钢铁(tie)是能(neng)源消(xiao)耗(hao)总(zong)量高、碳(tan)排放量大(da)的行业，在严格(ge)的(de)资源(yuan)和环保碳排(pai)放(fang)政(zheng)策(ce)约(yue)束(shu)下(xia)，面(mian)临着巨(ju)大的环(huan)保(bao)压力(li)和(he)降(jiang)碳压(ya)力。为降低(di)钢铁生产(chan)过(guo)程(cheng)中的二(er)氧化(hua)碳(tan)排放，钢铁(tie)企(qi)业(ye)积(ji)极开展(zhan)氢冶(ye)金技(ji)术(shu)路(lu)径(jing)研究，希(xi)望通过“以氢(qing)代碳”，实现(xian)绿(lv)色低(di)碳发展(zhan)。截(jie)至(zhi)目(mu)前，钢铁行业针(zhen)对氢(qing)冶(ye)金(jin)研(yan)究初(chu)步形(xing)成(cheng)氢基竖炉(lu)直(zhi)接还原炼(lian)铁(tie)技术、氢(qing)基流(liu)化床(chuang)直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技术、高炉(lu)富(fu)氢(qing)冶炼技术(shu)和(he)富(fu)氢熔(rong)融还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技(ji)术等四大(da)技(ji)术路径。

  氢冶(ye)金(jin)技(ji)术(shu)现状

  从国内外钢(gang)铁企业实(shi)践来(lai)看(kan)，采(cai)用(yong)氢基竖炉(lu)直接(jie)还原(yuan)炼(lian)铁(tie)技(ji)术(shu)的项(xiang)目(mu)有(you)瑞(rui)典(dian)HYBRIT项目、安赛乐米(mi)塔尔(er)纯(chun)氢(qing)冶炼(lian)技(ji)术、德(de)国蒂(di)森克虏伯氢(qing)炼(lian)铁技术、日本COURSE50项目，以(yi)及我(wo)国的(de)中(zhong)晋太(tai)行(xing)直(zhi)接还(hai)原(yuan)铁项(xiang)目、中(zhong)国宝武(wu)湛(zhan)江(jiang)钢(gang)铁氢基竖(shu)炉(lu)项(xiang)目(mu)和河钢氢冶金项(xiang)目。采用(yong)氢基流化床直接(jie)还原(yuan)炼铁技(ji)术的(de)有(you)鲁奇公(gong)司Circored流化(hua)床直(zhi)接(jie)还(hai)原项目(mu)和我(wo)国(guo)的(de)鞍(an)钢氢(qing)冶金(jin)项目(mu)，采(cai)用高(gao)炉(lu)富(fu)氢(qing)冶炼技(ji)术的(de)有(you)德国(guo)蒂森克虏(lu)伯、迪(di)林根—萨尔钢(gang)两家(jia)企业，以(yi)及我国的(de)晋南(nan)钢铁和中国宝武(wu)宝(bao)钢股(gu)份，采(cai)用富(fu)氢熔(rong)融还原炼铁技(ji)术的(de)有(you)建龙(long)集(ji)团(tuan)CISP富氢熔(rong)融还(hai)原(yuan)项目。从(cong)以(yi)上国(guo)内(nei)外(wai)企业(ye)的(de)氢冶金项目(mu)所采用(yong)的(de)技术路(lu)径(jing)进行分析(xi)，氢冶金(jin)主流(liu)技术(shu)路(lu)径为(wei)高(gao)炉富(fu)氢冶(ye)炼(lian)和氢基竖(shu)炉(lu)直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技(ji)术，并且(qie)氢能(neng)来源(yuan)基(ji)本(ben)以(yi)焦(jiao)炉煤(mei)气(qi)为(wei)主(zhu)。

  氢(qing)冶(ye)金(jin)技(ji)术减碳(tan)潜(qian)力(li)分(fen)析

  对行业(ye)内研(yan)究(jiu)较多(duo)的氢基(ji)直接(jie)还原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术和(he)高(gao)炉富(fu)氢冶炼(lian)技术(shu)减碳(tan)潜(qian)力进(jin)行分析(xi)。根据(ju)焦炉煤气(qi)制(zhi)直(zhi)接还原(yuan)铁(tie)、全(quan)绿电绿氢制直(zhi)接还原(yuan)铁(tie)和(he)常规高(gao)炉炼(lian)铁(tie)3种(zhong)工(gong)艺流(liu)程，分(fen)别(bie)选择(ze)3种工(gong)艺(yi)流程最接(jie)近实(shi)际情(qing)况的(de)能(neng)源资(zi)源(yuan)消耗进行(xing)分析，测(ce)算碳排(pai)放，得(de)到以下(xia)结果(guo)：“即(ji)全绿电绿氢(qing)制(zhi)直(zhi)接(jie)还原铁(tie)碳(tan)排放最(zui)低(di)，比常规高炉炼铁(tie)碳(tan)排放(fang)低(di)约(yue)78%，即(ji)每(mei)吨铁可减(jian)排(pai)1.235吨二(er)氧(yang)化碳；其次(ci)为焦炉(lu)煤气(qi)制(zhi)直接还原(yuan)铁，比常规(gui)高(gao)炉(lu)炼(lian)铁(tie)碳(tan)排(pai)放(fang)低(di)约(yue)44%，即(ji)每吨(dun)铁(tie)可(ke)减(jian)排0.696吨(dun)二(er)氧化(hua)碳(tan)。

  对(dui)于(yu)高炉(lu)富(fu)氢(qing)冶炼技术(shu)，在无(wu)炉顶气循环利(li)用(yong)条件下，高(gao)炉(lu)通(tong)过(guo)喷吹(chui)富氢(qing)还(hai)原气(qi)实(shi)现(xian)碳减(jian)排的潜力受(shou)到(dao)限制(zhi)，一(yi)般(ban)认(ren)为高(gao)炉富(fu)氢(qing)还原(yuan)的碳减排幅(fu)度(du)能够(gou)达到10%~20%。中国(guo)宝(bao)武(wu)开(kai)发的富(fu)氢碳循环高(gao)炉(lu)技(ji)术(shu)，通(tong)过(guo)富氢、富氧以(yi)及(ji)炉(lu)顶(ding)煤(mei)气循(xun)环(huan)等措施，降碳目(mu)标(biao)为(wei)30%。

  氢冶(ye)金(jin)发展(zhan)面(mian)临的挑战(zhan)

  其(qi)一(yi)，高(gao)品位(wei)铁矿(kuang)资源(yuan)匮乏。

  氢(qing)基(ji)直(zhi)接(jie)还原要求(qiu)铁精粉(fen)品(pin)位(wei)达到68%以(yi)上(shang)，脉(mai)石(shi)含量低(di)于4%，而(er)我(wo)国(guo)铁(tie)矿(kuang)石(shi)是(shi)以低(di)品(pin)位(wei)磁铁(tie)矿为(wei)主(zhu)，高(gao)品位(wei)铁(tie)矿(kuang)资源(yuan)匮乏，难以(yi)支(zhi)撑我国大(da)规模(mo)开(kai)展(zhan)直接(jie)还原(yuan)铁生(sheng)产(chan)。

  其二，氢能资源少、利(li)用(yong)成本高。

  我国制(zhi)氢规(gui)模虽然(ran)较(jiao)大，但(dan)大部分均采(cai)用(yong)化石能源(yuan)制(zhi)氢，用(yong)于(yu)生产(chan)合成(cheng)氨、甲(jia)醇等(deng)产(chan)品(pin)，可用(yong)于氢(qing)冶金的(de)氢(qing)能(neng)资(zi)源(yuan)较少(shao)。钢(gang)铁企(qi)业(ye)只有配套(tao)建设焦(jiao)化(hua)项(xiang)目(mu)或(huo)周边地(di)区(qu)有焦化企业，才(cai)具(ju)有发(fa)展(zhan)氢(qing)冶(ye)金(jin)的(de)基(ji)础。利用(yong)绿(lv)电(dian)—电(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氢工艺(yi)，氢气成本(ben)是(shi)焦(jiao)炉煤(mei)气(qi)制氢(qing)和(he)天(tian)然气(qi)制(zhi)氢的(de)2倍(bei)~3倍(bei)，用氢(qing)成本较(jiao)高，难以和(he)高炉—转(zhuan)炉(lu)长流程(cheng)在成(cheng)本上进行(xing)竞争。

  其(qi)三，技(ji)术研发(fa)难(nan)点多。

  全氢直(zhi)接(jie)还(hai)原炼(lian)铁技(ji)术(shu)是对现有高(gao)炉—转炉(lu)工艺的(de)革(ge)新，在技(ji)术(shu)研发上具(ju)有较多(duo)关(guan)键(jian)问(wen)题需要(yao)解决(jue)。一(yi)是(shi)氢还原(yuan)为(wei)强吸(xi)热反应(ying)，将(jiang)影响到反(fan)应(ying)器(qi)内(nei)温(wen)度(du)场(chang)分布，而(er)反(fan)应温度的(de)变化(hua)将(jiang)影(ying)响氢气(qi)利(li)用效(xiao)率(lv)。二是(shi)依(yi)照(zhao)现有气(qi)基竖(shu)炉工艺或流(liu)化床(chuang)工(gong)艺，氢(qing)还原反(fan)应(ying)器(qi)内(nei)热(re)量(liang)均(jun)依(yi)靠高温(wen)还原(yuan)气(qi)的物理热带(dai)入(ru)，解(jie)决热(re)量不足(zu)问题将(jiang)是未来(lai)研(yan)发重点(dian)。三(san)是通(tong)过提高(gao)还原(yuan)气温(wen)度(du)和(he)增(zeng)加还原(yuan)气流(liu)量来补充(chong)热(re)量，将影响到(dao)氢气(qi)在竖(shu)炉(lu)中的(de)流(liu)速(su)，进一步影(ying)响氢(qing)气还原(yuan)率及利用效率，同时对(dui)气体(ti)加(jia)热炉(lu)装备(bei)、反应器的耐(nai)高温、耐(nai)高(gao)压、防(fang)泄(xie)漏、耐氢蚀(shi)性等带来巨(ju)大(da)挑(tiao)战。四(si)是全(quan)氢还原无渗(shen)碳条(tiao)件，不含碳的直接还(hai)原(yuan)铁熔点高(gao)、极(ji)易再(zai)氧(yang)化、自燃(ran)，难(nan)以安全储存(cun)和运输(shu)。

  其(qi)四，可再(zai)生能源(yuan)制绿(lv)氢(qing)与冶(ye)金流(liu)程耦(ou)合难(nan)度(du)大。

  冶(ye)金(jin)工业(ye)是一(yi)种流程制(zhi)造系统(tong)，生(sheng)产(chan)基(ji)地由(you)多(duo)个不(bu)可拆(chai)分的化(hua)工、冶金反(fan)应器组(zu)成，反(fan)应器(qi)内部(bu)高温、高(gao)压(ya)，伴有连(lian)续(xu)进(jin)行(xing)的(de)多(duo)相(xiang)物质相(xiang)互(hu)转化的(de)化学反(fan)应，对系统(tong)的可靠(kao)性(xing)要(yao)求(qiu)很(hen)高，必须长(zhang)期(qi)连(lian)续稳定(ding)运(yun)行(xing)。而可再生(sheng)能源(yuan)受制(zhi)于(yu)风或光等(deng)外(wai)部自然条(tiao)件(jian)变(bian)化(hua)，波(bo)动性较(jiao)大，如何(he)通过(guo)利(li)用(yong)电网、储能(neng)、储氢等多(duo)种方式(shi)实现(xian)绿氢(qing)的稳(wen)定(ding)供应(ying)，是(shi)氢(qing)能(neng)与钢铁(tie)产(chan)业间相互(hu)耦合要(yao)解决(jue)的难题(ti)。

  发展(zhan)建议

  其一，氢冶金(jin)是(shi)钢铁(tie)工业远期(qi)实(shi)现碳中和的重(zhong)要路(lu)径(jing)。国(guo)家和(he)行(xing)业(ye)应(ying)加快制订钢(gang)铁(tie)行(xing)业氢能(neng)产业(ye)专(zhuan)项规(gui)划(hua)和(he)氢冶金(jin)发展(zhan)规划，明(ming)确氢冶(ye)金发展(zhan)思路(lu)、技(ji)术(shu)路(lu)线图及(ji)配套鼓励性(xing)政策，支(zhi)持(chi)低(di)碳冶(ye)金园区(qu)、氢(qing)冶(ye)金(jin)示(shi)范(fan)项(xiang)目建(jian)设(she)。

  其(qi)二，充(chong)分发(fa)挥(hui)绿(lv)色低(di)碳(tan)类投资基金和全(quan)球(qiu)低碳冶(ye)金(jin)创新联(lian)盟(meng)作(zuo)用(yong)。集行(xing)业之力(li)开展(zhan)氢(qing)冶金技术的研发与工程化(hua)示范(fan)，避免技术(shu)研发的重(zhong)复投(tou)入和资源(yuan)浪(lang)费。加(jia)大(da)高(gao)效、低成本选矿技(ji)术研(yan)发力(li)度(du)，突(tu)破发(fa)展直接还(hai)原(yuan)炼铁(tie)的原料端(duan)环节(jie)限制。

  其(qi)三，以《氢能产(chan)业发(fa)展中(zhong)长(zhang)期规(gui)划（2021年-2035年）》为(wei)引(yin)领(ling)，加强制氢、储运技术(shu)研(yan)发(fa)和产(chan)业(ye)化，形(xing)成(cheng)较为(wei)完(wan)备的(de)氢(qing)能产业(ye)技术(shu)创新(xin)体系(xi)、清(qing)洁(jie)能源制氢(qing)及供(gong)应体(ti)系(xi)，支撑氢(qing)能在冶(ye)金行(xing)业(ye)的(de)应(ying)用(yong)。

  其四，钢(gang)铁(tie)企(qi)业(ye)开展氢(qing)冶(ye)金(jin)示(shi)范项(xiang)目(mu)建设，应组(zu)织专业技术(shu)人员(yuan)深(shen)入总(zong)结国(guo)内(nei)外氢(qing)冶金工(gong)程(cheng)示范经(jing)验(yan)，开(kai)展(zhan)相关技术装(zhuang)备(bei)调(diao)研(yan)、市(shi)场分(fen)析、技(ji)术(shu)经(jing)济(ji)性评估(gu)、氢(qing)能(neng)资(zi)源(yuan)评(ping)估等前期准(zhun)备(bei)工作，规(gui)避投(tou)资风(feng)险和(he)技术(shu)风险(xian)。