钢铁(tie)是(shi)能源(yuan)消耗总(zong)量高(gao)、碳(tan)排放(fang)量(liang)大的行业，在严(yan)格的资源(yuan)和(he)环保(bao)碳排放(fang)政(zheng)策约束下(xia)，面临(lin)着巨大(da)的环(huan)保(bao)压力(li)和降碳压力(li)。为(wei)降低钢(gang)铁(tie)生产(chan)过(guo)程中的(de)二氧(yang)化(hua)碳排(pai)放(fang)，钢铁(tie)企(qi)业(ye)积(ji)极(ji)开(kai)展氢冶金技术路径(jing)研究，希(xi)望(wang)通过“以(yi)氢(qing)代(dai)碳(tan)”，实(shi)现(xian)绿(lv)色(se)低碳(tan)发展。截至目(mu)前，钢铁行业(ye)针对氢冶金(jin)研究(jiu)初(chu)步(bu)形(xing)成(cheng)氢(qing)基竖炉(lu)直(zhi)接还(hai)原炼铁技术(shu)、氢基流(liu)化(hua)床(chuang)直(zhi)接(jie)还(hai)原炼(lian)铁技(ji)术(shu)、高(gao)炉(lu)富氢(qing)冶炼(lian)技术(shu)和(he)富氢熔融还原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术等四大技(ji)术路(lu)径。

  氢(qing)冶金技术现(xian)状

  从国内外钢铁(tie)企业(ye)实践来(lai)看，采用(yong)氢(qing)基竖(shu)炉直接还原炼铁技术的项(xiang)目(mu)有(you)瑞(rui)典(dian)HYBRIT项目(mu)、安赛乐(le)米塔(ta)尔(er)纯氢(qing)冶(ye)炼(lian)技(ji)术、德国蒂(di)森(sen)克虏(lu)伯氢炼(lian)铁(tie)技(ji)术、日(ri)本(ben)COURSE50项(xiang)目(mu)，以及(ji)我国的(de)中(zhong)晋(jin)太行直接(jie)还原铁(tie)项(xiang)目(mu)、中国宝武湛江钢(gang)铁(tie)氢(qing)基竖(shu)炉(lu)项目和河(he)钢氢冶(ye)金(jin)项(xiang)目(mu)。采用氢(qing)基流化(hua)床直接(jie)还原(yuan)炼铁技术的有(you)鲁奇(qi)公司(si)Circored流化(hua)床直(zhi)接(jie)还(hai)原项(xiang)目和(he)我国(guo)的(de)鞍(an)钢(gang)氢(qing)冶(ye)金项目(mu)，采用(yong)高炉富(fu)氢(qing)冶(ye)炼(lian)技(ji)术的(de)有德国蒂森(sen)克虏(lu)伯、迪林根—萨尔(er)钢两(liang)家(jia)企(qi)业(ye)，以及(ji)我(wo)国的晋(jin)南钢(gang)铁和中(zhong)国(guo)宝武宝钢(gang)股份，采用富氢熔(rong)融(rong)还(hai)原(yuan)炼(lian)铁技(ji)术(shu)的(de)有(you)建龙集团(tuan)CISP富(fu)氢(qing)熔融还原(yuan)项目。从以上国内外(wai)企(qi)业(ye)的氢冶金(jin)项(xiang)目(mu)所采用的技术路(lu)径(jing)进行分(fen)析，氢(qing)冶(ye)金主流技(ji)术(shu)路径为高(gao)炉(lu)富(fu)氢(qing)冶炼(lian)和(he)氢基竖炉(lu)直接(jie)还(hai)原炼铁技术，并(bing)且(qie)氢(qing)能(neng)来源(yuan)基(ji)本(ben)以焦(jiao)炉(lu)煤气为主(zhu)。

  氢冶(ye)金(jin)技(ji)术减(jian)碳潜力(li)分(fen)析

  对(dui)行业内研究(jiu)较多(duo)的(de)氢基直接(jie)还原(yuan)炼(lian)铁技术(shu)和高炉富(fu)氢冶炼技(ji)术减碳(tan)潜(qian)力进行(xing)分析。根据焦(jiao)炉煤气(qi)制(zhi)直(zhi)接(jie)还原铁、全绿(lv)电绿(lv)氢(qing)制(zhi)直接还(hai)原铁和常规(gui)高炉(lu)炼(lian)铁(tie)3种工艺(yi)流(liu)程，分(fen)别(bie)选择(ze)3种工(gong)艺(yi)流程(cheng)最接近(jin)实际情况的能(neng)源(yuan)资(zi)源(yuan)消耗(hao)进(jin)行(xing)分析，测(ce)算碳排(pai)放(fang)，得到以下(xia)结(jie)果(guo)：“即全(quan)绿电(dian)绿氢(qing)制(zhi)直接还原(yuan)铁碳排放(fang)最低(di)，比常(chang)规(gui)高炉(lu)炼铁(tie)碳(tan)排(pai)放低约(yue)78%，即(ji)每吨铁可减排1.235吨二氧(yang)化(hua)碳(tan)；其(qi)次为(wei)焦炉(lu)煤(mei)气(qi)制直接(jie)还原铁(tie)，比常规高炉炼(lian)铁(tie)碳排(pai)放(fang)低(di)约44%，即每吨铁(tie)可减(jian)排0.696吨(dun)二(er)氧化(hua)碳(tan)。

  对于(yu)高(gao)炉(lu)富(fu)氢(qing)冶(ye)炼技术(shu)，在无炉顶(ding)气循环(huan)利用条(tiao)件(jian)下，高炉(lu)通过(guo)喷吹富(fu)氢(qing)还(hai)原(yuan)气实现(xian)碳(tan)减(jian)排(pai)的潜(qian)力(li)受到(dao)限(xian)制，一(yi)般(ban)认为高炉富氢(qing)还原的碳(tan)减排幅度(du)能够(gou)达到(dao)10%~20%。中国(guo)宝(bao)武开发的(de)富(fu)氢(qing)碳(tan)循环高(gao)炉技术(shu)，通过富(fu)氢(qing)、富(fu)氧(yang)以(yi)及炉(lu)顶(ding)煤气循环等措施(shi)，降碳(tan)目(mu)标为30%。

  氢冶(ye)金发(fa)展(zhan)面临(lin)的挑(tiao)战

  其(qi)一，高(gao)品位(wei)铁(tie)矿资(zi)源(yuan)匮(kui)乏(fa)。

  氢(qing)基直(zhi)接(jie)还原(yuan)要求铁精粉品位(wei)达(da)到68%以上(shang)，脉石含(han)量(liang)低(di)于(yu)4%，而我国铁(tie)矿石是(shi)以(yi)低品位(wei)磁铁矿为(wei)主，高品(pin)位(wei)铁矿(kuang)资源(yuan)匮(kui)乏，难以支(zhi)撑我(wo)国(guo)大规(gui)模开(kai)展(zhan)直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)铁(tie)生(sheng)产。

  其(qi)二(er)，氢能资源少(shao)、利用成(cheng)本高。

  我(wo)国制氢(qing)规模(mo)虽然较大(da)，但(dan)大(da)部(bu)分(fen)均(jun)采用化石(shi)能源制氢，用于生(sheng)产合成氨、甲醇(chun)等产(chan)品(pin)，可(ke)用于(yu)氢(qing)冶(ye)金的(de)氢能资(zi)源(yuan)较(jiao)少(shao)。钢(gang)铁(tie)企业(ye)只(zhi)有(you)配套建(jian)设(she)焦(jiao)化项目(mu)或周边(bian)地区(qu)有焦(jiao)化企业，才(cai)具有(you)发展氢冶(ye)金的(de)基(ji)础(chu)。利(li)用绿电(dian)—电解水(shui)制(zhi)氢(qing)工艺，氢(qing)气(qi)成本(ben)是焦(jiao)炉煤(mei)气(qi)制(zhi)氢和(he)天(tian)然(ran)气制氢的(de)2倍~3倍，用(yong)氢(qing)成(cheng)本(ben)较(jiao)高(gao)，难(nan)以(yi)和(he)高(gao)炉(lu)—转(zhuan)炉长(zhang)流程(cheng)在成(cheng)本上进行竞(jing)争(zheng)。

  其(qi)三，技术(shu)研发难(nan)点(dian)多(duo)。

  全(quan)氢(qing)直接(jie)还原(yuan)炼(lian)铁技术是对现有(you)高炉—转(zhuan)炉(lu)工艺(yi)的(de)革(ge)新(xin)，在(zai)技术研(yan)发上具有(you)较多(duo)关(guan)键(jian)问题(ti)需要(yao)解(jie)决。一是(shi)氢还(hai)原为强(qiang)吸热反应，将(jiang)影响(xiang)到(dao)反应(ying)器(qi)内温度(du)场(chang)分(fen)布(bu)，而(er)反应温(wen)度(du)的(de)变(bian)化(hua)将(jiang)影响氢(qing)气利用效(xiao)率。二(er)是依照(zhao)现有气(qi)基竖炉工艺(yi)或(huo)流化(hua)床(chuang)工艺，氢还原(yuan)反应(ying)器内热量(liang)均(jun)依(yi)靠高温还原(yuan)气的(de)物理热带(dai)入(ru)，解决热(re)量不足(zu)问题将是未(wei)来研发重点(dian)。三(san)是(shi)通(tong)过(guo)提(ti)高还原气温度和增加(jia)还(hai)原气(qi)流(liu)量来补(bu)充热量(liang)，将(jiang)影(ying)响到氢气(qi)在竖(shu)炉(lu)中(zhong)的(de)流(liu)速，进一步影(ying)响氢(qing)气还(hai)原率(lv)及利(li)用效率，同时对气体(ti)加热(re)炉(lu)装备(bei)、反应器(qi)的耐(nai)高温、耐(nai)高压、防(fang)泄(xie)漏、耐(nai)氢(qing)蚀(shi)性(xing)等(deng)带来(lai)巨大挑战(zhan)。四是全(quan)氢还原(yuan)无(wu)渗(shen)碳条(tiao)件，不含碳(tan)的直(zhi)接(jie)还原(yuan)铁熔点(dian)高、极易再氧(yang)化(hua)、自燃(ran)，难(nan)以(yi)安(an)全(quan)储(chu)存(cun)和(he)运(yun)输(shu)。

  其(qi)四(si)，可再生(sheng)能(neng)源(yuan)制(zhi)绿(lv)氢与冶金(jin)流程(cheng)耦(ou)合(he)难度大。

  冶金(jin)工业是一种(zhong)流(liu)程制造(zao)系(xi)统(tong)，生产基地由多个(ge)不可拆分的化工、冶(ye)金反应器组成，反应器内(nei)部高(gao)温、高(gao)压(ya)，伴(ban)有连续进行(xing)的(de)多相(xiang)物质相(xiang)互(hu)转化(hua)的化(hua)学反应(ying)，对(dui)系统(tong)的可靠性(xing)要(yao)求(qiu)很高(gao)，必(bi)须长(zhang)期连续(xu)稳(wen)定运(yun)行。而(er)可(ke)再(zai)生能源受(shou)制(zhi)于(yu)风或光(guang)等(deng)外(wai)部自然(ran)条(tiao)件变(bian)化，波(bo)动(dong)性(xing)较(jiao)大(da)，如何(he)通过利用电网、储(chu)能、储(chu)氢等多种方式实现绿(lv)氢的(de)稳定(ding)供应，是(shi)氢(qing)能(neng)与钢(gang)铁(tie)产业(ye)间(jian)相(xiang)互(hu)耦(ou)合(he)要(yao)解决(jue)的难(nan)题。

  发(fa)展(zhan)建(jian)议(yi)

  其(qi)一，氢(qing)冶金是(shi)钢铁(tie)工(gong)业(ye)远(yuan)期实现(xian)碳(tan)中和的(de)重(zhong)要(yao)路径(jing)。国家和(he)行(xing)业(ye)应加快(kuai)制(zhi)订钢(gang)铁(tie)行(xing)业(ye)氢(qing)能产(chan)业(ye)专项规(gui)划(hua)和(he)氢冶金发展规划，明(ming)确氢冶金(jin)发(fa)展思路、技(ji)术路线(xian)图及配套鼓(gu)励性政策，支(zhi)持(chi)低(di)碳冶(ye)金园区(qu)、氢冶金(jin)示(shi)范(fan)项(xiang)目建设。

  其二，充(chong)分(fen)发挥绿色(se)低(di)碳(tan)类(lei)投资(zi)基(ji)金(jin)和全(quan)球低(di)碳冶(ye)金创新联盟(meng)作(zuo)用(yong)。集行(xing)业(ye)之(zhi)力(li)开展(zhan)氢冶金技(ji)术(shu)的(de)研发与工(gong)程化(hua)示范(fan)，避(bi)免技(ji)术(shu)研(yan)发的(de)重复投(tou)入和(he)资源(yuan)浪(lang)费(fei)。加大高(gao)效(xiao)、低(di)成(cheng)本(ben)选矿(kuang)技(ji)术研发(fa)力度(du)，突(tu)破(po)发(fa)展(zhan)直(zhi)接还(hai)原炼铁(tie)的原(yuan)料(liao)端环(huan)节限(xian)制(zhi)。

  其三(san)，以《氢能(neng)产(chan)业(ye)发(fa)展中长(zhang)期(qi)规划（2021年(nian)-2035年(nian)）》为引(yin)领，加强制氢(qing)、储(chu)运(yun)技术研发和产(chan)业(ye)化，形成(cheng)较为(wei)完备的氢能(neng)产业(ye)技(ji)术(shu)创(chuang)新(xin)体系(xi)、清(qing)洁(jie)能(neng)源制氢(qing)及供(gong)应(ying)体(ti)系，支(zhi)撑(cheng)氢(qing)能(neng)在冶(ye)金行(xing)业(ye)的应用。

  其(qi)四，钢铁(tie)企业(ye)开展氢(qing)冶(ye)金(jin)示范(fan)项目建(jian)设，应组(zu)织(zhi)专(zhuan)业(ye)技(ji)术(shu)人(ren)员(yuan)深(shen)入总结(jie)国内(nei)外氢冶(ye)金工程示(shi)范经(jing)验，开(kai)展(zhan)相(xiang)关技(ji)术(shu)装(zhuang)备调研(yan)、市(shi)场(chang)分(fen)析、技术经(jing)济性(xing)评(ping)估(gu)、氢能(neng)资源评估等(deng)前(qian)期准备(bei)工作，规(gui)避投(tou)资(zi)风险(xian)和(he)技(ji)术风险(xian)。