科普 | 一文詳解氫冶金

連日來(lái)，河鋼全球首例120萬(wàn)噸氫冶金示范工程，實(shí)現(xiàn)安全順利連續(xù)生產(chǎn)綠色DRI產(chǎn)品。目前，DRI產(chǎn)品金屬化率達(dá)到94%，關(guān)鍵指標(biāo)完全達(dá)到合格產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，可做為高端材料制造高品質(zhì)潔凈原料，是替代電爐廢鋼特別是高品質(zhì)廢鋼的重要原料。這標(biāo)志著河鋼氫冶金示范工程一期取得圓滿成功，該工程是氫作為大工業(yè)生產(chǎn)能源應(yīng)用的第一例，成為中國(guó)鋼鐵史乃至世界鋼鐵史上由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要的里程碑。

 

 

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”成為全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律，碳排放排名第二的鋼鐵行業(yè)需要進(jìn)行深度變革。氫冶金因其巨大的減排潛力，已成為龍頭鋼企志在必得的制高點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外多家鋼鐵公司正在大力布局氫能冶金、綠氫制備和氫能供應(yīng)等項(xiàng)目。從“碳冶金”到“氫冶金”，鋼鐵工業(yè)有望摘掉高碳排放、高污染、高能耗的帽子。

以氫代碳的還原反應(yīng)

氫冶金即用氫氣取代碳作為還原劑和能量源煉鐵，還原產(chǎn)物為水，可實(shí)現(xiàn)零碳排放（基本反應(yīng)式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，還原劑為氫氣，產(chǎn)物為鐵和水）。

 

 

氫冶金的原理

01

高爐富氫還原

即通過(guò)噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣等富氫氣體參與煉鐵過(guò)程。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，高爐富氫還原煉鐵在一定程度上能夠通過(guò)加快爐料還原，減少碳排放，但由于該工藝是基于傳統(tǒng)的高爐，焦炭的骨架作用無(wú)法被完全替代，氫氣噴吹量存在極限值，一般認(rèn)為高爐富氫還原的碳減排幅度可達(dá)10%-20%，效果不夠顯著。

02

氣基直接還原豎爐

即通過(guò)使用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑，將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵，再將其投入電爐進(jìn)行進(jìn)一步冶煉。氫氣作為還原劑的加入使碳排放得到了有效控制。相較于富氫還原高爐，每噸二氧化碳排放量可減少50%以上。這種方式更適合用于氫冶金。

高爐富氫減碳幅度為10%-20%，效果有限。氣基直接還原豎爐工藝是直接還原技術(shù)，不需要煉焦、燒結(jié)、煉鐵等環(huán)節(jié)，能夠從源頭控制碳排放，相較于高爐富氫還原減碳幅度可達(dá)50%以上，減排潛力較大，是迅速擴(kuò)大直接還原鐵生產(chǎn)的有效途徑。但氣基豎爐存在吸熱效應(yīng)強(qiáng)、入爐H2氣量增大、生產(chǎn)成本升高、H2還原速率下降、產(chǎn)品活性高和難以鈍化運(yùn)輸?shù)戎T多問(wèn)題。無(wú)論是高爐煉鐵還是氣基豎爐直接還原鐵，采用氫冶金方式均具備明顯的減碳作用。

多國(guó)發(fā)布?xì)湟苯鸺夹g(shù)路線圖

近年來(lái)，全球鋼鐵行業(yè)都在積極開(kāi)展氫能冶金實(shí)踐。歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的鋼鐵企業(yè)均制定了包括氫能冶金在內(nèi)的低碳冶金技術(shù)路線圖，加快研發(fā)、試驗(yàn)和應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)尋求工藝技術(shù)突破。

目前全球已經(jīng)有部分氫冶金技術(shù)的案例，例如瑞典酐鐵HYBRIT項(xiàng)目、薩爾茨吉特SALCOS項(xiàng)目、奧鋼聯(lián)H2Future項(xiàng)目、德國(guó)蒂森克虜伯Carbon2Chem項(xiàng)目等。

 

 

中國(guó)實(shí)現(xiàn)“綠氫冶金”長(zhǎng)路漫漫

目前國(guó)內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)已發(fā)布?xì)湟苯鹨?guī)劃，建成示范工程并投產(chǎn)，取得一定的創(chuàng)新突破，但示范工程尚處于工業(yè)性試驗(yàn)階段，還存在基礎(chǔ)設(shè)施不完善、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)空白、成本較高、安全用氫等問(wèn)題，而且現(xiàn)階段考慮氣源、制備、儲(chǔ)運(yùn)、成本等因素所用氫氣多數(shù)仍為“灰氫”，距離實(shí)現(xiàn)“綠氫冶金”還有很長(zhǎng)的路要走。

中國(guó)鋼鐵行業(yè)氫冶金主要利用方式具體包括：高爐富氫冶煉技術(shù)、氫氣豎爐直接還原技術(shù)、氫基熔融還原煉鐵技術(shù)等。從中國(guó)鋼鐵企業(yè)應(yīng)用進(jìn)展來(lái)看，氫冶金技術(shù)有助于顯著減少碳排放，推動(dòng)碳資源化利用，促進(jìn)綠色短流程新工藝發(fā)展，實(shí)現(xiàn)無(wú)化石能源冶煉，開(kāi)辟鋼鐵-化工-氫能耦合降碳路線。此外，氫能在中國(guó)鋼鐵企業(yè)物流交通領(lǐng)域也取得了良好的節(jié)能環(huán)保成效。

中國(guó)要想實(shí)現(xiàn)綠氫冶金，未來(lái)還需深入研究分布式綠色能源利用、氫氣制備與存儲(chǔ)、氫冶金、CO2脫除等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，形成以氫能為核心的新型鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝。

 

 

 

 

氫冶金的未來(lái)遠(yuǎn)不遠(yuǎn)

全球氫冶金項(xiàng)目研究主要分三步：（1）2025年之前，建立中試示范項(xiàng)目驗(yàn)證大規(guī)模氫冶金的可行性；（2）到2030年，利用焦?fàn)t煤氣等副產(chǎn)品中的氫進(jìn)行氫冶金生產(chǎn)；（3）到2050年，實(shí)現(xiàn)綠氫對(duì)灰氫的替代，進(jìn)行氫冶金工業(yè)化生產(chǎn)。

目前來(lái)看，氫能源與鋼鐵產(chǎn)業(yè)的合作是雙贏的結(jié)果：氫冶金有利于鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、完成低碳轉(zhuǎn)型；鋼鐵企業(yè)為氫能源提供了更多的落地應(yīng)用，豐富氫能下游產(chǎn)業(yè)鏈。氫能源和鋼鐵產(chǎn)業(yè)相輔相成。利于新能源的發(fā)展。

鋼鐵行業(yè)氫冶金應(yīng)用仍然面臨綠氫經(jīng)濟(jì)性仍有待提升、技術(shù)應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)、氫能儲(chǔ)存運(yùn)輸成本高、氫基直接還原鐵產(chǎn)品下游市場(chǎng)需求不足等一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

對(duì)于鋼鐵行業(yè)氫冶金未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用，提出三點(diǎn)建議：

一是系統(tǒng)推進(jìn)。應(yīng)從制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)推進(jìn)氫能利用，特別是應(yīng)統(tǒng)籌鋼鐵生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研用金”深度融合。

二是發(fā)揮市場(chǎng)化機(jī)制。現(xiàn)階段氫冶煉工藝成本仍遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，應(yīng)充分發(fā)揮市場(chǎng)化機(jī)制在技術(shù)創(chuàng)新等領(lǐng)域的作用，進(jìn)一步優(yōu)化金融、人才等資源配置。

三是強(qiáng)化國(guó)際合作。應(yīng)進(jìn)一步聚焦具體突破環(huán)節(jié)，強(qiáng)化包括理念、科研、技術(shù)、路徑及管理方法等在內(nèi)的國(guó)際交流，推動(dòng)國(guó)際深度合作。

世界鋼鐵協(xié)會(huì)主席，世界鋼鐵發(fā)展研究院院長(zhǎng)，河鋼集團(tuán)黨委書記、董事長(zhǎng)于勇介紹，過(guò)去30年，全球鋼鐵行業(yè)通過(guò)提高能源效率和推廣應(yīng)用循環(huán)利用新工藝、新技術(shù)，噸鋼綜合能耗已經(jīng)降低了50%。目前，全球鋼鐵行業(yè)的能源消費(fèi)量占全球的8%左右，碳排放量占全球的7%。面向未來(lái)，鋼鐵行業(yè)無(wú)論是能源結(jié)構(gòu)創(chuàng)新還是工藝結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、氫能應(yīng)用都是實(shí)現(xiàn)低碳、甚至“零碳”排放的最佳途徑。特別是氫冶金技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，將帶來(lái)傳統(tǒng)鋼鐵冶金技術(shù)的革命性變革，使鋼鐵生產(chǎn)擺脫對(duì)化石能源的絕對(duì)依賴，從源頭上解決碳排放問(wèn)題。

雖然限制于環(huán)境和成本等各種因素，目前鋼鐵工業(yè)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)“一氫到底”，但發(fā)展清潔能源是方向，也是使命，“氫冶金”的潛力無(wú)限。