氢能在钢铁冶金中的应用及发展趋势研究
时间：2023-01-20 13:30:14 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
林圣华
(国家能源集团技术经济研究院，北京市昌平区，102211)
随着人类工业社会的快速发展，由碳排放引起的温室效应日渐严重，冰川融化、极端天气等气候问题已经开始对人类生存产生威胁，世界各国减碳降碳刻不容缓。在全球气候变化和能源转型的背景下，各国都高度重视无碳和低碳能源的开发利用。我国在国际社会上提出了“碳达峰”和“碳中和”的目标，需要全社会为之努力。在钢铁产业和冶金行业生产过程中需要使用大量的碳作为还原剂，因此也会造成大量碳排放。当前，我国钢铁产业和冶金行业年碳排放量超过22亿t[1]，是我国碳排放重点行业。在“双碳”和可持续发展的双重目标加持下，钢铁产业和冶金行业需要进一步探索并通过低碳技术的应用，实现行业高质量、低碳和清洁化发展。氢能作为新兴战略能源，具有零污染、高能量、来源丰富、用途广泛等优点，可以成为促进钢铁产业绿色低碳发展的重要技术方向[2]。
钢铁产业和冶金行业是国民经济发展的基础性产业，对完善国民经济产业支撑、保障国家安全、提升国际地位有着极其重要的作用。但由于对煤炭资源的需求占据着主导地位，钢铁产业和冶金行业成为碳排放的主要部门之一。
公开资料显示，全球钢铁产业和冶金行业每年的碳排放量约占全球温室气体排放总量的3%～4%，我国钢铁产业碳排放量占全国碳排放量的15%[3]，占全球钢铁工业碳排放量的60%以上，因此降低碳排放一直是我国钢铁企业的重要任务。此外，钢铁产业和冶金行业中的烧结、炼焦生产过程将产生废水、硫化物、氮化物、一氧化碳和二恶英等有害物质，环境污染严重[4]。
为降低钢铁产业的碳排放，各国均在积极探索相关技术的研究和应用。欧洲、日本、韩国等国家和地区的钢铁企业均制定了包括氢冶金在内的低碳冶金技术路线，加快了技术研发、示范和应用。
我国《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》要求在“十三五”期间能源消耗总量和污染物排放总量分别下降10%和15%以上。此外，《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》已完成初稿，初步确定了钢铁产业碳达峰目标和重点任务。2025年前，钢铁产业实现碳排放达峰；
到2030年，钢铁产业碳排放量较峰值降低30%，预计将实现碳减排4.2亿t。钢铁产业碳达峰和降碳行动的主要举措包括推动绿色产业布局、节能及提升能效、优化电能结构及流程结构、构建循环经济产业链以及应用突破性低碳技术。我国相关大型钢铁企业如宝武集团、鞍钢集团、河钢集团也发布了碳减排目标和低碳冶金路线图，积极联合科研机构部署和开展相关技术探索和研究，并通过开展低碳冶金示范项目推进钢铁产业碳减排。
其中，氢冶金成为实现钢铁产业低碳发展最重要的技术路径。氢冶金是指利用氢气生产海绵铁的气基直接还原工艺或其他富氢冶金技术。传统高炉炼铁工艺无法规避产生的二氧化碳，而氢冶金工艺以其环保零排放的特点受到越来越多的关注，碳冶金和氢冶金化学反应方程式如下：
碳冶金：
2Fe2O3+ 3C = 4Fe + 3CO2
(1)
氢冶金：
Fe2O3+ 3H2= 2Fe + 3H2O
(2)
由式(1)和式(2)可知，碳冶金还原剂是C，最终产物是CO2，从生产工艺上无法避免碳排放[5]。而氢冶金还原剂为H2，最终产物是H2O，不仅无污染，还可以进行二次利用，真正做到零碳排放。将氢代替碳作为高炉还原剂，可减少或完全避免钢铁生产中的碳排放，是非常重要的碳减排技术，将对钢铁产业和冶金行业生产工艺带来革命性变革[6]。从环境保护角度来看，推进氢冶金发展，进一步替代碳冶金，是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择[7]。
氢冶金是钢铁产业低碳绿色转型升级的有效途径之一，目前研发热点主要集中在富氢还原高炉工艺和氢气气基直接还原竖炉工艺。
2.1 富氢还原高炉工艺
富氢还原高炉工艺即通过喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体参与炼铁过程。相关试验表明，富氢还原高炉工艺在一定程度上能够通过加快炉料还原，从而减少碳排放[8]，但由于该工艺基于传统高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，因此氢气喷吹量存在极限值，一般认为高炉富氢还原的碳减排范围处于10%～20%之间，减排效果不够明显。富氢还原高炉工艺流程如图1所示。
图1 富氢还原高炉炼铁工艺流程[9]
富氢还原高炉工艺相关化学方程式如下：
Fe2O3+ 3H2= 2Fe + 3H2O
(3)
Fe2O3+ 3CO = 2Fe + 3CO2
(4)
CH4+ H2O = CO + 3H2
(5)
CH4+ CO2= 2CO + 2H2
(6)
2.2 氢气气基直接还原竖炉工艺
气基直接还原竖炉工艺即通过使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石直接还原为铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。根据还原气氛中氢的含量，可分为富氢冶金和全氢冶金：焦炉煤气气基竖炉直接还原铁为富氢冶金，全氢冶金为100%氢气冶金。相较于富氢还原高炉工艺，气基直接还原竖炉工艺碳排放量可减少50%以上[10]。
对比2种工艺，富氢还原高炉减碳幅度为10%～20%，效果有限；
气基直接还原竖炉工艺是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，能够从源头控制碳排放，相较于高炉富氢还原减碳幅度可达50%以上，减排潜力较大，是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径。但气基竖炉存在吸热效应强、入炉氢气量增大、生产成本升高、还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题。无论是高炉炼铁还是气基竖炉直接还原炼铁，采用氢冶金方式均有着明显的减碳作用。在世界钢铁冶金的发展中，气基竖炉还原工艺生产的铁约占钢铁产量的80%[11]，是钢铁产业和冶金行业绿色发展的主要方向。
国外在氢冶金方面的应用相对较早，相关技术的开发和项目也较多，日本、德国、瑞典、奥地利等国家率先进行了大量的氢冶金技术开发和示范应用；
随着国内钢铁产业和冶金行业碳排放的逐步增加，相关企业也开始着手布局氢冶金，宝武集团、河钢集团、酒钢集团、天津荣程集团、中晋太行、建龙集团等相继开展相关氢冶金的研究及项目建设。
3.1 国外氢冶金发展态势
近年来，全球钢铁工业都在积极开展氢冶金实践。欧洲、日本、韩国等国家和地区的钢铁企业均制定了包括氢冶金在内的低碳冶金技术路线图，并加快研发、试验和应用，寻求工艺技术突破以实现碳中和目标[12-13]。整体上，国外氢冶金技术相对成熟。日本是最早用氢气进行炼铁尝试的国家，早在2008年日本启动了环境和谐型炼铁项目(COURSE50)，最终目标是实现炼铁工艺二氧化碳排放量减少30%；
随后，瑞典、奥地利、德国等欧洲国家相继开展了氢冶金项目，研发热点主要有富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原工艺。国外氢冶金代表性项目发展情况见表1，目前全球已经有多个氢冶金技术案例，并在具体实践中取得了阶段性成果。
表1 国外氢冶金代表性项目情况
3.2 国内氢冶金发展态势
钢铁产业作为支撑我国国民经济发展的基础性产业之一，是“双碳”目标下工业绿色发展的主战场。近年来，我国陆续出台了相关政策支持并推进钢铁产业绿色低碳发展，氢冶金为重要的支持方向之一。2021年4月，工信部印发《钢铁行业产能置换实施办法》，提出退出配套烧结、焦炉、高炉等设备并建设氢冶金和Corex、Finex、HIsmelt等非高炉炼铁项目的炼铁产能，可实施等量置换；
2022年1月，工信部、国家发展改革委和生态环境部联合印发《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出到2025年，氢冶金、低碳冶金等先进工艺技术取得突破进展，支持建立低碳冶金创新联盟，制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用；
2022年2月，国家发展改革委、工信部、生态环境部、国家能源局联合发布《钢铁行业节能降碳改造升级实施指南》，提出重点围绕富氢冶炼、氢冶炼等低碳技术开展产业化试点示范。
随着氢能产业发展热度持续升温，钢铁产业成为氢能应用发展的重点方向。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，提出开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢冶金示范应用。钢铁产业开展用氢示范，相关研发、设计和配套装备制造的热情明显提升。目前，国内多个钢铁企业在氢冶金方向进行了战略布局，通过联合科研单位等方式，科学推进多种氢冶金技术生产项目试点。其中，宝武集团于2021年11月发布了《宝武集团碳中和行动方案》，公布了以富氢碳循环高炉和氢基竖炉为主要工艺路线的碳中和冶金技术路线图；
河钢集团于2022年3月发布《低碳发展技术路线图》，提出低碳技术变革路径具体措施为氢冶金和CCUS技术应用。整体上，我国布局氢冶金的相关钢铁企业主要包括宝武集团、河钢集团、酒钢集团、天津荣程联合钢铁集团、中晋太行炼化公司、建龙集团等，具体见表2。
表2 国内氢冶金相关项目情况
目前，我国氢冶金发展尚处于起步阶段，各项技术正处于试点示范中，多家企业已将氢冶金作为发展战略进行布局，但离规模化的发展和应用仍有着很大距离。随着我国支持氢冶金发展相关政策的陆续出台和支持体系的逐步完善，以及各大企业氢冶金项目的持续推进，我国氢冶金将迎来快速发展并为我国钢铁产业和冶金行业节能减排做出重大贡献。
(1)钢铁冶金用氢代碳，长远看经济性可期。用氢气代替煤炭用于钢铁产业和冶金行业，工艺变换中成本占比最大是还原剂本身。经计算，生产1 t生铁需要601 Nm3氢气，补偿吸热反应需要67 Nm3氢气，加热融化岛1 600 ℃需要85 Nm3氢气，按照75%热效率计算，生产1 t生铁最终需要的氢气量为1 000 Nm3。而传统工艺，生产1 t生铁需要300 kg焦炭和200 kg煤粉。按照当前的炼焦成本估算，钢铁产业用氢替代碳进行还原可接受的氢气成本为0.65元/Nm3。当前国内煤制氢成本约0.83～1.13元/Nm3，国内泰钢、鞍钢等集团利用焦炉煤气通过变压吸附和提纯后的氢气成本为1元/Nm3，该成本价格虽然大于成本平衡价格，但已较为接近，随着制氢技术不断发展，氢气价格将进一步降低，逐渐缩小与平衡成本之间的差距，因此用氢气替代煤炭作为钢铁冶金还原剂具备较大的经济性潜力[14]。
(2)钢铁企业氢气资源丰富。由于钢厂本身的生产需求或副产气体处理需求，大型钢铁企业均拥有独立的气体生产工厂。如沙钢集团氢气产能为1 400 t/a，氢气纯度达99.999%；
河钢集团焦炉煤气产量达33万Nm3/h，按氢气含量55%计算，约可年产16亿Nm3氢气，氢气纯度达99.999%；
宝钢集团在华东地区拥有完善的高纯氢生产和配送网络，拥有1.8万Nm3/h制氢能力及10万Nm3/h的工业氢资源。
从长远来看，未来用氢气替代煤炭作为还原剂进行炼钢，从成本经济性和资源便利性方面都具备较大发展潜力。
(1)氢能在钢铁产业和冶金行业的应用在我国仍处于起步阶段。对比国外项目，我国钢铁产业和冶金行业在用氢气替代煤炭作为还原剂方面起步较晚，尽管氢冶金已经开始受到了越来越多的关注，但国内整体上在该领域仍处于起步和技术研究阶段。在富氢还原高炉炼铁工艺和氢气气基竖炉直接还原工艺方面，我国在理论基础、技术积累以及产业化应用方面与国外均存在一定差距。主要表现在以下4个方面：一是缺乏在低碳冶金工艺炉内反应机理和炉料特性变化理论方面的研究；
二是氢还原为高温环境(大于850 ℃)，我国在耐高温材料以及高温环境下的氢安全如防爆、防漏等方面缺乏相关基础研究[15]；
三是缺乏与低碳冶金相配套的反应器结构设计以及工艺控制技术；
四是国内部分氢冶金技术已建成示范工程并投产，取得一定创新突破，但各项示范工程尚处于工业性试验阶段，离真正的产业化应用还存在较大距离。
(2)短期内氢气作为还原剂成本仍较高。炼钢需要大量的高纯度、低成本氢气，目前氢气成本仍然较高，短期内很难降低到可满足以氢代煤可接受的氢气成本。此外，更为重要的是，目前全球超过95%的氢气来自天然气、煤炭等化石能源制氢，每生产1 t氢气，以天然气为原料时将产生9～12 t碳排放，以煤炭为原料时将产生约22 t碳排放，在当前能源转型及“双碳”战略目标下，此类制氢工艺不可持续。通过可再生能源电解水制氢才是未来钢铁产业氢冶金工艺的重要途径，而当前绿氢制造成本相比化石能源制氢更为高昂，若按照电价0.25元/(kW·h)计算，绿氢成本价格约为1.5元/Nm3，远大于0.65元/Nm3的成本平衡价格。
(3)缺乏顶层设计和政策支持。政策引领和技术支持是氢冶金技术发展至关重要的两大因素。当前，国家层面已出台的涉及氢冶金方面的政策相对比较宏观，缺乏与氢冶金配套的专项规划、政策体系、标准体系、安全规范等细分政策，导致难以持续匹配良好的资源配置和有效投入，因此无法支撑氢冶金科技创新、技术突破以及示范应用的循序渐进和高质量发展。
随着碳达峰、碳中和目标的提出，作为碳交易市场的主要目标产业和核心参与者，钢铁产业和钢铁企业低碳转型势在必行。在此进程中，以氢气部分或全部代替传统以碳为主的冶金工艺，可从根本上解决现有冶金工艺的能源结构和高排放问题，是当前钢铁产业低碳发展、能源变革的重要方向。其中，对比传统“高炉-转炉”钢铁长流程，氢为主要还原剂的氢冶金可以加速钢铁短流程取代钢铁长流程的进程，实现超低碳或无碳排放，且产品纯净度高，可以生产各种高温合金、耐热合金、精密合金等航空航天、军工和民用等高端高附加值材料的基材，我国氢冶金的发展路线如图2所示。
图2 氢冶金发展路线
在我国未来钢铁产业和冶金行业发展过程中，氢冶金将作为重要的技术手段之一，将有力促进钢铁企业实现碳减排，逐步推动钢铁产业和冶金行业实现绿色低碳发展。下一步，建议大力探索发展低成本电解水制氢以及核能制氢等新型技术，降低氢气成本，发展“绿氢+冶金”的钢铁冶金低碳路线；
此外，应积极探索相关配套机制，如碳税及氢气价格补贴，按阶段引导并推进钢铁产业和冶金行业氢利用的产业化和市场化。未来，随着各项技术的成熟和配套政策的完善，我国氢冶金将形成以富氢还原高炉、气基直接还原竖炉工艺作为主要技术路线，各项示范项目应用持续推进，氢冶金技术研究和实践应用融合发展的新局面。
全球钢铁工业每年碳排放量约占全球温室气体排放总量的3%～4%，我国钢铁工业碳排放量占全国碳排放量的15%，占全球钢铁工业碳排放量的60%以上，从技术路线上看，氢冶金是钢铁产业和冶金行业实现低碳发展最具潜力的技术路线之一。同时，通过氢冶金技术应用示范以及与氢能产业的有效结合，可有力促进钢铁企业的低碳转型和绿色发展。
(1)各国钢铁企业积极推进氢冶金技术应用。欧洲、日本、韩国等国家和地区的钢铁企业均制定了包括氢冶金在内的低碳冶金技术路线图，并积极推进示范应用。全球代表性的氢冶金项目包括瑞典酐铁HYBRIT项目、萨尔茨吉特SALCOS项目、奥钢联H2FUTURE项目、德国蒂森克虏伯Carbon2Chem项目、宝武集团湛江百万吨级氢基竖炉项目、河钢张宣高科120万t/a氢冶金项目等，以上项目均已取得阶段性成果。
(2)气基直接还原竖炉为未来主要路线。氢冶金技术路线主要包括富氢还原高炉和氢气气基竖炉直接还原工艺。富氢还原高炉工艺碳减排范围处于10%～20%之间，减排效果不够明显。气基直接还原竖炉工艺相较富氢还原高炉工艺，碳排放量可减少50%以上，减排潜力相对较大。在世界钢铁冶金的发展中，气基竖炉还原工艺生产的铁约占钢铁产量的80%，是钢铁冶金的主要发展方向。我国宝武集团、河钢集团、中晋太行等企业均采用气基直接还原竖炉工艺开展氢冶金研究并建设示范项目。
(3)氢冶金技术尚未成熟，绿氢冶金为重要方向。虽然氢冶金技术应用可大幅度降低钢铁产业碳排放并受到各国钢铁企业的关注，相关示范项目也在有序推进。但整体上，氢冶金发展尚处于发展初期，国内外相关示范项目尤其国内示范项目投运时间短，处于工业性试验阶段，相关技术研究、材料设备制备均在不断探索中，且缺乏顶层设计和系统性政策支持，离真正的产业化应用还存在较大距离。此外，绿氢将是未来氢冶金应用的主要原料，但绿氢产业在我国尚处于发展初期，成本仍然较高，随着我国可再生能源电力成本的进一步降低以及相关技术的突破，叠加未来碳税成本，绿氢将实现与传统焦炭冶金方式相当的成本价格。
(4)氢能助力钢铁产业高质量绿色转型。钢铁企业即是产氢企业，也是用氢单位，氢能与钢铁产业有着天然的协同促进关系。氢能作为高效、清洁、可持续的零碳能源，十分契合钢铁企业资源、环境和可持续发展的诉求，通过协同、融合发展可助力钢铁产业和冶金行业实现高质量绿色转型。一是通过使用氢冶金技术代替碳冶金，可大幅度降低钢铁产业传统工艺碳减排，完成减碳目标；
二是将氢气融入钢铁产业链中，能够升级传统钢铁制造、扩大氢气使用量、有效利用废钢并减少铁矿石的使用量，优化产业链条；
三是利用氢能重卡替代柴油重卡进行钢厂物料运输，在大幅度降低钢铁产业运输环节碳排放的同时，提升了钢铁企业的绿色形象。
