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在全球氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，各國(guó)都高度重視無(wú)碳低碳能源的開(kāi)發(fā)利用。氫能被視為21世紀(jì)具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，由于其?lái)源多樣、清潔低碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富，已被多個(gè)國(guó)家納入國(guó)家能源戰(zhàn)略部署。
所謂氫冶金，就是在還原冶煉過(guò)程中使用氫氣作為還原劑。目前主要有高爐富氫冶煉和氫氣直接還原工藝。我國(guó)高爐富氫冶煉的研究與實(shí)踐主要是向高爐內(nèi)注入富氫氣體，如焦?fàn)t煤氣、天然氣等；氫氣直接還原工藝主要利用焦?fàn)t煤氣開(kāi)發(fā)氫基豎爐直接還原。
由于我國(guó)廢鋼和天然氣資源緊缺，長(zhǎng)流程工藝在鋼鐵行業(yè)占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。但是，要推動(dòng)我國(guó)鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，就必須對(duì)鋼鐵工藝進(jìn)行再造。
我國(guó)鋼鐵企業(yè)氫冶金的進(jìn)展與成就
中國(guó)寶武
2019年1月，中國(guó)寶武、中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽署《核能—制氫—冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，共同打造核氫冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。據(jù)測(cè)算，一座60萬(wàn)千瓦的高溫氣冷堆機(jī)組可滿足180萬(wàn)噸鋼鐵對(duì)氫氣、電力和部分氧氣的需求，每年可減少二氧化碳排放約300萬(wàn)噸，降低能源消耗100萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。
2020年7月，中國(guó)寶武在八鋼進(jìn)行了富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝試驗(yàn)。脫碳煤氣接入富氫碳循環(huán)高爐，與脫碳?xì)馇暗母粴涮細(xì)庀啾龋繃嵮h(huán)高爐鐵的燃料比下降了近45公斤，比傳統(tǒng)高爐減少了30%的二氧化碳排放量。傳統(tǒng)的高爐是由熱風(fēng)爐生產(chǎn)的，由于高爐煤氣中含有大量的氮?dú)?，不具備脫碳回收利用價(jià)值，這也是傳統(tǒng)高爐實(shí)現(xiàn)碳減排的最大難點(diǎn)，2021年7月，八鋼富氫碳循環(huán)高爐實(shí)現(xiàn)二期50%富氧目標(biāo)（一期35%）。后期，八鋼富氫碳循環(huán)高爐將通過(guò)技術(shù)升級(jí)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)氧氣冶煉目標(biāo)。
2021年1月，中國(guó)寶武宣布力爭(zhēng)2023年碳達(dá)峰、2035年減碳30%、2050年碳中和。
鞍鋼集團(tuán)
鞍鋼集團(tuán)正積極布局氫冶金相關(guān)技術(shù)研究。2021年7月，鞍鋼、鞍山鋼鐵、中科院過(guò)程所、中科院大化所、上海大學(xué)簽署五方聯(lián)合研發(fā)協(xié)議關(guān)于“綠色氫能冶金技術(shù)”，推動(dòng)綠色氫冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，主要包括風(fēng)電+光伏（Green Power）-電解水制氫（Green Hydrogen）-加釩的氫冶金工藝用于儲(chǔ)能和調(diào)峰的電池。
2021年5月，鞍鋼宣布計(jì)劃到2025年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，到2030年實(shí)現(xiàn)低碳冶金前沿技術(shù)產(chǎn)業(yè)化突破，碳排放總量較2035年峰值下降30%，力爭(zhēng)成為我國(guó)鋼鐵行業(yè)首批實(shí)現(xiàn)碳中和的大型鋼鐵企業(yè)。
河鋼集團(tuán)
2019年3月，河鋼集團(tuán)與中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心、中國(guó)鋼研、東北大學(xué)簽署合作協(xié)議，成立氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，研究氫能等氫能利用領(lǐng)域生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和加氫。
2019年11月，河鋼集團(tuán)與意大利特諾恩集團(tuán)合作，利用世界最先進(jìn)的制氫和氫還原技術(shù)，在河鋼宣鋼建設(shè)全球首個(gè)120萬(wàn)噸氫冶金示范項(xiàng)目。從2021年5月份開(kāi)始，全年碳減排率有望達(dá)到60%。該項(xiàng)目利用風(fēng)能、光能等可再生能源，并使用含氫量在70%左右的補(bǔ)充氣源作為還原劑，生產(chǎn)1噸直接還原鐵僅產(chǎn)生250公斤二氧化碳，產(chǎn)生的二氧化碳被選擇性回收。
2020年11月，河鋼集團(tuán)與意大利特諾恩集團(tuán)簽訂合同，建設(shè)高科技?xì)淠荛_(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目，其中包括年產(chǎn)60萬(wàn)噸的ENERGIRON直接還原裝置。
2021年3月，河鋼與必和必拓簽署了氫直接鐵還原技術(shù)、鋼渣處理及回收技術(shù)等重點(diǎn)領(lǐng)域合作備忘錄。
2021年3月，河鋼宣布計(jì)劃在2022年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，碳排放較2025年達(dá)峰減少10%以上，碳排放較2030年達(dá)峰減少30%以上，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。
包鋼集團(tuán)
2021年5月，包鋼宣布計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。
2021年8月，包鋼集團(tuán)與億利集團(tuán)、西部天然氣公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。以包鋼集團(tuán)氫氣冶金工藝路線為基礎(chǔ)，利用億利集團(tuán)制氫優(yōu)勢(shì)和西部天然氣公司管網(wǎng)輸氣優(yōu)勢(shì)，形成光伏制氫、管道制氫、綠色氫氣冶煉的共同體，探索發(fā)展氫能重卡等終端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。
建龍集團(tuán)
2021年4月13日，建龍集團(tuán)總投資10.9億元，占地240余畝的內(nèi)蒙古CISP科技有限公司年產(chǎn)30萬(wàn)噸富氫熔煉還原法生產(chǎn)高純鑄鐵試驗(yàn)成功，生產(chǎn)了156噸鐵。
該項(xiàng)目通過(guò)氫冶金與冶煉還原相結(jié)合，加強(qiáng)焦?fàn)t煤氣綜合利用，促進(jìn)傳統(tǒng)碳冶金向氫冶金轉(zhuǎn)化，可有效減少二氧化硫和氮氧化物約38%，減少粉塵89%。該項(xiàng)目的研發(fā)分為3個(gè)階段。目前處于第一階段，可實(shí)現(xiàn)年噴氫1萬(wàn)噸，每年減少二氧化碳排放11.2萬(wàn)噸。
酒鋼集團(tuán)
2020年10月，酒鋼建成首個(gè)煤基氫冶金中試裝置及配套干磨干選試驗(yàn)裝置。它以高爐煤氣灰為原料。回轉(zhuǎn)窯投產(chǎn)后，料層碳?xì)饣磻?yīng)良好，有效減少回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的
煤基氫冶金工藝流程短，監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，水循環(huán)和水處理設(shè)施規(guī)模小，煙氣排放量少，可降低能耗50%以上。
京華日鋼控股集團(tuán)有限公司
2020年5月，公司與中國(guó)鋼研簽訂《年產(chǎn)50萬(wàn)噸氫冶金及高端鋼材制造項(xiàng)目合作協(xié)議》，針對(duì)氫冶金新工藝-設(shè)備-品種-用戶應(yīng)用目標(biāo)，以我國(guó)自主知識(shí)建設(shè)第一條（套）年產(chǎn)50萬(wàn)噸氫冶金和高端鋼鐵生產(chǎn)線，其中使用的氫氣是從以天然氣為原料生產(chǎn)醋酸乙烯酯的共生產(chǎn)品中提取的。
山西中晉太行礦業(yè)有限公司
中晉太行礦業(yè)有限公司于2017年8月在山西省左權(quán)縣龍泉鄉(xiāng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)示范園開(kāi)工建設(shè)煤氣基豎爐直接還原鐵工藝項(xiàng)目，項(xiàng)目投資約7.5億元。采用優(yōu)質(zhì)鐵精粉和焦?fàn)t煤氣（配套建設(shè)100萬(wàn)噸焦化項(xiàng)目），年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高純直接還原鐵30萬(wàn)噸。2021年6月試制成功，海綿鐵合格。
對(duì)我國(guó)鋼鐵工業(yè)氫冶金的建議
一是國(guó)家政策傾向于解決資金問(wèn)題。
氫冶金研究和技術(shù)創(chuàng)新需要大量資金。同時(shí)，向氫能轉(zhuǎn)型需要投資太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電，鋼鐵企業(yè)可能面臨更大的資金壓力，需要國(guó)家政策傾斜。
二是降低氫氣成本。
在煉鋼過(guò)程中（包括生產(chǎn)直接還原鐵），企業(yè)使用藍(lán)氫（使用化石燃料制氫，并使用碳捕獲和碳儲(chǔ)存）和綠氫成本高且缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接還原鐵廠一般使用天然氣，通常位于天然氣便宜的地區(qū)，如中東和美國(guó)。目前，如果想在使用氫氣冶煉或生產(chǎn)直接還原鐵方面具有競(jìng)爭(zhēng)力，那么氫氣的價(jià)格應(yīng)該低于2美元/公斤，最好低于1美元/公斤。
此外，還需要考慮氫氣的來(lái)源、運(yùn)輸和儲(chǔ)存。其中，氫的來(lái)源主要包括利用鋼鐵廠焦?fàn)t煤氣制氫和電解水制氫，水電解制氫的電力來(lái)源應(yīng)為綠色能源，如核電、水電、風(fēng)電等。
三是解決氫煉鐵技術(shù)難題。
一是需要耐氧氫燃燒和超高溫的風(fēng)口。如果直接使用現(xiàn)有的風(fēng)口，風(fēng)口的熔損就會(huì)成為問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)新的風(fēng)口。例如，氧氣采用其它噴槍?zhuān)氲綘t下部?jī)?nèi)，控制燃燒焦點(diǎn)的位置。
二是沒(méi)有焦炭導(dǎo)致的爐料下降、透氣性和透液性的問(wèn)題，在低溫約900攝氏度以下利用氫快速還原很重要，所以*好在爐料熔融開(kāi)始前熔化區(qū)(爐下部的氧—?dú)淙紵龓?階段一次熔化，這就需要研究*佳的爐料形狀并改善還原性狀等。
三是考慮氫的危險(xiǎn)性。
除上述因素外，企業(yè)還必須考慮氫氣管道的安全性，構(gòu)建安全的氫氣儲(chǔ)運(yùn)和注入系統(tǒng)。
四是利用焦?fàn)t煤氣發(fā)展非高爐煉鐵技術(shù)（氫冶金直接還原）。
近年來(lái)，在天然氣產(chǎn)量豐富的國(guó)家和地區(qū)（如中東、美國(guó)、南美、東南亞、非洲），DR-EAF（直接還原-電爐）短流程發(fā)展迅速。
其中，氣基豎爐直接還原鐵電爐煉鋼年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到2000萬(wàn)噸以上。美國(guó)有廉價(jià)且豐富的頁(yè)巖氣資源，DR-EAF短流程已步入常態(tài)化發(fā)展。例如，歐洲奧鋼聯(lián)公司在美國(guó)得克薩斯州建造了一座年產(chǎn)200萬(wàn)噸HBI（熱壓塊鐵）直接還原鐵廠，其產(chǎn)品將被運(yùn)回奧地利，供林茨鋼鐵廠使用。印度由于煉焦煤氣短缺，采用煤基+氣基兩種工藝生產(chǎn)直接還原鐵，之后進(jìn)行電爐煉鋼，這使印度成為全球直接還原鐵生產(chǎn)大國(guó)。
這些國(guó)家的生產(chǎn)實(shí)踐證明，DR-EAF短流程具有建設(shè)成本低、能耗低、二氧化碳排放低的特點(diǎn)。得到了鋼鐵行業(yè)的普遍認(rèn)可。但是，發(fā)展DR-EAF的前提是要有充足的天然氣資源支持。
我國(guó)雖然天然氣資源比較匱乏，但焦?fàn)t煤氣量卻很大。焦?fàn)t煤氣含有60%的氫氣，是一種化學(xué)能較高的氣體資源。焦?fàn)t煤氣用作燃料時(shí)效率低下，應(yīng)用作還原劑。焦?fàn)t煤氣直接還原鐵是氫冶金在鋼鐵工藝再造中的應(yīng)用，氫冶金在冶金過(guò)程中不接觸焦炭。生產(chǎn)的直接還原鐵為高純鐵，產(chǎn)品質(zhì)量高，有利于電爐生產(chǎn)高純鋼。
此外，隨著大規(guī)模工業(yè)化經(jīng)濟(jì)制氫（基于太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋、地?zé)崮艿牧闩欧沤?jīng)濟(jì)制氫）和儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展，全氫豎爐直接還原技術(shù)將成為發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展。
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