外企业(ye)的(de)氢冶(ye)金项目(mu)所采用(yong)的技(ji)术路(lu)径(jing)进(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，氢(qing)冶金主(zhu)流技术(shu)路径(jing)为高炉富氢冶(ye)炼(lian)和(he)氢基竖炉(lu)直接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技术，并(bing)且氢(qing)能(neng)来源基本以(yi)焦炉煤(mei)气为主(zhu)。

  氢冶(ye)金技术减碳潜力(li)分(fen)析

  对(dui)行业(ye)内研(yan)究(jiu)较多(duo)的(de)氢基(ji)直(zhi)接还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技(ji)术和高(gao)炉(lu)富氢冶炼(lian)技(ji)术(shu)减(jian)碳潜力(li)进(jin)行(xing)分析(xi)。根据(ju)焦炉(lu)煤(mei)气(qi)制(zhi)直(zhi)接(jie)还原铁、全绿(lv)电(dian)绿氢(qing)制直(zhi)接还原(yuan)铁和常(chang)规(gui)高(gao)炉炼(lian)铁3种工(gong)艺流程(cheng)，分别选择(ze)3种工艺流程(cheng)最(zui)接(jie)近(jin)实际情况的能(neng)源资源消(xiao)耗进行分析(xi)，测(ce)算(suan)碳排(pai)放，得到以(yi)下(xia)结(jie)果(guo)：“即(ji)全(quan)绿(lv)电(dian)绿氢(qing)制直接还(hai)原(yuan)铁(tie)碳排(pai)放(fang)最(zui)低(di)，比常规高(gao)炉(lu)炼铁(tie)碳排(pai)放低约78%，即(ji)每吨(dun)铁(tie)可(ke)减(jian)排1.235吨二氧化碳(tan)；其(qi)次为(wei)焦(jiao)炉煤(mei)气(qi)制直(zhi)接(jie)还原(yuan)铁，比(bi)常(chang)规(gui)高(gao)炉(lu)炼铁(tie)碳排放低约(yue)44%，即(ji)每(mei)吨(dun)铁可减排0.696吨二氧(yang)化碳(tan)。

  对于(yu)高(gao)炉(lu)富(fu)氢(qing)冶炼技(ji)术，在无(wu)炉(lu)顶气循环利(li)用条(tiao)件下，高(gao)炉通过喷吹(chui)富氢(qing)还(hai)原气(qi)实现碳减(jian)排的(de)潜(qian)力(li)受到限(xian)制，一般(ban)认(ren)为(wei)高炉富(fu)氢(qing)还(hai)原(yuan)的碳减排(pai)幅度能够达到(dao)10%~20%。中(zhong)国(guo)宝武开(kai)发(fa)的富(fu)氢(qing)碳循环高(gao)炉技(ji)术，通(tong)过(guo)富(fu)氢、富氧(yang)以及炉(lu)顶(ding)煤气(qi)循环(huan)等措施(shi)，降碳(tan)目(mu)标为(wei)30%。

  氢(qing)冶金发展面(mian)临(lin)的(de)挑战

  其(qi)一(yi)，高品(pin)位铁(tie)矿(kuang)资源(yuan)匮(kui)乏(fa)。

  氢(qing)基(ji)直(zhi)接还(hai)原要(yao)求铁精粉品位(wei)达(da)到68%以上(shang)，脉(mai)石(shi)含(han)量(liang)低于4%，而我国铁(tie)矿(kuang)石(shi)是(shi)以低(di)品(pin)位磁(ci)铁(tie)矿(kuang)为(wei)主(zhu)，高品(pin)位铁矿(kuang)资(zi)源(yuan)匮乏(fa)，难(nan)以(yi)支(zhi)撑我国(guo)大(da)规模(mo)开展(zhan)直(zhi)接还(hai)原(yuan)铁生(sheng)产(chan)。

  其二，氢能(neng)资(zi)源少(shao)、利用(yong)成本(ben)高(gao)。

  我(wo)国(guo)制氢(qing)规模(mo)虽然(ran)较(jiao)大(da)，但(dan)大(da)部分(fen)均采用(yong)化石能(neng)源(yuan)制(zhi)氢，用(yong)于生产合(he)成(cheng)氨、甲醇(chun)等(deng)产品(pin)，可用于(yu)氢冶(ye)金(jin)的(de)氢(qing)能资(zi)源(yuan)较少。钢铁(tie)企业(ye)只(zhi)有配(pei)套建(jian)设焦化(hua)项目(mu)或(huo)周(zhou)边(bian)地区(qu)有焦(jiao)化企业(ye)，才具有发展氢(qing)冶(ye)金的基础。利用绿(lv)电—电(dian)解(jie)水(shui)制氢(qing)工艺(yi)，氢气(qi)成本(ben)是焦(jiao)炉(lu)煤(mei)气制(zhi)氢(qing)和(he)天然气制氢(qing)的2倍(bei)~3倍(bei)，用氢(qing)成(cheng)本较(jiao)高(gao)，难(nan)以(yi)和高炉(lu)—转炉长(zhang)流程在成(cheng)本(ben)上(shang)进(jin)行竞争。

  其(qi)三(san)，技术研发难点(dian)多(duo)。

  全氢直接(jie)还原炼铁(tie)技(ji)术(shu)是对现(xian)有高炉—转(zhuan)炉工艺的革(ge)新，在技术研(yan)发上具有(you)较多关(guan)键(jian)问题需要(yao)解(jie)决。一(yi)是氢还(hai)原(yuan)为强吸(xi)热(re)反(fan)应(ying)，将影(ying)响(xiang)到(dao)反(fan)应器内(nei)温(wen)度(du)场(chang)分布，而反(fan)应(ying)温(wen)度(du)的(de)变化将影(ying)响氢(qing)气利用(yong)效(xiao)率(lv)。二(er)是(shi)依照(zhao)现有(you)气(qi)基(ji)竖(shu)炉(lu)工艺或(huo)流(liu)化(hua)床工(gong)艺，氢(qing)还原反应(ying)器(qi)内热(re)量(liang)均依靠高(gao)温还(hai)原气的(de)物(wu)理热带入，解(jie)决(jue)热(re)量(liang)不(bu)足问(wen)题将(jiang)是(shi)未来(lai)研(yan)发(fa)重点(dian)。三(san)是通过提高还原气温度和增(zeng)加还原气流(liu)量(liang)来补充(chong)热量，将影(ying)响到(dao)氢(qing)气(qi)在竖(shu)炉(lu)中(zhong)的流(liu)速，进一步影响氢(qing)气(qi)还(hai)原(yuan)率(lv)及(ji)利用(yong)效(xiao)率(lv)，同时对气体加热炉装备、反应(ying)器的(de)耐(nai)高(gao)温(wen)、耐高压、防(fang)泄漏、耐氢(qing)蚀性(xing)等带(dai)来巨(ju)大(da)挑战。四是(shi)全(quan)氢还(hai)原无渗(shen)碳条件(jian)，不(bu)含(han)碳(tan)的(de)直接还(hai)原(yuan)铁熔(rong)点高、极易(yi)再氧化、自燃，难以(yi)安全储存(cun)和(he)运(yun)输(shu)。

  其四(si)，可再生(sheng)能(neng)源(yuan)制(zhi)绿(lv)氢与(yu)冶金(jin)流程耦合难(nan)度(du)大(da)。

  冶(ye)金(jin)工业(ye)是(shi)一(yi)种(zhong)流程(cheng)制(zhi)造系(xi)统，生产基地(di)由多(duo)个(ge)不可拆(chai)分的(de)化(hua)工(gong)、冶(ye)金反应(ying)器组成(cheng)，反(fan)应器内(nei)部(bu)高(gao)温(wen)、高压(ya)，伴(ban)有连续进行的多(duo)相(xiang)物质(zhi)相互(hu)转化的(de)化学反应，对系统的可靠(kao)性要(yao)求很高，必须(xu)长期(qi)连(lian)续(xu)稳(wen)定(ding)运(yun)行(xing)。而可(ke)再生能源(yuan)受(shou)制于(yu)风或(huo)光等(deng)外部自(zi)然(ran)条(tiao)件变(bian)化(hua)，波(bo)动性(xing)较大(da)，如(ru)何(he)通过(guo)利用(yong)电(dian)网(wang)、储(chu)能(neng)、储(chu)氢等(deng)多(duo)种方式实(shi)现绿氢(qing)的稳定供应(ying)，是氢(qing)能与(yu)钢铁(tie)产业间(jian)相互(hu)耦(ou)合要解(jie)决的(de)难题。

  发展建议

  其(qi)一，氢(qing)冶金是钢(gang)铁工(gong)业(ye)远期(qi)实现(xian)碳中和(he)的(de)重要路径。国家和行业(ye)应(ying)加快制(zhi)订钢(gang)铁行(xing)业氢能产(chan)业专项(xiang)规划(hua)和(he)氢(qing)冶(ye)金发展(zhan)规(gui)划，明(ming)确氢(qing)冶(ye)金发展(zhan)思(si)路(lu)、技术路线图及配套鼓励性政(zheng)策，支持低(di)碳(tan)冶金园(yuan)区、氢(qing)冶(ye)金(jin)示(shi)范(fan)项(xiang)目建设(she)。

  其二，充分(fen)发挥绿(lv)色(se)低碳类投资(zi)基金(jin)和(he)全球低(di)碳冶金(jin)创新联盟作(zuo)用(yong)。集(ji)行业之(zhi)力(li)开(kai)展(zhan)氢(qing)冶(ye)金技术的研发与工程(cheng)化(hua)示范，避免技术(shu)研发的重复(fu)投入和资(zi)源(yuan)浪(lang)费。加(jia)大(da)高效(xiao)、低(di)成本(ben)选(xuan)矿(kuang)技(ji)术研(yan)发(fa)力(li)度，突(tu)破(po)发(fa)展(zhan)直接还(hai)原炼铁(tie)的(de)原(yuan)料(liao)端环节(jie)限(xian)制。

  其三，以《氢能产业发展中(zhong)长期(qi)规划(hua)（2021年-2035年）》为引领，加(jia)强(qiang)制(zhi)氢(qing)、储运(yun)技(ji)术(shu)研(yan)发(fa)和产业化，形(xing)成较为(wei)完(wan)备(bei)的氢(qing)能产业技术(shu)创(chuang)新(xin)体(ti)系(xi)、清(qing)洁(jie)能源制(zhi)氢(qing)及(ji)供(gong)应体(ti)系，支撑氢能(neng)在(zai)冶金(jin)行业(ye)的(de)应用。

  其(qi)四(si)，钢(gang)铁企业(ye)开(kai)展(zhan)氢(qing)冶金示范(fan)项目建(jian)设，应(ying)组(zu)织(zhi)专业(ye)技术人(ren)员(yuan)深(shen)入总结国内外氢(qing)冶金(jin)工(gong)程示范(fan)经验，开展相关技术(shu)装备调(diao)研(yan)、市场分(fen)析、技(ji)术经(jing)济性(xing)评估、氢能(neng)资源评(ping)估(gu)等前期(qi)准(zhun)备工作(zuo)，规(gui)避(bi)投(tou)资(zi)风(feng)险和(he)技(ji)术风险(xian)。