氢冶金发展现状及面临的挑战

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张建良

氢冶金发展现状

氢冶金概念最早提出于20世纪，以氢气代替碳还原铁矿石，将从源头彻底降低污染物与二氧化碳的排放量，是实现目前零碳排放的最重要的一种途径。目前主流的氢冶金技术路线为高炉富氢冶炼与气基直接还原竖炉炼铁两种技术路线。

欧洲的ULCOS（超低二氧化碳炼钢，2004-2010年）的“氢”子项目是已知最早的氢基炼钢综合研究项目。该项目研究了两种通过氢气还原铁矿石的方法。第一种是在多级流化床中还原细矿粉，用氢气代替天然气，这是唯一将纯氢气用作还原剂的直接还原工艺，使用的氢气是通过天然气蒸气重整产生的。该工艺曾实现过商业化应用，但最终因经济原因而退役。第二种是在立式竖炉中直接还原铁矿石球团或块矿。

富氢高炉炼铁技术

在富氢高炉炼铁研究方面，中国宝武已与中核基团、清华大学于2019年1月15日签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，其思路是利用核能制氢实现氢冶金，目标是基本解决炼铁燃煤限制问题，降低二氧化碳排放30%，形成宝武特有的低碳炼铁技术（见图1）。

在国外，日本COURSE50炼铁工艺、韩国浦项氢还原炼铁工艺、德国蒂森克虏伯氢基炼铁项目等的技术路线都是在高炉内使用部分氢气代替焦炭，实现部分氢还原，大幅减少二氧化碳排放。

日本COURSE50项目启动于2008年，研究内容包括两部分。一是以氢直接还原铁矿石的高炉减排二氧化碳技术，主要包括氢还原铁矿石的技术，增加氢含量的焦炉煤气改质技术，以及高强度高反应性焦炭的生产技术，目标是实现10%的二氧化碳减排。二是高炉煤气中二氧化碳的分离、回收技术，包括二氧化碳在高炉煤气中的分离和捕集技术，利用钢厂废热能源对二氧化碳进行分离和捕集，目标是减排20%的二氧化碳。日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托日本制铁、JFE、神户制钢、日新制钢（已合并至日本制铁）、新曰铁工程公司等5家公司进行试验，预计2030年达到实用化目标，2050年普及到日本国内所有高炉。

另外，德国蒂森克虏伯计划到2050年投资100亿欧元，开发将氢气大量喷入高炉的氢基炼铁技术。2019年11月，蒂森克虏伯正式将氢气注入杜伊斯堡厂9号高炉进行氢基炼铁试验。氢气通过其中一个风口注入到9号高炉，这标志着该项目一系列测试的开始。蒂森克虏伯计划逐步将氢气的使用范围扩展到9号高炉全部的28个风口。此外，该公司还计划从2022年开始，将该厂其他三座高炉都使用氢气进行钢铁冶炼，降低生产中的二氧化碳排放，降幅可高达20%。

2020年8月，德国迪林根和萨尔钢铁进行了高炉喷吹富氢焦炉煤气的操作。该公司认为，未来高炉利用氢作为还原剂在技术上是可行的，但前提条件是应该拥有绿氢。更长远的技术路线是，如果绿氢能在数量上满足需求，则在成本上具有竞争力的前提下，未来萨尔州的钢铁生产将走氢基直接还原铁-电弧炉技术路线。该公司计划下一步在两座高炉中进行使用纯氢的试验。

气基直接还原技术

气基直接还原技术的发展同样引人注目。河钢集团与特诺恩于2020年11月23日签订合同，建设高科技的氢能源开发和利用工程，包括一座年产60万吨的ENERGIRON直接还原厂，这将是全球首座使用富氢气体的直接还原铁工业化生产厂。

山西中晋科技集团于2020年12月20日宣布其氢基直接还原铁项目点火试车，标志着氢基直接还原铁项目（CSDRI）工艺正式开始工业应用阶段，CSDRI工艺如图2所示。CSDRI工艺突破了焦炉煤气改质的关键技术，包括气体转化和净化技术，特别是低压深度脱硫净化技术。

2020年6月，GFG联盟与罗马尼亚政府及相关单位签署了一系列协议，包括采用现代钢铁生产技术，大幅减少二氧化碳排放。他们的计划包括建设一座年产250万吨的直接还原铁厂。该厂最初以天然气作为还原剂，之后随着氢还原技术的成功开发，将采用氢气作为还原剂，而且炼钢工艺将从转炉转向电弧炉，将吨钢二氧化碳排放量减少80%，一旦直接还原铁厂全部采用氢气，其碳排放量将几乎降至零。

除上述富氢高炉与气基还原竖炉两方面的研究外，建龙集团内蒙古赛思普运用氢基熔融还原新工艺，强化对焦炉煤气的综合利用，投产了年产30万吨的氢基熔融还原项目。

氢冶金面临的挑战

目前来看，氢能源与钢铁产业的合作是双赢的结果：氢能源帮助钢铁企业节能减排、延伸业务、完成转型，钢铁企业为氢能源提供了更多的落地应用，促进其发展。氢能源和钢铁工业是一个互相促进的产业组合。然而，氢冶金的概念无论在理论还是实践都还处于起步阶段，目前仍然面临重重困难。最大挑战仍然是低成本制氢的问题，目前钢铁企业大多以利用焦炉煤气等作为氢源冶炼项目的目标，相关研发工作方兴未艾，制氢工艺以及氢冶金技术呼唤关键技术的突破，氢冶金的未来仍需不断探索。与此同时，国家层面氢能政策目前还主要集中在交通领域，氢冶金技术的发展还需要高屋建瓴的顶层设计和政策支持。

《世界金属导报》2021年9月14日