钢(gang)铁(tie)是能源消(xiao)耗(hao)总(zong)量(liang)高、碳排(pai)放(fang)量(liang)大(da)的行业(ye)，在严(yan)格(ge)的资(zi)源和环保碳(tan)排放政策约(yue)束下(xia)，面(mian)临着(zhe)巨大(da)的(de)环(huan)保(bao)压力(li)和降碳(tan)压(ya)力。为降(jiang)低钢铁生(sheng)产过程中的二(er)氧化碳(tan)排放(fang)，钢铁企(qi)业积极开(kai)展氢(qing)冶金(jin)技术(shu)路(lu)径(jing)研(yan)究，希(xi)望通过“以(yi)氢(qing)代碳(tan)”，实现(xian)绿色(se)低(di)碳发展。截至目前，钢(gang)铁行(xing)业(ye)针(zhen)对氢冶(ye)金研(yan)究初步形(xing)成(cheng)氢基(ji)竖(shu)炉直接(jie)还(hai)原(yuan)炼铁技(ji)术(shu)、氢基流化床直(zhi)接(jie)还原炼铁技术、高(gao)炉富(fu)氢(qing)冶(ye)炼技(ji)术和(he)富氢(qing)熔(rong)融还原(yuan)炼(lian)铁(tie)技(ji)术(shu)等(deng)四大技术路径。

  氢冶(ye)金技术现状(zhuang)

  从国内(nei)外(wai)钢铁企(qi)业(ye)实(shi)践来看，采用(yong)氢基竖(shu)炉(lu)直(zhi)接(jie)还(hai)原炼铁(tie)技术的(de)项(xiang)目有瑞典HYBRIT项(xiang)目(mu)、安(an)赛乐(le)米塔(ta)尔(er)纯(chun)氢冶炼技(ji)术(shu)、德国(guo)蒂森克(ke)虏(lu)伯氢炼铁技(ji)术、日(ri)本COURSE50项目，以(yi)及我国(guo)的中(zhong)晋太行(xing)直接还原(yuan)铁(tie)项(xiang)目(mu)、中国(guo)宝(bao)武(wu)湛(zhan)江(jiang)钢(gang)铁氢基(ji)竖(shu)炉(lu)项目(mu)和(he)河钢(gang)氢(qing)冶金项目(mu)。采(cai)用氢基(ji)流(liu)化床直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)炼(lian)铁(tie)技(ji)术(shu)的有鲁(lu)奇公(gong)司(si)Circored流(liu)化床(chuang)直接还原项(xiang)目(mu)和(he)我国的(de)鞍(an)钢(gang)氢冶(ye)金(jin)项(xiang)目，采用高炉富氢冶炼技(ji)术(shu)的有(you)德国蒂森克虏伯(bo)、迪(di)林(lin)根—萨尔钢两家企(qi)业，以及(ji)我国(guo)的(de)晋南(nan)钢铁(tie)和中国宝武宝钢股份(fen)，采(cai)用富(fu)氢熔融还(hai)原(yuan)炼铁(tie)技术的(de)有(you)建龙集团CISP富氢熔融(rong)还(hai)原项(xiang)目(mu)。从以(yi)上(shang)国内(nei)外(wai)企业(ye)的氢(qing)冶金项目(mu)所采用(yong)的技术(shu)路径进行(xing)分(fen)析，氢(qing)冶(ye)金主流技(ji)术路(lu)径(jing)为(wei)高(gao)炉(lu)富氢冶炼(lian)和氢(qing)基竖(shu)炉(lu)直接还(hai)原炼(lian)铁(tie)技术，并(bing)且(qie)氢(qing)能(neng)来源基本(ben)以(yi)焦(jiao)炉煤气为主(zhu)。

  氢冶金技术减(jian)碳(tan)潜力分析(xi)

  对行业(ye)内(nei)研(yan)究较多的(de)氢(qing)基(ji)直接(jie)还(hai)原炼铁(tie)技术和(he)高(gao)炉富(fu)氢(qing)冶炼(lian)技术(shu)减(jian)碳(tan)潜力(li)进行分(fen)析(xi)。根据(ju)焦(jiao)炉(lu)煤(mei)气制(zhi)直接(jie)还原(yuan)铁、全(quan)绿电(dian)绿氢(qing)制(zhi)直(zhi)接还原(yuan)铁和常(chang)规高(gao)炉炼铁3种(zhong)工艺流(liu)程，分(fen)别(bie)选(xuan)择3种工艺流程最接(jie)近(jin)实(shi)际情(qing)况的(de)能(neng)源资源消(xiao)耗(hao)进(jin)行分析，测算(suan)碳排放，得(de)到(dao)以(yi)下结(jie)果：“即全(quan)绿(lv)电(dian)绿氢制(zhi)直接还(hai)原铁碳(tan)排放最(zui)低，比常规(gui)高炉(lu)炼(lian)铁(tie)碳排(pai)放低约(yue)78%，即(ji)每(mei)吨铁可减排1.235吨(dun)二(er)氧(yang)化碳(tan)；其次为焦炉(lu)煤气(qi)制直接(jie)还(hai)原(yuan)铁，比(bi)常(chang)规高炉炼(lian)铁(tie)碳排(pai)放低(di)约(yue)44%，即(ji)每吨(dun)铁可减(jian)排(pai)0.696吨二(er)氧化碳(tan)。

  对于(yu)高(gao)炉(lu)富氢(qing)冶炼技(ji)术(shu)，在无(wu)炉(lu)顶气循(xun)环(huan)利(li)用条件(jian)下(xia)，高(gao)炉(lu)通(tong)过喷(pen)吹富氢(qing)还原气(qi)实现(xian)碳减排的(de)潜力(li)受到限(xian)制(zhi)，一(yi)般(ban)认为(wei)高(gao)炉富(fu)氢还原(yuan)的碳(tan)减(jian)排幅(fu)度(du)能(neng)够(gou)达(da)到(dao)10%~20%。中国(guo)宝(bao)武开发(fa)的富氢(qing)碳(tan)循环(huan)高炉技术(shu)，通过(guo)富氢(qing)、富氧以及炉顶(ding)煤气(qi)循(xun)环(huan)等措(cuo)施，降碳(tan)目标为(wei)30%。

  氢(qing)冶金(jin)发(fa)展(zhan)面(mian)临(lin)的(de)挑战

  其一，高(gao)品(pin)位(wei)铁(tie)矿资(zi)源(yuan)匮(kui)乏。

  氢基(ji)直(zhi)接(jie)还(hai)原(yuan)要(yao)求铁(tie)精粉品(pin)位达(da)到(dao)68%以上(shang)，脉(mai)石含量(liang)低于(yu)4%，而我国铁(tie)矿(kuang)石是以低(di)品(pin)位(wei)磁(ci)铁矿为(wei)主(zhu)，高品(pin)位(wei)铁(tie)矿资源(yuan)匮(kui)乏，难以支(zhi)撑我国大规(gui)模开(kai)展直接(jie)还(hai)原铁(tie)生(sheng)产(chan)。

  其二(er)，氢能(neng)资源少、利(li)用成(cheng)本(ben)高。

  我(wo)国制(zhi)氢规(gui)模(mo)虽然较(jiao)大(da)，但(dan)大部(bu)分(fen)均(jun)采(cai)用(yong)化石(shi)能(neng)源(yuan)制氢，用(yong)于生产(chan)合(he)成(cheng)氨、甲醇(chun)等(deng)产品，可用于氢(qing)冶金的氢(qing)能(neng)资源(yuan)较(jiao)少。钢铁(tie)企(qi)业(ye)只有(you)配套(tao)建设焦(jiao)化(hua)项(xiang)目或周(zhou)边(bian)地(di)区有(you)焦化企(qi)业，才具有(you)发(fa)展(zhan)氢冶金的(de)基(ji)础。利用(yong)绿(lv)电(dian)—电解水(shui)制(zhi)氢(qing)工(gong)艺(yi)，氢(qing)气(qi)成本是焦炉煤(mei)气制(zhi)氢(qing)和天(tian)然(ran)气(qi)制氢(qing)的(de)2倍~3倍(bei)，用氢成(cheng)本较(jiao)高(gao)，难以和(he)高(gao)炉—转(zhuan)炉(lu)长(zhang)流程在成(cheng)本上(shang)进行(xing)竞(jing)争(zheng)。

  其(qi)三，技(ji)术研发难(nan)点(dian)多。

  全氢(qing)直接还(hai)原(yuan)炼(lian)铁(tie)技(ji)术(shu)是对(dui)现(xian)有高(gao)炉—转炉工(gong)艺(yi)的(de)革新(xin)，在(zai)技(ji)术研发(fa)上具有(you)较(jiao)多(duo)关键问题(ti)需要解(jie)决。一是(shi)氢还(hai)原(yuan)为(wei)强吸热反(fan)应(ying)，将(jiang)影(ying)响到反(fan)应(ying)器内温度场分布(bu)，而(er)反应(ying)温度的(de)变化将影响(xiang)氢气利(li)用(yong)效率(lv)。二(er)是(shi)依(yi)照现(xian)有气基(ji)竖炉(lu)工艺(yi)或(huo)流化(hua)床工(gong)艺(yi)，氢(qing)还(hai)原(yuan)反应(ying)器内热(re)量(liang)均(jun)依(yi)靠高(gao)温(wen)还(hai)原气(qi)的(de)物(wu)理(li)热带(dai)入(ru)，解(jie)决热(re)量不(bu)足问(wen)题将是未(wei)来(lai)研发重(zhong)点(dian)。三(san)是(shi)通过(guo)提高还(hai)原(yuan)气温(wen)度(du)和增加(jia)还原(yuan)气流(liu)量来(lai)补充(chong)热(re)量，将(jiang)影响到(dao)氢气在(zai)竖(shu)炉(lu)中的(de)流(liu)速，进一步影(ying)响氢(qing)气还原(yuan)率(lv)及利(li)用效(xiao)率，同(tong)时(shi)对气(qi)体加热(re)炉(lu)装备、反应(ying)器的(de)耐高温(wen)、耐(nai)高(gao)压(ya)、防(fang)泄(xie)漏、耐氢蚀(shi)性等带来巨大(da)挑(tiao)战(zhan)。四(si)是全(quan)氢(qing)还原(yuan)无(wu)渗碳(tan)条件，不含(han)碳的(de)直接还原(yuan)铁(tie)熔(rong)点(dian)高(gao)、极易再(zai)氧(yang)化、自(zi)燃(ran)，难(nan)以(yi)安(an)全储(chu)存(cun)和运(yun)输(shu)。

  其四，可(ke)再(zai)生(sheng)能源(yuan)制绿氢(qing)与冶金流程耦合难(nan)度(du)大(da)。

  冶金工业是一(yi)种(zhong)流程(cheng)制造(zao)系(xi)统(tong)，生(sheng)产基(ji)地由多(duo)个(ge)不可拆分(fen)的化(hua)工、冶(ye)金反应(ying)器(qi)组(zu)成(cheng)，反(fan)应器(qi)内(nei)部(bu)高(gao)温、高(gao)压(ya)，伴(ban)有连续(xu)进行(xing)的(de)多(duo)相物质相互转化(hua)的(de)化学反(fan)应，对(dui)系(xi)统(tong)的可靠性(xing)要求很高(gao)，必须长(zhang)期连(lian)续稳定运行。而(er)可再(zai)生(sheng)能源(yuan)受制(zhi)于风(feng)或光等外部自(zi)然(ran)条件变(bian)化，波(bo)动性(xing)较(jiao)大(da)，如(ru)何通过利用电(dian)网、储能、储氢等(deng)多种(zhong)方式实(shi)现绿氢的(de)稳定供(gong)应(ying)，是氢(qing)能(neng)与(yu)钢铁产(chan)业间(jian)相(xiang)互耦合(he)要(yao)解(jie)决的(de)难题(ti)。

  发展(zhan)建(jian)议(yi)

  其(qi)一(yi)，氢(qing)冶金(jin)是(shi)钢铁工业远(yuan)期(qi)实(shi)现(xian)碳(tan)中和(he)的重(zhong)要路(lu)径(jing)。国家和(he)行(xing)业应加快(kuai)制订钢(gang)铁(tie)行业(ye)氢(qing)能(neng)产业(ye)专项(xiang)规划和氢(qing)冶(ye)金发展规(gui)划(hua)，明(ming)确(que)氢(qing)冶金(jin)发展(zhan)思路、技(ji)术路(lu)线(xian)图及(ji)配套鼓励(li)性政策(ce)，支(zhi)持(chi)低碳冶(ye)金园区、氢冶金(jin)示范项(xiang)目(mu)建(jian)设。

  其(qi)二，充分(fen)发(fa)挥(hui)绿(lv)色低碳(tan)类(lei)投资(zi)基金和全(quan)球(qiu)低(di)碳冶金(jin)创(chuang)新联(lian)盟作用。集(ji)行(xing)业(ye)之(zhi)力开展氢冶(ye)金(jin)技(ji)术(shu)的研发(fa)与(yu)工程化(hua)示(shi)范，避免(mian)技术(shu)研(yan)发(fa)的重复(fu)投入和(he)资(zi)源(yuan)浪费(fei)。加大(da)高(gao)效(xiao)、低成本(ben)选(xuan)矿技(ji)术(shu)研发力度，突破(po)发展(zhan)直接(jie)还(hai)原(yuan)炼(lian)铁(tie)的(de)原料(liao)端环节(jie)限(xian)制。

  其(qi)三，以(yi)《氢能产业发展(zhan)中长期(qi)规(gui)划（2021年-2035年）》为引(yin)领(ling)，加强制(zhi)氢、储运技(ji)术研(yan)发和(he)产业化，形成较为完备(bei)的氢能(neng)产业(ye)技术创(chuang)新体系、清洁(jie)能源制氢(qing)及供(gong)应体(ti)系(xi)，支撑(cheng)氢(qing)能在(zai)冶(ye)金(jin)行(xing)业的(de)应用。

  其(qi)四(si)，钢铁企(qi)业(ye)开展(zhan)氢冶金(jin)示范(fan)项目建设(she)，应(ying)组织(zhi)专(zhuan)业技术(shu)人员深(shen)入总(zong)结国内外氢(qing)冶金工(gong)程示(shi)范经(jing)验(yan)，开(kai)展(zhan)相(xiang)关技术(shu)装备(bei)调(diao)研、市(shi)场(chang)分析(xi)、技(ji)术(shu)经济性评估、氢(qing)能(neng)资(zi)源(yuan)评估(gu)等前期准(zhun)备(bei)工(gong)作，规(gui)避投(tou)资风险(xian)和(he)技术(shu)风险(xian)。