钢(gang)铁(tie)是能源(yuan)消耗(hao)总(zong)量高(gao)、碳排放量大的(de)行业，在(zai)严格(ge)的(de)资(zi)源和(he)环保(bao)碳排(pai)放(fang)政(zheng)策(ce)约(yue)束下，面临(lin)着巨(ju)大(da)的环保(bao)压(ya)力(li)和降碳压(ya)力(li)。为降低(di)钢(gang)铁生产(chan)过程中(zhong)的(de)二氧(yang)化碳排放，钢(gang)铁(tie)企业积(ji)极(ji)开展氢(qing)冶金(jin)技术(shu)路(lu)径(jing)研究(jiu)，希(xi)望通过“以氢代(dai)碳”，实现(xian)绿(lv)色低(di)碳发展(zhan)。截(jie)至(zhi)目(mu)前，钢铁行(xing)业(ye)针对氢(qing)冶金(jin)研究初步(bu)形成氢(qing)基(ji)竖炉直接还原(yuan)炼(lian)铁(tie)技术、氢基(ji)流(liu)化床直接还(hai)原炼(lian)铁技(ji)术、高(gao)炉(lu)富氢(qing)冶(ye)炼技术和(he)富(fu)氢(qing)熔融(rong)还原炼铁技术等(deng)四(si)大技(ji)术(shu)路(lu)径。

  氢冶金(jin)技(ji)术现(xian)状(zhuang)

  从国(guo)内(nei)外(wai)钢(gang)铁企(qi)业(ye)实(shi)践(jian)来看(kan)，采用氢(qing)基(ji)竖炉直接还原炼(lian)铁技术(shu)的(de)项(xiang)目(mu)有瑞(rui)典(dian)HYBRIT项目(mu)、安(an)赛乐(le)米塔尔纯(chun)氢(qing)冶(ye)炼(lian)技(ji)术(shu)、德国蒂森(sen)克虏(lu)伯氢(qing)炼(lian)铁(tie)技术、日(ri)本(ben)COURSE50项(xiang)目(mu)，以及我(wo)国的中晋太(tai)行(xing)直接(jie)还原(yuan)铁项目(mu)、中国宝(bao)武(wu)湛江钢(gang)铁氢基(ji)竖(shu)炉项目和(he)河钢(gang)氢(qing)冶(ye)金项(xiang)目。采用氢(qing)基流(liu)化床直接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁技(ji)术(shu)的有鲁(lu)奇(qi)公司Circored流(liu)化(hua)床直接还(hai)原(yuan)项(xiang)目和我(wo)国(guo)的(de)鞍钢氢(qing)冶(ye)金项目(mu)，采用(yong)高炉富(fu)氢(qing)冶炼(lian)技术(shu)的(de)有德(de)国蒂(di)森(sen)克(ke)虏(lu)伯(bo)、迪林根—萨尔(er)钢(gang)两家企业，以及我(wo)国的(de)晋南钢(gang)铁(tie)和中国(guo)宝武宝(bao)钢股份(fen)，采用富氢(qing)熔(rong)融还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技(ji)术(shu)的(de)有建(jian)龙集团CISP富氢(qing)熔(rong)融(rong)还原项(xiang)目(mu)。从(cong)以(yi)上国(guo)内(nei)外企(qi)业(ye)的(de)氢冶金项(xiang)目(mu)所采(cai)用(yong)的(de)技术路径(jing)进(jin)行(xing)分(fen)析，氢(qing)冶(ye)金主(zhu)流技(ji)术(shu)路(lu)径为高炉(lu)富(fu)氢冶(ye)炼和氢(qing)基竖炉直(zhi)接(jie)还(hai)原炼铁(tie)技(ji)术(shu)，并且氢能来(lai)源(yuan)基本以(yi)焦炉煤(mei)气(qi)为(wei)主(zhu)。

  氢(qing)冶(ye)金(jin)技术减(jian)碳(tan)潜(qian)力(li)分析

  对(dui)行(xing)业内研究(jiu)较(jiao)多的(de)氢基(ji)直接还原炼铁技术和高(gao)炉(lu)富氢(qing)冶炼(lian)技(ji)术减(jian)碳(tan)潜力(li)进(jin)行(xing)分析。根据焦炉煤气制(zhi)直接(jie)还(hai)原(yuan)铁(tie)、全(quan)绿(lv)电(dian)绿氢(qing)制直接(jie)还原(yuan)铁(tie)和(he)常(chang)规高(gao)炉(lu)炼(lian)铁(tie)3种(zhong)工(gong)艺流程(cheng)，分别选(xuan)择3种(zhong)工艺流(liu)程(cheng)最(zui)接近实际(ji)情(qing)况的(de)能源(yuan)资(zi)源消耗(hao)进行分析(xi)，测算(suan)碳排(pai)放(fang)，得到(dao)以下结(jie)果(guo)：“即(ji)全(quan)绿电(dian)绿(lv)氢(qing)制直(zhi)接(jie)还(hai)原铁(tie)碳(tan)排(pai)放最低(di)，比(bi)常(chang)规高(gao)炉炼(lian)铁碳(tan)排放(fang)低约78%，即每吨铁可减排(pai)1.235吨二(er)氧(yang)化碳(tan)；其(qi)次为(wei)焦炉煤(mei)气制直(zhi)接还(hai)原(yuan)铁(tie)，比常规(gui)高炉炼(lian)铁(tie)碳(tan)排(pai)放低(di)约44%，即每吨(dun)铁可减(jian)排0.696吨(dun)二(er)氧化碳(tan)。

  对于(yu)高(gao)炉富(fu)氢(qing)冶(ye)炼技(ji)术(shu)，在无(wu)炉顶(ding)气循(xun)环(huan)利用条件(jian)下，高(gao)炉(lu)通(tong)过(guo)喷吹富(fu)氢还(hai)原(yuan)气实(shi)现(xian)碳(tan)减(jian)排(pai)的潜力(li)受到(dao)限(xian)制，一般认(ren)为(wei)高(gao)炉(lu)富(fu)氢(qing)还原(yuan)的碳(tan)减(jian)排(pai)幅度(du)能(neng)够达(da)到10%~20%。中国(guo)宝武开发(fa)的(de)富氢(qing)碳(tan)循(xun)环(huan)高炉(lu)技术(shu)，通过(guo)富氢、富(fu)氧(yang)以及(ji)炉(lu)顶(ding)煤(mei)气(qi)循环(huan)等(deng)措(cuo)施(shi)，降碳(tan)目标为(wei)30%。

  氢(qing)冶(ye)金发展面临(lin)的(de)挑(tiao)战

  其(qi)一，高品位(wei)铁矿资(zi)源匮乏。

  氢基(ji)直(zhi)接(jie)还(hai)原要求铁(tie)精粉品(pin)位达(da)到(dao)68%以(yi)上，脉(mai)石(shi)含量低(di)于4%，而(er)我(wo)国铁(tie)矿石是以低(di)品(pin)位(wei)磁(ci)铁矿(kuang)为主(zhu)，高品位铁(tie)矿(kuang)资源匮(kui)乏(fa)，难(nan)以(yi)支撑我国(guo)大规(gui)模(mo)开(kai)展(zhan)直接(jie)还原铁(tie)生产(chan)。

  其(qi)二(er)，氢能资源少、利用(yong)成本(ben)高。

  我(wo)国(guo)制氢(qing)规模(mo)虽然较(jiao)大，但(dan)大部(bu)分均采(cai)用(yong)化(hua)石能源制(zhi)氢，用于生(sheng)产合成氨、甲醇等产品(pin)，可用(yong)于(yu)氢(qing)冶(ye)金(jin)的氢(qing)能资源较(jiao)少。钢(gang)铁(tie)企(qi)业只有配(pei)套(tao)建(jian)设焦化(hua)项(xiang)目(mu)或(huo)周(zhou)边(bian)地(di)区(qu)有(you)焦(jiao)化企业，才具有(you)发展(zhan)氢(qing)冶(ye)金的(de)基(ji)础(chu)。利用绿电—电解(jie)水制氢(qing)工(gong)艺(yi)，氢气(qi)成本(ben)是(shi)焦炉煤气(qi)制(zhi)氢和天(tian)然(ran)气制(zhi)氢的2倍~3倍，用(yong)氢(qing)成本较(jiao)高，难(nan)以和(he)高炉(lu)—转炉长流程(cheng)在(zai)成本(ben)上(shang)进行(xing)竞争(zheng)。

  其(qi)三(san)，技(ji)术研发难(nan)点多(duo)。

  全(quan)氢(qing)直接还原炼(lian)铁(tie)技术是(shi)对(dui)现(xian)有高炉—转(zhuan)炉(lu)工(gong)艺的(de)革新(xin)，在技术(shu)研发(fa)上(shang)具(ju)有(you)较多(duo)关(guan)键问(wen)题(ti)需要解决。一是氢(qing)还(hai)原为(wei)强(qiang)吸热(re)反(fan)应，将影(ying)响到反应器内(nei)温度场(chang)分布(bu)，而(er)反应(ying)温(wen)度的变(bian)化(hua)将影响氢气利(li)用效(xiao)率。二(er)是依照(zhao)现(xian)有气基(ji)竖(shu)炉工(gong)艺或流化(hua)床工艺(yi)，氢还(hai)原(yuan)反(fan)应器(qi)内(nei)热(re)量均(jun)依(yi)靠(kao)高温(wen)还原(yuan)气(qi)的(de)物理热(re)带(dai)入，解决(jue)热(re)量不(bu)足问题将是(shi)未(wei)来(lai)研发(fa)重点。三是通过(guo)提(ti)高(gao)还原气温度(du)和增(zeng)加还原气流(liu)量来(lai)补充(chong)热量(liang)，将影(ying)响(xiang)到氢气在(zai)竖(shu)炉(lu)中(zhong)的流(liu)速，进一步(bu)影(ying)响氢气(qi)还原率(lv)及(ji)利(li)用效(xiao)率(lv)，同(tong)时对(dui)气(qi)体加热炉(lu)装(zhuang)备(bei)、反应(ying)器的(de)耐高温、耐高压、防(fang)泄(xie)漏(lou)、耐氢蚀性等带(dai)来(lai)巨大挑(tiao)战(zhan)。四(si)是(shi)全(quan)氢还(hai)原无(wu)渗碳条件(jian)，不含碳(tan)的(de)直接还原铁(tie)熔点(dian)高、极易(yi)再(zai)氧(yang)化、自(zi)燃(ran)，难以安全储(chu)存(cun)和(he)运(yun)输。

  其四(si)，可再生(sheng)能源(yuan)制绿氢(qing)与(yu)冶金流程耦合难度大(da)。

  冶金(jin)工业是(shi)一种流程制(zhi)造系(xi)统，生(sheng)产基地(di)由(you)多(duo)个不(bu)可拆分的化工、冶金反应(ying)器(qi)组成(cheng)，反(fan)应器内(nei)部(bu)高(gao)温、高压，伴有连续(xu)进行(xing)的(de)多相物(wu)质(zhi)相互(hu)转(zhuan)化(hua)的化学反(fan)应，对(dui)系统的(de)可(ke)靠性要(yao)求很(hen)高(gao)，必(bi)须长期连(lian)续(xu)稳(wen)定(ding)运(yun)行。而可(ke)再(zai)生能源受(shou)制于风(feng)或(huo)光等(deng)外部(bu)自(zi)然条(tiao)件(jian)变化(hua)，波(bo)动性(xing)较(jiao)大(da)，如(ru)何通过利(li)用电(dian)网、储能、储氢(qing)等多(duo)种(zhong)方(fang)式(shi)实(shi)现绿氢(qing)的稳(wen)定供应(ying)，是(shi)氢(qing)能与(yu)钢铁(tie)产业(ye)间(jian)相(xiang)互耦(ou)合(he)要(yao)解决的难(nan)题(ti)。

  发(fa)展(zhan)建(jian)议

  其一(yi)，氢冶金(jin)是钢铁(tie)工业(ye)远(yuan)期(qi)实(shi)现碳(tan)中和(he)的重要(yao)路径(jing)。国(guo)家和(he)行业应(ying)加(jia)快制(zhi)订钢铁(tie)行业(ye)氢能(neng)产业专(zhuan)项规划(hua)和(he)氢冶(ye)金(jin)发展规划，明(ming)确氢冶金发(fa)展思路(lu)、技(ji)术(shu)路线(xian)图及配(pei)套(tao)鼓(gu)励性政(zheng)策，支(zhi)持(chi)低(di)碳冶(ye)金(jin)园(yuan)区(qu)、氢冶金(jin)示(shi)范项目建(jian)设。

  其(qi)二(er)，充分发挥绿(lv)色低碳类(lei)投(tou)资(zi)基金和(he)全(quan)球(qiu)低(di)碳(tan)冶(ye)金(jin)创(chuang)新(xin)联盟作用(yong)。集行业(ye)之力(li)开(kai)展(zhan)氢冶金技(ji)术(shu)的研(yan)发与(yu)工程化(hua)示(shi)范(fan)，避免技术(shu)研(yan)发的重(zhong)复投(tou)入(ru)和(he)资(zi)源浪(lang)费(fei)。加(jia)大高效、低成(cheng)本选(xuan)矿(kuang)技(ji)术(shu)研(yan)发(fa)力度(du)，突破(po)发展(zhan)直(zhi)接(jie)还(hai)原炼铁的(de)原料(liao)端(duan)环(huan)节(jie)限制。

  其(qi)三(san)，以(yi)《氢能(neng)产(chan)业发展(zhan)中长期规划（2021年(nian)-2035年）》为引领，加强(qiang)制(zhi)氢(qing)、储(chu)运技术(shu)研(yan)发和产业化，形成较为(wei)完(wan)备(bei)的氢(qing)能(neng)产业技术(shu)创新(xin)体(ti)系(xi)、清洁(jie)能(neng)源(yuan)制(zhi)氢(qing)及(ji)供(gong)应(ying)体系(xi)，支(zhi)撑氢能在(zai)冶金行(xing)业的应(ying)用(yong)。

  其四(si)，钢铁企(qi)业开展(zhan)氢(qing)冶金示(shi)范(fan)项目(mu)建(jian)设(she)，应(ying)组织(zhi)专业(ye)技术人员(yuan)深(shen)入(ru)总(zong)结(jie)国(guo)内(nei)外氢冶(ye)金(jin)工(gong)程示范经(jing)验(yan)，开(kai)展(zhan)相(xiang)关技(ji)术(shu)装备调(diao)研(yan)、市场(chang)分析、技(ji)术经济(ji)性(xing)评(ping)估(gu)、氢能资源(yuan)评(ping)估(gu)等前(qian)期准(zhun)备工(gong)作，规避投资(zi)风(feng)险和技术风(feng)险。