钢铁是能源消耗(hao)总(zong)量(liang)高(gao)、碳(tan)排(pai)放(fang)量(liang)大的(de)行(xing)业，在严(yan)格的资(zi)源和(he)环(huan)保碳(tan)排放政策约(yue)束(shu)下，面(mian)临着巨(ju)大的(de)环(huan)保压(ya)力(li)和降碳压(ya)力(li)。为降(jiang)低(di)钢(gang)铁生(sheng)产(chan)过程(cheng)中(zhong)的(de)二(er)氧(yang)化碳排(pai)放，钢(gang)铁(tie)企(qi)业积(ji)极开(kai)展(zhan)氢(qing)冶金(jin)技术路(lu)径研究，希(xi)望通过(guo)“以(yi)氢代(dai)碳(tan)”，实现绿(lv)色(se)低(di)碳(tan)发展(zhan)。截至(zhi)目(mu)前，钢(gang)铁行(xing)业(ye)针(zhen)对(dui)氢(qing)冶金研(yan)究初(chu)步形(xing)成(cheng)氢(qing)基竖(shu)炉直(zhi)接(jie)还原炼铁(tie)技术(shu)、氢(qing)基流化(hua)床直接(jie)还原(yuan)炼铁技(ji)术(shu)、高(gao)炉富(fu)氢冶炼(lian)技(ji)术和富(fu)氢(qing)熔融还(hai)原炼(lian)铁(tie)技(ji)术(shu)等四(si)大(da)技术(shu)路径。

  氢(qing)冶金(jin)技(ji)术现(xian)状(zhuang)

  从(cong)国(guo)内外钢(gang)铁企业实践(jian)来看，采用(yong)氢(qing)基(ji)竖(shu)炉(lu)直接还(hai)原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术(shu)的(de)项(xiang)目(mu)有瑞(rui)典HYBRIT项目、安(an)赛(sai)乐(le)米塔尔(er)纯氢(qing)冶炼(lian)技术(shu)、德(de)国(guo)蒂(di)森(sen)克虏(lu)伯氢炼铁(tie)技(ji)术、日本(ben)COURSE50项(xiang)目，以及我(wo)国(guo)的中(zhong)晋太(tai)行(xing)直接还(hai)原铁(tie)项目(mu)、中国宝(bao)武湛江钢铁氢基(ji)竖炉项(xiang)目和河钢氢(qing)冶(ye)金项(xiang)目。采(cai)用(yong)氢(qing)基(ji)流(liu)化(hua)床(chuang)直接还(hai)原炼铁(tie)技(ji)术的(de)有(you)鲁(lu)奇(qi)公司(si)Circored流化床直(zhi)接还原(yuan)项目(mu)和(he)我国的(de)鞍钢(gang)氢(qing)冶金项(xiang)目(mu)，采用高(gao)炉富(fu)氢(qing)冶炼(lian)技术的有(you)德(de)国蒂森(sen)克(ke)虏伯(bo)、迪林根—萨(sa)尔(er)钢两家(jia)企业，以及我国的晋南钢(gang)铁(tie)和(he)中国(guo)宝(bao)武宝钢(gang)股份，采(cai)用富(fu)氢熔融还原炼铁(tie)技(ji)术的有(you)建龙(long)集(ji)团(tuan)CISP富氢(qing)熔(rong)融还(hai)原(yuan)项目。从以上国(guo)内外企业的(de)氢冶金(jin)项目所(suo)采(cai)用(yong)的(de)技术路径进行(xing)分析(xi)，氢冶(ye)金主流技(ji)术路(lu)径(jing)为(wei)高(gao)炉(lu)富(fu)氢(qing)冶(ye)炼和氢(qing)基(ji)竖炉(lu)直(zhi)接还原炼铁(tie)技术，并(bing)且氢(qing)能(neng)来(lai)源基(ji)本以焦(jiao)炉(lu)煤气(qi)为主(zhu)。

  氢(qing)冶(ye)金技(ji)术减碳潜(qian)力(li)分析(xi)

  对行业内(nei)研(yan)究较多的(de)氢基直接(jie)还原(yuan)炼铁(tie)技术(shu)和高炉富氢(qing)冶炼技术减碳潜力进(jin)行分(fen)析(xi)。根据焦(jiao)炉煤(mei)气(qi)制直接(jie)还(hai)原(yuan)铁(tie)、全绿(lv)电绿(lv)氢制(zhi)直接(jie)还(hai)原(yuan)铁(tie)和(he)常规(gui)高炉炼(lian)铁3种工(gong)艺流程，分别选择3种(zhong)工艺流(liu)程(cheng)最(zui)接近实际情况(kuang)的(de)能源资源消(xiao)耗(hao)进(jin)行分析，测算(suan)碳(tan)排(pai)放(fang)，得到以下(xia)结果(guo)：“即全(quan)绿电(dian)绿(lv)氢(qing)制(zhi)直接(jie)还(hai)原(yuan)铁碳排(pai)放(fang)最低，比常(chang)规高炉(lu)炼(lian)铁(tie)碳排(pai)放低约(yue)78%，即(ji)每(mei)吨(dun)铁可(ke)减(jian)排(pai)1.235吨二氧化(hua)碳(tan)；其(qi)次(ci)为焦(jiao)炉煤(mei)气制(zhi)直(zhi)接(jie)还原(yuan)铁，比常(chang)规高炉(lu)炼铁(tie)碳排(pai)放低约44%，即(ji)每吨(dun)铁可(ke)减(jian)排(pai)0.696吨(dun)二氧(yang)化碳。

  对于(yu)高炉富(fu)氢(qing)冶(ye)炼(lian)技(ji)术，在(zai)无炉(lu)顶(ding)气循(xun)环利用(yong)条(tiao)件(jian)下，高炉通过(guo)喷吹(chui)富(fu)氢还(hai)原(yuan)气实现(xian)碳(tan)减(jian)排的(de)潜力(li)受到(dao)限制(zhi)，一(yi)般(ban)认为(wei)高炉(lu)富氢(qing)还(hai)原的(de)碳减排(pai)幅(fu)度(du)能(neng)够达(da)到(dao)10%~20%。中(zhong)国(guo)宝武开(kai)发的(de)富(fu)氢碳循(xun)环(huan)高炉技术(shu)，通(tong)过(guo)富氢(qing)、富氧以(yi)及(ji)炉顶煤(mei)气循(xun)环(huan)等(deng)措施，降碳目标(biao)为30%。

  氢(qing)冶金(jin)发展(zhan)面临(lin)的挑战

  其(qi)一，高品(pin)位铁(tie)矿资源(yuan)匮乏。

  氢基(ji)直(zhi)接(jie)还原要(yao)求(qiu)铁(tie)精粉品(pin)位达到68%以(yi)上，脉石含量低(di)于(yu)4%，而我(wo)国铁(tie)矿(kuang)石是以低(di)品位磁铁(tie)矿(kuang)为(wei)主，高品(pin)位(wei)铁矿资源匮乏(fa)，难以支(zhi)撑(cheng)我国大规模开展(zhan)直接还原(yuan)铁生(sheng)产。

  其(qi)二，氢(qing)能资源(yuan)少、利用(yong)成(cheng)本(ben)高。

  我(wo)国制(zhi)氢规(gui)模(mo)虽然(ran)较大，但大部(bu)分均采(cai)用化(hua)石能源制(zhi)氢(qing)，用于(yu)生(sheng)产(chan)合(he)成(cheng)氨、甲醇等(deng)产(chan)品(pin)，可(ke)用于氢冶金(jin)的氢能(neng)资(zi)源(yuan)较少。钢铁(tie)企(qi)业只有配套(tao)建设焦(jiao)化(hua)项(xiang)目(mu)或(huo)周(zhou)边(bian)地区(qu)有(you)焦化(hua)企(qi)业，才具有发展氢冶(ye)金的基础。利用绿(lv)电(dian)—电解水制氢(qing)工(gong)艺(yi)，氢气成本(ben)是焦炉(lu)煤(mei)气(qi)制(zhi)氢和天(tian)然(ran)气制氢(qing)的2倍~3倍，用(yong)氢(qing)成(cheng)本(ben)较高(gao)，难以(yi)和高炉(lu)—转炉长(zhang)流程(cheng)在成本上(shang)进(jin)行(xing)竞(jing)争。

  其(qi)三，技(ji)术(shu)研发(fa)难(nan)点多。

  全(quan)氢(qing)直(zhi)接还原炼(lian)铁技(ji)术(shu)是对(dui)现(xian)有高炉—转炉工(gong)艺的(de)革新(xin)，在技术研发(fa)上(shang)具有较多(duo)关键(jian)问题(ti)需(xu)要(yao)解(jie)决(jue)。一(yi)是氢还原为强吸热反应(ying)，将(jiang)影响(xiang)到(dao)反应(ying)器内(nei)温度(du)场分(fen)布(bu)，而(er)反(fan)应(ying)温度(du)的(de)变(bian)化(hua)将影响(xiang)氢(qing)气(qi)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)。二(er)是依(yi)照(zhao)现有气基(ji)竖炉(lu)工艺(yi)或流化床(chuang)工(gong)艺(yi)，氢还(hai)原反应(ying)器(qi)内(nei)热(re)量均依(yi)靠高(gao)温(wen)还原气的物理(li)热(re)带(dai)入，解决热(re)量(liang)不(bu)足(zu)问题将(jiang)是(shi)未来(lai)研发重(zhong)点。三是通过提(ti)高还(hai)原气(qi)温度和增加(jia)还原气(qi)流(liu)量(liang)来补充热量(liang)，将(jiang)影(ying)响(xiang)到氢(qing)气在(zai)竖炉中(zhong)的(de)流(liu)速(su)，进(jin)一(yi)步影响氢(qing)气还(hai)原(yuan)率及(ji)利用(yong)效率(lv)，同(tong)时(shi)对(dui)气(qi)体加热炉装(zhuang)备、反应(ying)器的耐(nai)高温、耐(nai)高(gao)压(ya)、防(fang)泄(xie)漏、耐氢蚀(shi)性等带(dai)来巨大(da)挑(tiao)战。四是全(quan)氢还(hai)原无渗碳(tan)条件(jian)，不含碳(tan)的(de)直接(jie)还原铁熔点(dian)高、极(ji)易再氧化、自(zi)燃(ran)，难(nan)以安(an)全储(chu)存(cun)和(he)运(yun)输(shu)。

  其(qi)四，可再(zai)生(sheng)能源制(zhi)绿氢(qing)与冶(ye)金流(liu)程耦合难(nan)度(du)大。

  冶金(jin)工(gong)业是一种(zhong)流(liu)程(cheng)制造(zao)系统，生产基地由(you)多(duo)个(ge)不(bu)可(ke)拆分的化(hua)工(gong)、冶(ye)金(jin)反(fan)应器(qi)组成(cheng)，反应器内部高温(wen)、高压(ya)，伴(ban)有连续(xu)进(jin)行(xing)的多(duo)相(xiang)物质(zhi)相互转(zhuan)化的(de)化(hua)学反应(ying)，对系(xi)统(tong)的(de)可靠性要求(qiu)很高，必(bi)须长(zhang)期(qi)连(lian)续(xu)稳(wen)定运行(xing)。而(er)可(ke)再(zai)生(sheng)能源受制(zhi)于(yu)风(feng)或(huo)光(guang)等(deng)外(wai)部(bu)自(zi)然条(tiao)件(jian)变化，波动性较(jiao)大，如何(he)通过利用电(dian)网(wang)、储(chu)能、储氢等(deng)多(duo)种(zhong)方式实(shi)现(xian)绿氢的(de)稳定(ding)供应，是氢(qing)能(neng)与(yu)钢(gang)铁(tie)产(chan)业间相(xiang)互耦(ou)合(he)要(yao)解决(jue)的难题。

  发展(zhan)建(jian)议(yi)

  其(qi)一(yi)，氢(qing)冶(ye)金是(shi)钢铁(tie)工(gong)业远(yuan)期(qi)实(shi)现碳中(zhong)和的重(zhong)要路径。国家(jia)和(he)行业应加快制(zhi)订钢(gang)铁行(xing)业(ye)氢(qing)能(neng)产(chan)业(ye)专项规(gui)划(hua)和氢冶(ye)金发展规划(hua)，明(ming)确(que)氢冶金(jin)发(fa)展(zhan)思(si)路(lu)、技(ji)术路线图及(ji)配(pei)套(tao)鼓(gu)励性(xing)政策，支(zhi)持低(di)碳冶(ye)金园(yuan)区、氢(qing)冶金示(shi)范项(xiang)目建(jian)设。

  其二(er)，充(chong)分(fen)发(fa)挥(hui)绿(lv)色低碳类(lei)投资基(ji)金和全球低(di)碳冶金(jin)创新(xin)联盟(meng)作用。集(ji)行业之(zhi)力(li)开(kai)展氢(qing)冶金(jin)技术的研(yan)发(fa)与(yu)工程(cheng)化(hua)示范，避免技(ji)术研(yan)发(fa)的(de)重复(fu)投入和(he)资源浪(lang)费(fei)。加大(da)高(gao)效、低(di)成本(ben)选矿技术(shu)研发(fa)力(li)度，突破发展(zhan)直接(jie)还(hai)原炼铁的(de)原(yuan)料端(duan)环(huan)节限制(zhi)。

  其(qi)三(san)，以(yi)《氢能产业发(fa)展中(zhong)长期(qi)规(gui)划(hua)（2021年-2035年(nian)）》为(wei)引领(ling)，加强制氢(qing)、储(chu)运技术研(yan)发(fa)和产业化，形成(cheng)较(jiao)为(wei)完(wan)备的(de)氢(qing)能(neng)产(chan)业(ye)技(ji)术(shu)创新体系、清(qing)洁能(neng)源制(zhi)氢(qing)及供(gong)应体(ti)系，支(zhi)撑(cheng)氢能在(zai)冶(ye)金行业的(de)应(ying)用(yong)。

  其(qi)四(si)，钢(gang)铁(tie)企(qi)业(ye)开(kai)展氢(qing)冶金示(shi)范(fan)项目建(jian)设(she)，应组织专(zhuan)业技术(shu)人(ren)员(yuan)深入(ru)总(zong)结国(guo)内外(wai)氢(qing)冶(ye)金(jin)工程(cheng)示(shi)范经(jing)验(yan)，开(kai)展相(xiang)关(guan)技术装备(bei)调(diao)研、市场分析、技术经(jing)济性(xing)评估、氢(qing)能资(zi)源评估(gu)等(deng)前期准备工(gong)作，规(gui)避投(tou)资(zi)风险(xian)和技(ji)术(shu)风险(xian)。