鋼鐵是能源消耗總量高、碳排放量大的行業(yè)，在嚴格的資源和環(huán)保碳排放政策約束下，面臨著巨大的環(huán)保壓力和降碳壓力。為降低鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放，鋼鐵企業(yè)積極開展氫冶金技術路徑研究，希望通過“以氫代碳”，實現綠色低碳發(fā)展。截至目前，鋼鐵行業(yè)針對氫冶金研究初步形成氫基豎爐直接還原煉鐵技術、氫基流化床直接還原煉鐵技術、高爐富氫冶煉技術和富氫熔融還原煉鐵技術等四大技術路徑。
氫冶金技術現狀
從國內外鋼鐵企業(yè)實踐來看，采用氫基豎爐直接還原煉鐵技術的項目有瑞典HYBRIT項目、安賽樂米塔爾純氫冶煉技術、德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術、日本COURSE50項目，以及我國的中晉太行直接還原鐵項目、中國寶武湛江鋼鐵氫基豎爐項目和河鋼氫冶金項目。采用氫基流化床直接還原煉鐵技術的有魯奇公司Circored流化床直接還原項目和我國的鞍鋼氫冶金項目，采用高爐富氫冶煉技術的有德國蒂森克虜伯、迪林根—薩爾鋼兩家企業(yè)，以及我國的晉南鋼鐵和中國寶武寶鋼股份，采用富氫熔融還原煉鐵技術的有建龍集團CISP富氫熔融還原項目。從以上國內外企業(yè)的氫冶金項目所采用的技術路徑進行分析，氫冶金主流技術路徑為高爐富氫冶煉和氫基豎爐直接還原煉鐵技術，并且氫能來源基本以焦爐煤氣為主。
氫冶金技術減碳潛力分析
對行業(yè)內研究較多的氫基直接還原煉鐵技術和高爐富氫冶煉技術減碳潛力進行分析。根據焦爐煤氣制直接還原鐵、全綠電綠氫制直接還原鐵和常規(guī)高爐煉鐵3種工藝流程，分別選擇3種工藝流程最接近實際情況的能源資源消耗進行分析，測算碳排放，得到以下結果：“即全綠電綠氫制直接還原鐵碳排放最低，比常規(guī)高爐煉鐵碳排放低約78%，即每噸鐵可減排1.235噸二氧化碳；其次為焦爐煤氣制直接還原鐵，比常規(guī)高爐煉鐵碳排放低約44%，即每噸鐵可減排0.696噸二氧化碳。
對于高爐富氫冶煉技術，在無爐頂氣循環(huán)利用條件下，高爐通過噴吹富氫還原氣實現碳減排的潛力受到限制，一般認為高爐富氫還原的碳減排幅度能夠達到10%~20%。中國寶武開發(fā)的富氫碳循環(huán)高爐技術，通過富氫、富氧以及爐頂煤氣循環(huán)等措施，降碳目標為30%。
氫冶金發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
其一，高品位鐵礦資源匱乏。
氫基直接還原要求鐵精粉品位達到68%以上，脈石含量低于4%，而我國鐵礦石是以低品位磁鐵礦為主，高品位鐵礦資源匱乏，難以支撐我國大規(guī)模開展直接還原鐵生產。
其二，氫能資源少、利用成本高。
我國制氫規(guī)模雖然較大，但大部分均采用化石能源制氫，用于生產合成氨、甲醇等產品，可用于氫冶金的氫能資源較少。鋼鐵企業(yè)只有配套建設焦化項目或周邊地區(qū)有焦化企業(yè)，才具有發(fā)展氫冶金的基礎。利用綠電—電解水制氫工藝，氫氣成本是焦爐煤氣制氫和天然氣制氫的2倍~3倍，用氫成本較高，難以和高爐—轉爐長流程在成本上進行競爭。
其三，技術研發(fā)難點多。
全氫直接還原煉鐵技術是對現有高爐—轉爐工藝的革新，在技術研發(fā)上具有較多關鍵問題需要解決。一是氫還原為強吸熱反應，將影響到反應器內溫度場分布，而反應溫度的變化將影響氫氣利用效率。二是依照現有氣基豎爐工藝或流化床工藝，氫還原反應器內熱量均依靠高溫還原氣的物理熱帶入，解決熱量不足問題將是未來研發(fā)重點。三是通過提高還原氣溫度和增加還原氣流量來補充熱量，將影響到氫氣在豎爐中的流速，進一步影響氫氣還原率及利用效率，同時對氣體加熱爐裝備、反應器的耐高溫、耐高壓、防泄漏、耐氫蝕性等帶來巨大挑戰(zhàn)。四是全氫還原無滲碳條件，不含碳的直接還原鐵熔點高、極易再氧化、自燃，難以安全儲存和運輸。
其四，可再生能源制綠氫與冶金流程耦合難度大。
冶金工業(yè)是一種流程制造系統，生產基地由多個不可拆分的化工、冶金反應器組成，反應器內部高溫、高壓，伴有連續(xù)進行的多相物質相互轉化的化學反應，對系統的可靠性要求很高，必須長期連續(xù)穩(wěn)定運行。而可再生能源受制于風或光等外部自然條件變化，波動性較大，如何通過利用電網、儲能、儲氫等多種方式實現綠氫的穩(wěn)定供應，是氫能與鋼鐵產業(yè)間相互耦合要解決的難題。
發(fā)展建議
其一，氫冶金是鋼鐵工業(yè)遠期實現碳中和的重要路徑。國家和行業(yè)應加快制訂鋼鐵行業(yè)氫能產業(yè)專項規(guī)劃和氫冶金發(fā)展規(guī)劃，明確氫冶金發(fā)展思路、技術路線圖及配套鼓勵性政策，支持低碳冶金園區(qū)、氫冶金示范項目建設。
其二，充分發(fā)揮綠色低碳類投資基金和全球低碳冶金創(chuàng)新聯盟作用。集行業(yè)之力開展氫冶金技術的研發(fā)與工程化示范，避免技術研發(fā)的重復投入和資源浪費。加大高效、低成本選礦技術研發(fā)力度，突破發(fā)展直接還原煉鐵的原料端環(huán)節(jié)限制。
其三，以《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021年-2035年）》為引領，加強制氫、儲運技術研發(fā)和產業(yè)化，形成較為完備的氫能產業(yè)技術創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應體系，支撐氫能在冶金行業(yè)的應用。
其四，鋼鐵企業(yè)開展氫冶金示范項目建設，應組織專業(yè)技術人員深入總結國內外氫冶金工程示范經驗，開展相關技術裝備調研、市場分析、技術經濟性評估、氫能資源評估等前期準備工作，規(guī)避投資風險和技術風險。（員曉 彭鋒 李曉 白永強 張麗娜）
