钢(gang)铁是能源(yuan)消(xiao)耗(hao)总量高(gao)、碳(tan)排放量(liang)大的行(xing)业(ye)，在(zai)严格(ge)的资源(yuan)和(he)环保(bao)碳(tan)排放政策约束(shu)下，面临着(zhe)巨大的(de)环保(bao)压(ya)力(li)和降碳压力(li)。为(wei)降(jiang)低钢(gang)铁生产过(guo)程中(zhong)的二(er)氧(yang)化碳排放(fang)，钢(gang)铁企业(ye)积极(ji)开(kai)展氢(qing)冶金技术路径研究(jiu)，希望通(tong)过“以氢(qing)代(dai)碳(tan)”，实现绿(lv)色(se)低碳(tan)发(fa)展。截至目前，钢铁(tie)行(xing)业(ye)针(zhen)对(dui)氢(qing)冶(ye)金研究初步形(xing)成氢(qing)基(ji)竖(shu)炉(lu)直(zhi)接还(hai)原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术(shu)、氢基(ji)流(liu)化(hua)床直接(jie)还原炼铁技(ji)术(shu)、高(gao)炉富氢冶炼(lian)技术(shu)和富(fu)氢(qing)熔融还(hai)原(yuan)炼(lian)铁(tie)技(ji)术等(deng)四大技术(shu)路(lu)径(jing)。

  氢冶(ye)金技(ji)术(shu)现状(zhuang)

  从(cong)国(guo)内(nei)外钢铁(tie)企(qi)业实(shi)践来(lai)看，采用(yong)氢(qing)基竖炉(lu)直接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁技(ji)术(shu)的(de)项目有瑞(rui)典HYBRIT项目(mu)、安赛(sai)乐米塔(ta)尔纯氢冶(ye)炼(lian)技(ji)术、德(de)国(guo)蒂森克(ke)虏(lu)伯氢炼(lian)铁技术(shu)、日(ri)本(ben)COURSE50项目(mu)，以及(ji)我(wo)国(guo)的中晋太行直(zhi)接(jie)还原(yuan)铁(tie)项目、中国(guo)宝(bao)武(wu)湛江钢(gang)铁(tie)氢(qing)基(ji)竖(shu)炉项目和河(he)钢氢冶金项(xiang)目。采(cai)用氢(qing)基流(liu)化(hua)床(chuang)直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技术(shu)的有(you)鲁奇(qi)公司Circored流化床直(zhi)接(jie)还(hai)原项目和(he)我国(guo)的(de)鞍钢氢冶(ye)金项目，采用高炉(lu)富氢(qing)冶炼(lian)技术的(de)有德(de)国蒂(di)森(sen)克虏(lu)伯、迪(di)林(lin)根(gen)—萨(sa)尔钢两(liang)家(jia)企业，以(yi)及我国的(de)晋南钢铁(tie)和中国(guo)宝武(wu)宝钢股(gu)份(fen)，采(cai)用(yong)富(fu)氢(qing)熔融(rong)还(hai)原炼铁技术(shu)的有建(jian)龙集(ji)团CISP富氢(qing)熔融还(hai)原项(xiang)目。从(cong)以上(shang)国内(nei)外企业(ye)的氢冶金(jin)项(xiang)目所采(cai)用的技术路(lu)径进行(xing)分(fen)析，氢冶(ye)金主(zhu)流(liu)技(ji)术(shu)路径为(wei)高炉(lu)富氢冶(ye)炼和氢基(ji)竖(shu)炉(lu)直(zhi)接还原炼铁(tie)技(ji)术，并(bing)且氢能(neng)来源(yuan)基(ji)本以焦炉煤气(qi)为主(zhu)。

  氢冶(ye)金技术(shu)减(jian)碳(tan)潜(qian)力分析

  对(dui)行业(ye)内研究较(jiao)多(duo)的氢(qing)基直(zhi)接还原(yuan)炼铁(tie)技(ji)术(shu)和(he)高炉(lu)富氢(qing)冶(ye)炼技(ji)术(shu)减(jian)碳(tan)潜(qian)力进(jin)行(xing)分析(xi)。根据(ju)焦(jiao)炉煤气(qi)制(zhi)直接还(hai)原铁(tie)、全(quan)绿电(dian)绿(lv)氢(qing)制直(zhi)接(jie)还原(yuan)铁和(he)常(chang)规(gui)高(gao)炉(lu)炼铁(tie)3种(zhong)工(gong)艺流程(cheng)，分(fen)别(bie)选择3种工(gong)艺流程最接(jie)近(jin)实际(ji)情况的能源资(zi)源(yuan)消(xiao)耗进行(xing)分(fen)析(xi)，测算碳(tan)排放(fang)，得到以(yi)下(xia)结(jie)果：“即全(quan)绿电绿(lv)氢制直(zhi)接还原铁碳(tan)排放最低，比常规(gui)高(gao)炉炼(lian)铁(tie)碳排(pai)放低(di)约(yue)78%，即(ji)每吨(dun)铁可减排1.235吨二氧(yang)化(hua)碳；其(qi)次为焦炉(lu)煤(mei)气制直接(jie)还原铁(tie)，比常规高(gao)炉(lu)炼铁碳(tan)排(pai)放(fang)低约44%，即(ji)每吨铁可减(jian)排0.696吨二(er)氧(yang)化碳(tan)。

  对(dui)于高(gao)炉(lu)富(fu)氢冶(ye)炼技(ji)术，在无(wu)炉顶气(qi)循(xun)环利(li)用条件(jian)下，高炉通过(guo)喷(pen)吹(chui)富(fu)氢(qing)还原气实(shi)现(xian)碳(tan)减排的潜(qian)力(li)受(shou)到限制，一般(ban)认为高(gao)炉(lu)富氢还(hai)原(yuan)的(de)碳减排幅(fu)度能(neng)够达(da)到(dao)10%~20%。中国(guo)宝武开发(fa)的富(fu)氢碳(tan)循环高炉(lu)技(ji)术，通过富(fu)氢(qing)、富氧以及(ji)炉(lu)顶煤气循(xun)环等措(cuo)施(shi)，降碳目(mu)标为(wei)30%。

  氢(qing)冶(ye)金(jin)发展面临的(de)挑战(zhan)

  其一，高(gao)品(pin)位铁(tie)矿资源匮(kui)乏。

  氢基(ji)直接还原(yuan)要求(qiu)铁(tie)精(jing)粉(fen)品(pin)位(wei)达(da)到(dao)68%以上(shang)，脉(mai)石含(han)量低于(yu)4%，而我(wo)国铁矿石是以(yi)低(di)品位磁(ci)铁矿为主(zhu)，高(gao)品位(wei)铁(tie)矿资源匮乏(fa)，难(nan)以(yi)支撑我(wo)国(guo)大规模(mo)开(kai)展(zhan)直接还原(yuan)铁(tie)生(sheng)产(chan)。

  其二(er)，氢能资源(yuan)少(shao)、利(li)用(yong)成本(ben)高。

  我国(guo)制氢(qing)规模虽然(ran)较(jiao)大，但大部(bu)分均(jun)采用化(hua)石能(neng)源(yuan)制氢，用于生(sheng)产合成(cheng)氨、甲醇(chun)等产品(pin)，可(ke)用(yong)于氢冶金的氢(qing)能(neng)资(zi)源较少(shao)。钢(gang)铁(tie)企业(ye)只有(you)配(pei)套(tao)建(jian)设焦化项(xiang)目(mu)或周边地(di)区(qu)有(you)焦化企业，才(cai)具(ju)有发(fa)展(zhan)氢(qing)冶(ye)金(jin)的(de)基础。利(li)用(yong)绿(lv)电—电解水(shui)制氢(qing)工(gong)艺，氢气(qi)成(cheng)本是(shi)焦炉煤气制(zhi)氢(qing)和(he)天然(ran)气制(zhi)氢(qing)的2倍(bei)~3倍，用(yong)氢成(cheng)本(ben)较高，难以(yi)和(he)高(gao)炉—转(zhuan)炉(lu)长流(liu)程(cheng)在(zai)成本上进行竞(jing)争(zheng)。

  其(qi)三(san)，技术研(yan)发难点(dian)多。

  全氢直(zhi)接还(hai)原(yuan)炼(lian)铁(tie)技术是(shi)对(dui)现有(you)高(gao)炉(lu)—转(zhuan)炉(lu)工(gong)艺(yi)的革新(xin)，在技(ji)术研(yan)发(fa)上具(ju)有(you)较多关键(jian)问(wen)题需要解决(jue)。一(yi)是(shi)氢还原为强吸热反(fan)应，将(jiang)影(ying)响(xiang)到(dao)反应器(qi)内(nei)温度(du)场分布，而(er)反(fan)应(ying)温度的变(bian)化(hua)将(jiang)影响(xiang)氢(qing)气(qi)利用(yong)效(xiao)率。二是依照(zhao)现有(you)气基(ji)竖(shu)炉(lu)工(gong)艺或(huo)流化床工艺，氢(qing)还(hai)原(yuan)反(fan)应器(qi)内(nei)热(re)量(liang)均依(yi)靠高温(wen)还(hai)原气(qi)的(de)物(wu)理热(re)带入，解决热(re)量不(bu)足(zu)问题(ti)将是未(wei)来研(yan)发(fa)重(zhong)点(dian)。三是(shi)通过提高还(hai)原(yuan)气(qi)温(wen)度和(he)增加还(hai)原(yuan)气流量(liang)来(lai)补充热(re)量，将(jiang)影(ying)响(xiang)到(dao)氢(qing)气在竖(shu)炉中(zhong)的(de)流速，进一(yi)步影(ying)响氢(qing)气(qi)还(hai)原率及利(li)用(yong)效率，同时对(dui)气体加(jia)热炉(lu)装(zhuang)备、反应(ying)器的耐(nai)高(gao)温(wen)、耐(nai)高(gao)压、防(fang)泄(xie)漏(lou)、耐(nai)氢(qing)蚀(shi)性等带来(lai)巨大(da)挑(tiao)战。四是全氢(qing)还原无渗(shen)碳(tan)条(tiao)件，不(bu)含碳(tan)的(de)直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)铁(tie)熔(rong)点(dian)高、极(ji)易(yi)再氧化、自燃，难(nan)以安全(quan)储(chu)存(cun)和运输(shu)。

  其四，可再(zai)生能源制绿氢与冶(ye)金流程耦合(he)难(nan)度(du)大。

  冶金(jin)工业(ye)是一(yi)种(zhong)流程制造(zao)系统(tong)，生(sheng)产(chan)基(ji)地由多(duo)个不可拆(chai)分(fen)的化工(gong)、冶(ye)金(jin)反(fan)应器(qi)组(zu)成，反应器(qi)内(nei)部(bu)高温(wen)、高(gao)压(ya)，伴(ban)有(you)连续进(jin)行的多相(xiang)物质相互转化(hua)的化学(xue)反应(ying)，对系(xi)统(tong)的可(ke)靠性(xing)要求很高，必(bi)须长期连(lian)续(xu)稳(wen)定运(yun)行(xing)。而可再生(sheng)能源受制于(yu)风(feng)或光等外部(bu)自(zi)然条(tiao)件(jian)变化，波动性较(jiao)大(da)，如何通过利(li)用电网(wang)、储能(neng)、储(chu)氢(qing)等多(duo)种(zhong)方式(shi)实(shi)现绿(lv)氢的稳定(ding)供(gong)应，是氢能(neng)与(yu)钢铁(tie)产业间相互(hu)耦(ou)合(he)要(yao)解(jie)决的难(nan)题(ti)。

  发(fa)展(zhan)建(jian)议

  其一(yi)，氢冶(ye)金是钢铁(tie)工(gong)业远期实现(xian)碳(tan)中和的(de)重要(yao)路径。国家和行业(ye)应加快制订钢铁(tie)行业(ye)氢能(neng)产业专项规(gui)划(hua)和(he)氢冶(ye)金(jin)发(fa)展(zhan)规(gui)划，明(ming)确(que)氢冶金(jin)发(fa)展(zhan)思(si)路(lu)、技术路线图(tu)及(ji)配(pei)套鼓励性(xing)政策，支持低碳(tan)冶(ye)金园区、氢冶金示(shi)范项(xiang)目建设(she)。

  其(qi)二，充(chong)分(fen)发挥(hui)绿色低碳(tan)类投资基(ji)金(jin)和(he)全球低(di)碳冶金创(chuang)新(xin)联(lian)盟(meng)作用。集行(xing)业(ye)之力(li)开展(zhan)氢(qing)冶(ye)金技术的(de)研发(fa)与工(gong)程化(hua)示(shi)范(fan)，避免技术(shu)研发(fa)的重(zhong)复(fu)投入(ru)和(he)资源(yuan)浪费。加大高(gao)效、低(di)成(cheng)本(ben)选(xuan)矿(kuang)技(ji)术(shu)研发(fa)力度，突破(po)发展直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁(tie)的(de)原料(liao)端环节限(xian)制(zhi)。

  其三，以(yi)《氢(qing)能(neng)产(chan)业发(fa)展中(zhong)长(zhang)期规(gui)划（2021年-2035年）》为(wei)引领，加(jia)强制(zhi)氢、储(chu)运(yun)技(ji)术(shu)研发和(he)产业化(hua)，形(xing)成较(jiao)为(wei)完备(bei)的(de)氢(qing)能产业技术(shu)创新体(ti)系(xi)、清(qing)洁(jie)能(neng)源制(zhi)氢及(ji)供应体系，支撑氢(qing)能在(zai)冶金行(xing)业(ye)的应(ying)用。

  其四(si)，钢铁企(qi)业(ye)开展(zhan)氢冶金示范(fan)项(xiang)目(mu)建(jian)设，应组(zu)织专(zhuan)业技术(shu)人员(yuan)深入总(zong)结国内外(wai)氢冶金(jin)工(gong)程示范(fan)经(jing)验(yan)，开(kai)展相(xiang)关(guan)技术装(zhuang)备(bei)调(diao)研(yan)、市(shi)场(chang)分析(xi)、技术(shu)经(jing)济(ji)性评估(gu)、氢(qing)能(neng)资源(yuan)评(ping)估等(deng)前期准备工(gong)作(zuo)，规避(bi)投(tou)资风险和技(ji)术(shu)风险。