钢铁是(shi)能源(yuan)消(xiao)耗(hao)总量(liang)高、碳(tan)排(pai)放量(liang)大(da)的(de)行(xing)业，在严格的(de)资(zi)源和环保碳排放政策约(yue)束(shu)下(xia)，面临(lin)着(zhe)巨(ju)大的环保压(ya)力(li)和降(jiang)碳压力。为降低(di)钢铁生产(chan)过(guo)程中(zhong)的(de)二(er)氧(yang)化碳排(pai)放(fang)，钢(gang)铁企(qi)业积极(ji)开展(zhan)氢(qing)冶(ye)金技术路(lu)径(jing)研究(jiu)，希(xi)望(wang)通过“以氢(qing)代(dai)碳”，实(shi)现(xian)绿(lv)色低(di)碳(tan)发展。截至目(mu)前(qian)，钢铁行(xing)业(ye)针(zhen)对氢(qing)冶(ye)金(jin)研(yan)究初步(bu)形成氢(qing)基竖炉直接还(hai)原炼铁技术、氢基(ji)流化(hua)床(chuang)直接(jie)还(hai)原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术、高(gao)炉富(fu)氢(qing)冶(ye)炼技术(shu)和(he)富氢(qing)熔融还(hai)原(yuan)炼铁技(ji)术(shu)等(deng)四大(da)技术路径(jing)。

  氢冶金(jin)技(ji)术(shu)现状

  从(cong)国内(nei)外钢铁(tie)企(qi)业实(shi)践(jian)来看，采用氢(qing)基竖(shu)炉直(zhi)接还原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术(shu)的项(xiang)目有瑞典(dian)HYBRIT项(xiang)目(mu)、安赛乐米(mi)塔尔(er)纯氢冶(ye)炼技术(shu)、德国(guo)蒂(di)森克虏伯氢炼铁技术、日(ri)本(ben)COURSE50项(xiang)目(mu)，以及(ji)我(wo)国的(de)中晋太行(xing)直接(jie)还(hai)原铁项目、中(zhong)国宝(bao)武(wu)湛江(jiang)钢(gang)铁氢(qing)基竖炉(lu)项目和(he)河钢(gang)氢冶金(jin)项(xiang)目。采用氢(qing)基流化床(chuang)直(zhi)接还原炼铁技术(shu)的(de)有(you)鲁奇公司(si)Circored流化(hua)床直接(jie)还(hai)原项(xiang)目和(he)我国的(de)鞍(an)钢(gang)氢冶金(jin)项目(mu)，采用(yong)高(gao)炉(lu)富(fu)氢冶炼(lian)技术(shu)的有(you)德国(guo)蒂(di)森克虏(lu)伯、迪林根—萨(sa)尔钢两家(jia)企(qi)业(ye)，以(yi)及(ji)我国(guo)的晋(jin)南钢铁(tie)和(he)中(zhong)国(guo)宝武宝钢(gang)股(gu)份(fen)，采用(yong)富氢(qing)熔(rong)融还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技术(shu)的(de)有建龙(long)集(ji)团CISP富氢(qing)熔(rong)融还(hai)原项(xiang)目。从(cong)以上国(guo)内外(wai)企(qi)业(ye)的(de)氢(qing)冶金(jin)项(xiang)目所采(cai)用(yong)的技(ji)术(shu)路径进行(xing)分析，氢冶(ye)金(jin)主(zhu)流技术路径为(wei)高炉富氢冶(ye)炼(lian)和(he)氢(qing)基(ji)竖炉(lu)直接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技术(shu)，并(bing)且氢能(neng)来源基(ji)本以焦(jiao)炉煤(mei)气为主。

  氢(qing)冶(ye)金技(ji)术(shu)减(jian)碳潜力(li)分(fen)析

  对(dui)行业(ye)内(nei)研究(jiu)较多的氢(qing)基(ji)直接(jie)还原炼(lian)铁技术(shu)和高炉富(fu)氢冶炼(lian)技(ji)术减(jian)碳(tan)潜力进行(xing)分(fen)析(xi)。根(gen)据焦(jiao)炉煤气(qi)制直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)铁(tie)、全(quan)绿电绿氢(qing)制直(zhi)接(jie)还原铁(tie)和(he)常(chang)规(gui)高炉炼铁3种(zhong)工(gong)艺(yi)流程，分(fen)别选(xuan)择3种工(gong)艺流(liu)程(cheng)最接(jie)近(jin)实际(ji)情(qing)况的(de)能(neng)源(yuan)资源消耗进(jin)行分析，测(ce)算碳排放(fang)，得(de)到以下结(jie)果(guo)：“即(ji)全(quan)绿(lv)电绿氢制(zhi)直(zhi)接还(hai)原(yuan)铁(tie)碳(tan)排放最(zui)低，比常(chang)规高炉炼(lian)铁碳排放(fang)低(di)约(yue)78%，即(ji)每(mei)吨铁(tie)可减(jian)排1.235吨(dun)二氧(yang)化(hua)碳(tan)；其(qi)次(ci)为(wei)焦(jiao)炉(lu)煤气(qi)制直接还原铁(tie)，比(bi)常规(gui)高(gao)炉炼铁(tie)碳排(pai)放(fang)低(di)约44%，即(ji)每(mei)吨(dun)铁可(ke)减(jian)排(pai)0.696吨二(er)氧(yang)化碳(tan)。

  对(dui)于(yu)高炉(lu)富(fu)氢冶炼(lian)技(ji)术(shu)，在无(wu)炉(lu)顶气循环(huan)利(li)用条件下(xia)，高炉(lu)通(tong)过喷吹(chui)富(fu)氢(qing)还原(yuan)气实现(xian)碳减(jian)排(pai)的潜力(li)受到(dao)限制(zhi)，一般(ban)认为高(gao)炉(lu)富氢还(hai)原的碳减排幅(fu)度(du)能(neng)够达到(dao)10%~20%。中国(guo)宝(bao)武(wu)开(kai)发(fa)的(de)富氢碳(tan)循(xun)环高(gao)炉技(ji)术，通(tong)过(guo)富(fu)氢(qing)、富(fu)氧(yang)以及(ji)炉顶煤(mei)气循环等(deng)措(cuo)施，降(jiang)碳目标为(wei)30%。

  氢冶(ye)金(jin)发(fa)展面临的挑战(zhan)

  其(qi)一(yi)，高品位铁(tie)矿资(zi)源(yuan)匮乏(fa)。

  氢(qing)基直(zhi)接还原(yuan)要(yao)求铁精粉(fen)品(pin)位(wei)达到(dao)68%以上，脉石(shi)含(han)量(liang)低于(yu)4%，而我(wo)国铁(tie)矿石(shi)是(shi)以低(di)品位磁(ci)铁(tie)矿(kuang)为(wei)主(zhu)，高品位铁矿资(zi)源匮(kui)乏，难(nan)以支(zhi)撑(cheng)我(wo)国大(da)规模(mo)开(kai)展(zhan)直接还(hai)原(yuan)铁生产。

  其二(er)，氢能(neng)资(zi)源少、利用(yong)成本(ben)高。

  我国制氢规(gui)模虽然较大，但(dan)大(da)部(bu)分(fen)均采用化(hua)石能(neng)源制(zhi)氢，用(yong)于生产(chan)合成(cheng)氨、甲(jia)醇(chun)等(deng)产(chan)品，可用于氢冶(ye)金(jin)的(de)氢能资(zi)源较(jiao)少(shao)。钢(gang)铁(tie)企(qi)业(ye)只(zhi)有配套(tao)建(jian)设(she)焦化项(xiang)目或(huo)周边地区有焦化(hua)企(qi)业(ye)，才具有发(fa)展氢冶金(jin)的基(ji)础。利用(yong)绿(lv)电(dian)—电(dian)解(jie)水制氢(qing)工艺(yi)，氢(qing)气(qi)成本(ben)是焦炉(lu)煤(mei)气制氢和(he)天(tian)然(ran)气制氢的(de)2倍(bei)~3倍，用氢成(cheng)本(ben)较(jiao)高，难(nan)以和(he)高炉—转(zhuan)炉(lu)长流程(cheng)在成本(ben)上进(jin)行(xing)竞(jing)争(zheng)。

  其(qi)三(san)，技术研(yan)发难(nan)点多。

  全(quan)氢直接(jie)还(hai)原炼铁技术(shu)是(shi)对现有高炉(lu)—转炉工(gong)艺的(de)革(ge)新(xin)，在(zai)技术(shu)研发(fa)上(shang)具有(you)较(jiao)多(duo)关(guan)键(jian)问(wen)题需要(yao)解(jie)决(jue)。一是(shi)氢(qing)还原(yuan)为(wei)强(qiang)吸(xi)热反(fan)应，将影响到反(fan)应(ying)器(qi)内(nei)温度场分(fen)布(bu)，而反(fan)应温(wen)度(du)的(de)变化将影(ying)响(xiang)氢气利用效率。二是(shi)依照(zhao)现(xian)有气(qi)基竖(shu)炉工(gong)艺或(huo)流(liu)化床(chuang)工(gong)艺(yi)，氢还(hai)原反(fan)应(ying)器(qi)内热(re)量均依靠(kao)高温还原(yuan)气(qi)的(de)物(wu)理热带(dai)入(ru)，解决热量(liang)不足问(wen)题将是未(wei)来(lai)研发重(zhong)点。三是(shi)通(tong)过(guo)提高还(hai)原(yuan)气(qi)温度和(he)增加还(hai)原(yuan)气流(liu)量(liang)来补充(chong)热量，将(jiang)影响到氢气(qi)在(zai)竖(shu)炉中(zhong)的流(liu)速(su)，进(jin)一步影响(xiang)氢(qing)气还(hai)原(yuan)率(lv)及(ji)利用效(xiao)率(lv)，同时对(dui)气(qi)体加热(re)炉(lu)装备、反(fan)应器的(de)耐高(gao)温(wen)、耐高压、防(fang)泄(xie)漏、耐(nai)氢(qing)蚀性(xing)等带来巨大挑战。四(si)是全(quan)氢(qing)还原(yuan)无渗碳(tan)条(tiao)件，不含碳的直(zhi)接还原(yuan)铁(tie)熔(rong)点(dian)高(gao)、极(ji)易(yi)再(zai)氧(yang)化(hua)、自(zi)燃，难以(yi)安全(quan)储(chu)存(cun)和(he)运输(shu)。

  其四，可再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)制(zhi)绿(lv)氢与(yu)冶(ye)金(jin)流程耦合难(nan)度大(da)。

  冶金(jin)工(gong)业(ye)是一(yi)种流程(cheng)制造系统，生(sheng)产(chan)基地由多(duo)个不可(ke)拆(chai)分(fen)的化(hua)工、冶(ye)金反应器组成(cheng)，反应器内(nei)部高温、高压(ya)，伴有(you)连(lian)续(xu)进(jin)行的多(duo)相(xiang)物质相(xiang)互转(zhuan)化的化(hua)学(xue)反应，对(dui)系(xi)统(tong)的(de)可(ke)靠性要(yao)求很高(gao)，必(bi)须(xu)长期连(lian)续(xu)稳定(ding)运行(xing)。而(er)可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)受(shou)制于风或光(guang)等外(wai)部(bu)自然(ran)条(tiao)件(jian)变(bian)化，波(bo)动(dong)性(xing)较(jiao)大，如(ru)何(he)通过利用电(dian)网、储(chu)能、储(chu)氢(qing)等多种方(fang)式实现绿氢的稳定供(gong)应(ying)，是(shi)氢(qing)能(neng)与钢(gang)铁(tie)产(chan)业间(jian)相(xiang)互(hu)耦(ou)合(he)要(yao)解(jie)决(jue)的难(nan)题。

  发(fa)展(zhan)建(jian)议

  其一，氢冶金是钢(gang)铁工业(ye)远(yuan)期(qi)实(shi)现碳中(zhong)和(he)的重要路(lu)径(jing)。国家(jia)和(he)行(xing)业应(ying)加(jia)快(kuai)制订钢(gang)铁(tie)行业氢能产业专(zhuan)项(xiang)规(gui)划(hua)和(he)氢(qing)冶(ye)金(jin)发展规(gui)划，明确(que)氢冶金发展思(si)路(lu)、技术路线(xian)图及配套(tao)鼓(gu)励性(xing)政策，支持(chi)低(di)碳(tan)冶金园(yuan)区(qu)、氢(qing)冶(ye)金示范项目建设。

  其(qi)二，充分发(fa)挥(hui)绿色(se)低(di)碳(tan)类投资(zi)基(ji)金(jin)和全球低(di)碳冶金(jin)创新(xin)联盟(meng)作(zuo)用。集行业(ye)之(zhi)力(li)开展(zhan)氢冶(ye)金技(ji)术(shu)的研发(fa)与工(gong)程化示范(fan)，避(bi)免(mian)技术研(yan)发(fa)的(de)重复(fu)投(tou)入(ru)和(he)资(zi)源(yuan)浪(lang)费。加大高(gao)效、低成(cheng)本(ben)选(xuan)矿技术研发力(li)度，突(tu)破(po)发展(zhan)直接还原(yuan)炼(lian)铁(tie)的(de)原料端环节限制(zhi)。

  其(qi)三，以(yi)《氢(qing)能(neng)产(chan)业发展(zhan)中(zhong)长期规(gui)划（2021年-2035年(nian)）》为引领(ling)，加(jia)强(qiang)制(zhi)氢(qing)、储(chu)运(yun)技术(shu)研发和(he)产业(ye)化，形(xing)成(cheng)较为完(wan)备的氢能(neng)产(chan)业(ye)技术(shu)创(chuang)新体(ti)系(xi)、清洁(jie)能(neng)源制氢(qing)及供应(ying)体系，支撑氢(qing)能在冶(ye)金行(xing)业(ye)的应用(yong)。

  其(qi)四，钢铁企业开展(zhan)氢冶(ye)金示(shi)范(fan)项(xiang)目(mu)建(jian)设，应组织(zhi)专业(ye)技术(shu)人(ren)员深(shen)入(ru)总结(jie)国(guo)内外氢冶(ye)金(jin)工程(cheng)示(shi)范(fan)经验，开(kai)展(zhan)相(xiang)关技(ji)术装备(bei)调(diao)研、市(shi)场(chang)分析(xi)、技(ji)术(shu)经济性(xing)评(ping)估、氢(qing)能资源(yuan)评(ping)估等(deng)前(qian)期(qi)准(zhun)备(bei)工作(zuo)，规(gui)避(bi)投(tou)资(zi)风险和技术风(feng)险。