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(chǎn)過程中的二氧化碳排放，鋼鐵企業(yè)積極開展氫冶金技術(shù)路徑研究，希望通過“以氫代碳”，實現(xiàn)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(shù)、氫基流化床直接還原煉鐵技術(shù)、高爐富氫冶煉技術(shù)和富氫熔融還原煉鐵技術(shù)等四大技術(shù)路徑。
氫冶金技術(shù)現(xiàn)狀
從國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)實踐來看，采用氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)的項目有瑞典HYBRIT項目、安賽樂米塔爾純氫冶煉技術(shù)、德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術(shù)、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(shù)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(shù)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(shù)的有建龍集團CISP富氫熔融還原項目。從以上國內(nèi)外企業(yè)的氫冶金項目所采用的技術(shù)路徑進行分析，氫冶金主流技術(shù)路徑為高爐富氫冶煉和氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)，并且氫能來源基本以焦?fàn)t煤氣為主。
氫冶金技術(shù)減碳潛力分析
對行業(yè)內(nèi)研究較多的氫基直接還原煉鐵技術(shù)和高爐富氫冶煉技術(shù)減碳潛力進行分析。根據(jù)焦?fàn)t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(jié)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?fàn)t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(shù)，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(xiàn)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(shù)，通過富氫、富氧以及爐頂煤氣循環(huán)等措施，降碳目標(biāo)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(chǎn)。
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(chǎn)合成氨、甲醇等產(chǎn)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(shè)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(chǔ)。利用綠電—電解水制氫工藝，氫氣成本是焦?fàn)t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(zhuǎn)爐長流程在成本上進行競爭。
其三，技術(shù)研發(fā)難點多。
全氫直接還原煉鐵技術(shù)是對現(xiàn)有高爐—轉(zhuǎn)爐工藝的革新，在技術(shù)研發(fā)上具有較多關(guān)鍵問題需要解決。一是氫還原為強吸熱反應(yīng)，將影響到反應(yīng)器內(nèi)溫度場分布，而反應(yīng)溫度的變化將影響氫氣利用效率。二是依照現(xiàn)有氣基豎爐工藝或流化床工藝，氫還原反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)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(tǒng)，生產(chǎn)基地由多個不可拆分的化工、冶金反應(yīng)器組成，反應(yīng)器內(nèi)部高溫、高壓，伴有連續(xù)進行的多相物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)，對系統(tǒng)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(fēng)或光等外部自然條件變化，波動性較大，如何通過利用電網(wǎng)、儲能、儲氫等多種方式實現(xiàn)綠氫的穩(wěn)定供應(yīng)，是氫能與鋼鐵產(chǎn)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(xiàn)碳中和的重要路徑。國家和行業(yè)應(yīng)加快制訂鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)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(shù)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(shè)。
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(lián)盟作用。集行業(yè)之力開展氫冶金技術(shù)的研發(fā)與工程化示范，避免技術(shù)研發(fā)的重復(fù)投入和資源浪費。加大高效、低成本選礦技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021年-2035年）》為引領(lǐng)，加強制氫、儲運技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系，支撐氫能在冶金行業(yè)的應(yīng)用。
其四，鋼鐵企業(yè)開展氫冶金示范項目建設(shè)，應(yīng)組織專業(yè)技術(shù)人員深入總結(jié)國內(nèi)外氫冶金工程示范經(jīng)驗，開展相關(guān)技術(shù)裝備調(diào)研、市場分析、技術(shù)經(jīng)濟性評估、氫能資源評估等前期準(zhǔn)備工作，規(guī)避投資風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險。（員曉 彭鋒 李曉 白永強 張麗娜）
