在應對全球氣候變化和能源轉型的背景下，各國都高度重視無碳和低碳能源的開發(fā)利用。氫能被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗捎诰哂衼碓炊鄻?、清潔低碳、靈活高效、應用場景豐富等諸多優(yōu)點，被多國列入國家能源戰(zhàn)略部署。

所謂氫冶金，就是在還原冶煉過程中主要使用氫氣作為還原劑，目前主要有高爐富氫冶煉和氫直接還原工藝。我國高爐富氫冶煉研究與實踐主要是往高爐內噴吹富氫氣體，如焦爐煤氣、天然氣等；氫直接還原工藝主要是利用焦爐煤氣發(fā)展氫基豎爐直接還原。

由于我國廢鋼及天然氣資源短缺，長流程工藝在鋼鐵工業(yè)中占絕對統(tǒng)治地位，但要推進我國鋼鐵工業(yè)的轉型升級，就需要進行鋼鐵工藝流程的再造。

我國鋼鐵企業(yè)氫冶金進展及成果

中國寶武

2019年1月份，中國寶武與中核集團、清華大學簽訂《核能—制氫—冶金耦合技術戰(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)計算，1臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬噸二氧化碳，減少100萬噸標準煤能源消費。

2020年7月份，中國寶武在八鋼進行了富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝實驗，把脫碳后的煤氣接入富氫碳循環(huán)高爐，與接入爐脫碳煤氣前相比，富氫碳循環(huán)高爐噸鐵燃料比下降近45千克，比傳統(tǒng)高爐減排二氧化碳30%。傳統(tǒng)高爐采用熱風爐生產(chǎn)，由于高爐煤氣含有大量氮氣，不具備脫碳再循環(huán)使用價值，這也是傳統(tǒng)高爐實現(xiàn)碳減排最大的難點。2021年7月份，八鋼富氫碳循環(huán)高爐已實現(xiàn)第二階段50%（第一階段為35%）富氧目標。后期，八鋼富氫碳循環(huán)高爐將通過技術升級和優(yōu)化，實現(xiàn)全氧冶煉目標。

2021年1月份，中國寶武宣布力爭2023年實現(xiàn)碳達峰、2035年實現(xiàn)減碳30%、2050年實現(xiàn)碳中和。

鞍鋼集團

鞍鋼集團積極布局氫冶金相關技術研究。2021年7月份，鞍鋼、鞍山鋼鐵與中科院過程所、中科院大化所、上海大學簽訂“綠色氫能冶金技術”五方聯(lián)合研發(fā)協(xié)議，推動綠色氫能冶金技術發(fā)展和應用，主要包括風電+光伏（綠電）—電解水制氫（綠氫）—氫冶金工藝，配加釩電池儲能調峰。

2021年5月份，鞍鋼宣布計劃在2025年前實現(xiàn)碳達峰、2030年實現(xiàn)前沿低碳冶金技術產(chǎn)業(yè)化突破、2035年碳排放總量較峰值降低30%，力爭成為我國鋼鐵行業(yè)首批實現(xiàn)碳中和的大型鋼鐵企業(yè)。

河鋼集團

2019年3月份，河鋼集團與中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心、中國鋼研、東北大學簽訂合作協(xié)議，組建氫能技術與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，研究包括制氫、儲運、加氫等氫能利用領域。

2019年11月份，河鋼集團與意大利特諾恩集團合作利用世界最先進的制氫和氫還原技術在河鋼宣鋼建設全球首例120萬噸規(guī)模的氫冶金示范工程，并于2021年5月份啟動，預計年減碳幅度達60%。該項目利用風能、光能等可再生能源，使用含氫量約70%的補充氣源作為還原劑，生產(chǎn)1噸直接還原鐵僅產(chǎn)生250千克二氧化碳，同時對產(chǎn)生的二氧化碳進行選擇性回收。

2020年11月份，河鋼集團與意大利特諾恩集團簽訂合同，建設高科技的氫能源開發(fā)利用工程，包括1座年產(chǎn)60萬噸的ENERGIRON直接還原廠。

2021年3月份，河鋼和必和必拓簽署合作備忘錄，圍繞氫氣直接還原鐵技術、鋼渣處理及循環(huán)利用技術等重點領域展開協(xié)作。

2021年3月份，河鋼宣布計劃2022年實現(xiàn)碳達峰、2025年實現(xiàn)碳排放量較峰值降10%以上、2030年實現(xiàn)碳排放量較峰值降30%以上、2050年實現(xiàn)碳中和。

包鋼集團

2021年5月份，包鋼宣布計劃2023年實現(xiàn)碳達峰、2050年實現(xiàn)碳中和。

2021年8月份，包鋼集團與億利集團、西部天然氣公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，以包鋼氫冶金工藝路線為基礎，利用億利集團在制氫及西部天然氣公司在管網(wǎng)輸氣方面的優(yōu)勢，形成光伏制氫、管道輸氫和綠氫冶煉共同體，并探索發(fā)展氫能重卡等終端應用產(chǎn)業(yè)。

建龍集團

2021年4月13日，建龍集團總投資達10.9億元、占地240余畝的內蒙古賽思普（CISP）科技有限公司年產(chǎn)30萬噸富氫熔融還原法生產(chǎn)高純鑄造生鐵項目熱試成功，出鐵156噸。

該項目通過氫冶金和熔融還原相結合，強化對焦爐煤氣綜合利用，推動傳統(tǒng)碳冶金向氫冶金轉變，可有效減排二氧化硫及氮氧化物38%左右，減排粉塵89%。該項目研發(fā)共分3個階段，目前處于第一階段，可實現(xiàn)噴氫1萬噸/年，減少二氧化碳排放11.2萬噸/年。

酒鋼集團

2020年10月份，酒鋼建設了首套煤基氫冶金中試裝置及配套的干磨干選中試裝置。其以高爐瓦斯灰為原料，回轉窯投料運行后料層碳氣化反應良好，瓦斯灰在回轉窯內被有效還原，并形成了金屬化塊料。

煤基氫冶金工藝流程短、監(jiān)控點少，水循環(huán)及水處理設施規(guī)模小，煙氣排放次數(shù)少且數(shù)量小，將減少能耗50%以上。

京華日鋼控股集團有限公司

2020年5月份，該公司與中國鋼研簽訂了《年產(chǎn)50萬噸氫冶金及高端鋼材制造項目合作協(xié)議》，以氫冶金全新工藝—裝備—品種—用戶應用為目標，建設具有我國自主知識產(chǎn)權的首臺（套）年產(chǎn)50萬噸氫冶金及高端鋼材制造產(chǎn)線，其所用氫氣是從以天然氣為原料生產(chǎn)醋酸乙烯的共生產(chǎn)品中提取出來的。

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月份在山西左權縣龍泉鄉(xiāng)循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)示范園啟動氣基豎爐直接還原鐵工藝項目建設。該項目投資約為7.5億元，采用優(yōu)質的鐵精粉和焦爐煤氣（配套建設100萬噸焦化項目）生產(chǎn)30萬噸/年優(yōu)質高純直接還原鐵，2021年6月份試產(chǎn)成功，產(chǎn)出了合格海綿鐵。

我國鋼鐵行業(yè)氫冶金建議

第一，國家政策傾斜，解決資金問題。

氫冶金研究和技術創(chuàng)新需要大量資金，同時向氫能轉變需要在太陽能和風能發(fā)電方面投資，鋼鐵企業(yè)可能將面臨較大的資金壓力，需要國家政策的傾斜。

第二，降低氫成本。

在煉鋼（包括生產(chǎn)直接還原鐵）過程中，企業(yè)使用藍氫（使用化石燃料制氫，并使用碳捕集和碳封存）和綠氫的成本高，沒有競爭力。直接還原鐵廠一般使用天然氣，通常位于天然氣價格低廉的地區(qū)，例如中東和美國。目前來看，如果要在使用氫冶煉或生產(chǎn)直接還原鐵方面具有競爭力，那么氫的價格應低于2美元/千克，最好低于1美元/千克。

另外，氫的來源、運輸、存儲也需要考慮。其中，氫的來源主要包括利用鋼廠焦爐煤氣中的氫和通過水電解制氫，而水電解制氫中電力來源應是綠色能源，比如核電、水電、風電等。

第三，解決氫煉鐵技術問題。

一是需要耐氧—氫燃燒超高溫的風口，如果直接使用現(xiàn)有風口，則風口的熔損將成為問題，需要開發(fā)新風口。例如，氧氣采用其它噴槍，引入到爐下部內，控制燃燒焦點的位置。

二是沒有焦炭導致的爐料下降、透氣性和透液性的問題，在低溫約900攝氏度以下利用氫快速還原很重要，所以最好在爐料熔融開始前熔化區(qū)(爐下部的氧—氫燃燒帶)階段一次熔化，這就需要研究最佳的爐料形狀并改善還原性狀等。

三是考慮氫的危險性。

除上述因素外，企業(yè)還必須考慮氫配管的安全性，構建安全的氫貯存、輸送和噴吹系統(tǒng)。

第四，利用焦爐煤氣發(fā)展非高爐煉鐵技術（氫冶金直接還原）。

近年來，在天然氣產(chǎn)量豐富的國家和地區(qū)（如中東、美國、南美、東南亞、非洲），DR-EAF（直接還原—電爐）短流程發(fā)展很快。

其中，氣基豎爐直接還原鐵電爐煉鋼年產(chǎn)量已經(jīng)達到2000萬噸以上。美國有廉價且豐富的頁巖氣資源，DR-EAF短流程已步入常態(tài)化發(fā)展。例如，歐洲奧鋼聯(lián)公司在美國得克薩斯州建造了一座年產(chǎn)200萬噸HBI（熱壓塊鐵）直接還原鐵廠，其產(chǎn)品將被運回奧地利，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，之后進行電爐煉鋼，這使印度成為全球直接還原鐵生產(chǎn)大國。

這些國家的生產(chǎn)實踐證明，DR-EAF短流程具有建設成本低、能耗低、二氧化碳排放低的特點，已獲鋼鐵界普遍認可，但發(fā)展DR-EAF的前提條件是必須有足夠的天然氣資源做支撐。

我國雖然天然氣資源相對短缺，但擁有大量的焦爐煤氣，焦爐煤氣含有60%氫氣，是高化學能氣體資源；焦爐煤氣用作燃料是低效率的，應用作還原劑。焦爐煤氣生產(chǎn)直接還原鐵是氫冶金在鋼鐵流程再造中的應用，而且氫冶金在冶金過程中不與焦炭接觸，生產(chǎn)的直接還原鐵為高純鐵，產(chǎn)品質量高，有利于電爐生產(chǎn)出高純凈鋼。

另外，隨著大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟制氫（太陽能、風能、水能、海洋能和地熱能為基礎的零排放經(jīng)濟制氫）與儲氫技術發(fā)展，全氫豎爐直接還原技術將得到進一步發(fā)展。