钢(gang)铁(tie)是能源(yuan)消耗(hao)总量(liang)高(gao)、碳(tan)排放(fang)量大(da)的行(xing)业，在(zai)严格(ge)的(de)资(zi)源(yuan)和环(huan)保碳排(pai)放政(zheng)策(ce)约(yue)束下，面临着(zhe)巨(ju)大(da)的(de)环保压力和(he)降(jiang)碳压力(li)。为降低(di)钢铁(tie)生产过程(cheng)中(zhong)的(de)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)排(pai)放(fang)，钢铁(tie)企(qi)业积极开展氢(qing)冶(ye)金(jin)技术路(lu)径(jing)研(yan)究，希望通(tong)过(guo)“以氢(qing)代(dai)碳(tan)”，实现(xian)绿(lv)色(se)低(di)碳发展(zhan)。截(jie)至目前(qian)，钢铁(tie)行(xing)业针(zhen)对氢冶金研究(jiu)初(chu)步(bu)形(xing)成(cheng)氢基竖(shu)炉(lu)直接还(hai)原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术(shu)、氢基流化(hua)床(chuang)直(zhi)接还原炼铁技术、高炉(lu)富氢冶炼技(ji)术(shu)和(he)富氢(qing)熔(rong)融(rong)还(hai)原炼铁(tie)技(ji)术(shu)等(deng)四大技(ji)术(shu)路径。

  氢冶金技(ji)术现状

  从国内(nei)外(wai)钢铁(tie)企业实践来(lai)看(kan)，采(cai)用氢(qing)基(ji)竖(shu)炉(lu)直接(jie)还原(yuan)炼(lian)铁(tie)技术的(de)项(xiang)目有瑞(rui)典(dian)HYBRIT项(xiang)目(mu)、安赛(sai)乐(le)米塔(ta)尔纯(chun)氢冶(ye)炼(lian)技术(shu)、德(de)国(guo)蒂(di)森克虏伯(bo)氢(qing)炼铁(tie)技术、日本COURSE50项(xiang)目，以及(ji)我(wo)国(guo)的中晋(jin)太行(xing)直接还原(yuan)铁项目(mu)、中国宝(bao)武湛(zhan)江(jiang)钢(gang)铁(tie)氢(qing)基(ji)竖(shu)炉项目和(he)河钢(gang)氢冶(ye)金(jin)项目。采用氢(qing)基流化床(chuang)直(zhi)接(jie)还原炼(lian)铁(tie)技术的有(you)鲁(lu)奇(qi)公司Circored流(liu)化床(chuang)直(zhi)接还(hai)原(yuan)项目(mu)和我(wo)国的鞍钢氢(qing)冶金项目，采(cai)用(yong)高炉富(fu)氢冶炼(lian)技术的(de)有德国(guo)蒂(di)森(sen)克(ke)虏伯(bo)、迪林根(gen)—萨(sa)尔钢两家企业(ye)，以(yi)及(ji)我(wo)国(guo)的晋南钢铁和中(zhong)国宝武宝(bao)钢(gang)股份，采用(yong)富氢熔(rong)融(rong)还(hai)原炼铁(tie)技术(shu)的有(you)建(jian)龙(long)集团(tuan)CISP富(fu)氢熔融还(hai)原(yuan)项目(mu)。从(cong)以(yi)上国(guo)内外企(qi)业的(de)氢(qing)冶(ye)金项(xiang)目所采(cai)用(yong)的(de)技术(shu)路径进行(xing)分(fen)析，氢(qing)冶金(jin)主流技(ji)术路(lu)径为高炉富(fu)氢(qing)冶(ye)炼(lian)和氢基竖(shu)炉直(zhi)接还(hai)原(yuan)炼(lian)铁(tie)技术(shu)，并且(qie)氢(qing)能(neng)来(lai)源(yuan)基(ji)本(ben)以焦炉(lu)煤气为(wei)主。

  氢(qing)冶(ye)金(jin)技术减碳(tan)潜力分析

  对(dui)行(xing)业(ye)内研究(jiu)较(jiao)多的氢(qing)基(ji)直(zhi)接还(hai)原(yuan)炼铁技术(shu)和高(gao)炉(lu)富氢(qing)冶炼技术减(jian)碳潜(qian)力进行分(fen)析。根据焦(jiao)炉(lu)煤气制直接还(hai)原铁、全绿(lv)电绿氢(qing)制(zhi)直接(jie)还(hai)原(yuan)铁和常(chang)规高炉(lu)炼铁(tie)3种工(gong)艺(yi)流程，分(fen)别(bie)选(xuan)择3种工艺(yi)流程(cheng)最(zui)接(jie)近(jin)实际情况(kuang)的(de)能源(yuan)资(zi)源(yuan)消耗(hao)进行(xing)分析(xi)，测(ce)算(suan)碳(tan)排放，得(de)到以下(xia)结果：“即(ji)全(quan)绿(lv)电(dian)绿氢制(zhi)直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)铁碳(tan)排(pai)放最低(di)，比(bi)常规(gui)高(gao)炉(lu)炼(lian)铁(tie)碳(tan)排(pai)放低约78%，即每吨铁(tie)可减(jian)排(pai)1.235吨二氧(yang)化碳；其(qi)次(ci)为焦炉(lu)煤气制直接还原铁(tie)，比(bi)常(chang)规(gui)高(gao)炉(lu)炼铁(tie)碳排放低约(yue)44%，即(ji)每吨铁(tie)可(ke)减排0.696吨二氧(yang)化碳(tan)。

  对于高(gao)炉富氢(qing)冶炼技术，在无炉顶(ding)气循(xun)环利(li)用条件下(xia)，高(gao)炉通过喷吹富(fu)氢(qing)还原(yuan)气实现碳减(jian)排的(de)潜(qian)力(li)受(shou)到限制(zhi)，一般认为(wei)高炉富(fu)氢还(hai)原的碳减排(pai)幅度能(neng)够(gou)达(da)到10%~20%。中国(guo)宝武开(kai)发(fa)的(de)富氢碳(tan)循(xun)环高(gao)炉(lu)技术，通过(guo)富(fu)氢(qing)、富(fu)氧(yang)以(yi)及炉(lu)顶(ding)煤气(qi)循(xun)环(huan)等(deng)措施，降碳(tan)目(mu)标(biao)为(wei)30%。

  氢冶(ye)金(jin)发展面临的(de)挑战(zhan)

  其一，高品位(wei)铁(tie)矿(kuang)资(zi)源匮(kui)乏。

  氢基(ji)直接还原要(yao)求铁(tie)精(jing)粉品位达到(dao)68%以(yi)上，脉(mai)石(shi)含(han)量低于4%，而我(wo)国铁(tie)矿石(shi)是以低(di)品(pin)位(wei)磁铁(tie)矿为主，高品位(wei)铁(tie)矿(kuang)资(zi)源(yuan)匮乏，难(nan)以(yi)支(zhi)撑我国(guo)大规(gui)模开(kai)展直接(jie)还原铁生(sheng)产(chan)。

  其(qi)二，氢(qing)能(neng)资(zi)源少、利用成本(ben)高(gao)。

  我(wo)国制氢(qing)规(gui)模(mo)虽(sui)然较大，但大部分(fen)均采(cai)用(yong)化石能源(yuan)制(zhi)氢，用(yong)于生产(chan)合成氨(an)、甲(jia)醇等产(chan)品(pin)，可(ke)用(yong)于氢(qing)冶(ye)金(jin)的氢(qing)能(neng)资(zi)源(yuan)较(jiao)少。钢(gang)铁(tie)企(qi)业只有(you)配(pei)套(tao)建设(she)焦化项目或(huo)周边地(di)区有(you)焦(jiao)化(hua)企业，才具(ju)有发展氢冶金的(de)基(ji)础。利用绿电(dian)—电解(jie)水(shui)制(zhi)氢工艺(yi)，氢(qing)气成本(ben)是(shi)焦(jiao)炉煤(mei)气制(zhi)氢和(he)天然(ran)气(qi)制氢的(de)2倍(bei)~3倍(bei)，用(yong)氢(qing)成(cheng)本(ben)较高(gao)，难以和(he)高(gao)炉(lu)—转炉(lu)长(zhang)流(liu)程在成(cheng)本上进(jin)行(xing)竞争。

  其(qi)三(san)，技(ji)术研(yan)发(fa)难(nan)点(dian)多(duo)。

  全(quan)氢直(zhi)接还(hai)原(yuan)炼铁技术(shu)是对(dui)现有(you)高(gao)炉—转炉(lu)工(gong)艺的革(ge)新，在技(ji)术研发(fa)上具(ju)有较多(duo)关键问题(ti)需要(yao)解(jie)决(jue)。一是(shi)氢还(hai)原为强(qiang)吸热反应(ying)，将(jiang)影(ying)响(xiang)到反(fan)应(ying)器(qi)内(nei)温(wen)度场分(fen)布，而(er)反应温度的(de)变(bian)化(hua)将(jiang)影响(xiang)氢(qing)气(qi)利用效(xiao)率。二是依照(zhao)现(xian)有(you)气(qi)基竖(shu)炉工(gong)艺或(huo)流化床工(gong)艺(yi)，氢(qing)还原反应(ying)器(qi)内(nei)热(re)量均依(yi)靠(kao)高温(wen)还原(yuan)气(qi)的物(wu)理热带入(ru)，解(jie)决热量不(bu)足问(wen)题(ti)将是(shi)未来(lai)研(yan)发(fa)重(zhong)点。三是通(tong)过(guo)提高(gao)还(hai)原气(qi)温(wen)度(du)和增(zeng)加(jia)还(hai)原(yuan)气流(liu)量来补(bu)充(chong)热量(liang)，将(jiang)影响到(dao)氢气(qi)在竖炉(lu)中(zhong)的流(liu)速(su)，进一(yi)步影响氢气还原率(lv)及利用效率，同时对气体(ti)加(jia)热(re)炉(lu)装(zhuang)备(bei)、反(fan)应器(qi)的(de)耐(nai)高温(wen)、耐高压(ya)、防泄漏(lou)、耐(nai)氢蚀(shi)性等带(dai)来巨(ju)大挑战。四是全(quan)氢还原无(wu)渗碳(tan)条件(jian)，不(bu)含(han)碳(tan)的(de)直接(jie)还原(yuan)铁熔点(dian)高(gao)、极(ji)易再氧(yang)化、自(zi)燃，难以(yi)安全储(chu)存和运输。

  其四(si)，可(ke)再生能源(yuan)制(zhi)绿氢(qing)与冶金(jin)流(liu)程(cheng)耦合难度大。

  冶金(jin)工业是(shi)一种流(liu)程(cheng)制(zhi)造(zao)系统，生产(chan)基(ji)地(di)由(you)多(duo)个不可(ke)拆(chai)分(fen)的化工(gong)、冶金反应(ying)器(qi)组(zu)成(cheng)，反(fan)应(ying)器(qi)内(nei)部高(gao)温(wen)、高(gao)压，伴(ban)有(you)连续(xu)进行的(de)多相物(wu)质相(xiang)互转(zhuan)化的化学(xue)反应，对(dui)系统(tong)的(de)可(ke)靠性要(yao)求很高(gao)，必须长(zhang)期(qi)连续(xu)稳(wen)定(ding)运(yun)行(xing)。而可再(zai)生能源(yuan)受制(zhi)于(yu)风(feng)或(huo)光(guang)等外部自(zi)然条件(jian)变化，波(bo)动(dong)性较(jiao)大(da)，如(ru)何(he)通过(guo)利用电网、储能、储氢(qing)等多种方式(shi)实现(xian)绿(lv)氢的稳定(ding)供应(ying)，是(shi)氢能(neng)与(yu)钢(gang)铁产(chan)业间相(xiang)互(hu)耦合要(yao)解决的(de)难题(ti)。

  发展(zhan)建议

  其(qi)一(yi)，氢(qing)冶金(jin)是(shi)钢(gang)铁(tie)工(gong)业(ye)远(yuan)期(qi)实现(xian)碳中和的(de)重要路(lu)径。国(guo)家和行(xing)业应(ying)加快(kuai)制(zhi)订钢(gang)铁行业氢(qing)能(neng)产(chan)业专项规(gui)划(hua)和(he)氢(qing)冶(ye)金(jin)发展规(gui)划，明(ming)确(que)氢冶金(jin)发(fa)展(zhan)思路(lu)、技(ji)术路线(xian)图(tu)及(ji)配(pei)套(tao)鼓(gu)励性(xing)政(zheng)策(ce)，支(zhi)持(chi)低碳冶金园(yuan)区(qu)、氢冶金(jin)示(shi)范项(xiang)目(mu)建(jian)设。

  其二(er)，充分发(fa)挥绿色(se)低(di)碳类(lei)投资(zi)基(ji)金(jin)和全(quan)球低(di)碳(tan)冶金创(chuang)新(xin)联(lian)盟(meng)作(zuo)用。集(ji)行(xing)业(ye)之力(li)开展氢冶金(jin)技(ji)术的研发(fa)与(yu)工(gong)程化(hua)示(shi)范(fan)，避免(mian)技术(shu)研发(fa)的(de)重复投入和资(zi)源浪费(fei)。加(jia)大高效、低(di)成(cheng)本选矿技术研(yan)发力度，突破(po)发(fa)展(zhan)直接还(hai)原炼铁(tie)的(de)原(yuan)料(liao)端环(huan)节(jie)限制(zhi)。

  其(qi)三(san)，以《氢能产(chan)业发展(zhan)中长期规划(hua)（2021年(nian)-2035年）》为(wei)引领(ling)，加强制(zhi)氢、储运(yun)技(ji)术研发和产(chan)业(ye)化(hua)，形成较(jiao)为(wei)完(wan)备(bei)的(de)氢(qing)能(neng)产业(ye)技(ji)术(shu)创(chuang)新(xin)体系(xi)、清(qing)洁能源(yuan)制氢及(ji)供(gong)应(ying)体系，支撑(cheng)氢能在冶(ye)金行(xing)业(ye)的应(ying)用。

  其(qi)四，钢铁(tie)企(qi)业开展(zhan)氢冶(ye)金示(shi)范(fan)项(xiang)目建设，应组织专(zhuan)业技(ji)术(shu)人员深入总结国(guo)内(nei)外氢(qing)冶金工(gong)程(cheng)示(shi)范(fan)经(jing)验，开展相(xiang)关技(ji)术(shu)装备(bei)调研、市(shi)场(chang)分(fen)析(xi)、技术(shu)经(jing)济(ji)性(xing)评估、氢(qing)能资(zi)源(yuan)评估等(deng)前(qian)期准备(bei)工(gong)作(zuo)，规(gui)避投(tou)资风险和技术(shu)风险(xian)。