科普 | 一文詳解氫冶金

連日來，河鋼全球首例120萬噸氫冶金示范工程，實現安全順利連續生產綠色DRI產品。目前，DRI產品金屬化率達到94%，關鍵指標完全達到合格產品標準，可做為高端材料制造高品質潔凈原料，是替代電爐廢鋼特別是高品質廢鋼的重要原料。這標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生產能源應用的第一例，成為中國鋼鐵史乃至世界鋼鐵史上由傳統“碳冶金”向新型“氫冶金”轉變的一個重要的里程碑。

 

 

隨著“碳達峰、碳中和”成為全球產業發展的主旋律，碳排放排名第二的鋼鐵行業需要進行深度變革。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，國內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等項目。從“碳冶金”到“氫冶金”，鋼鐵工業有望摘掉高碳排放、高污染、高能耗的帽子。

以氫代碳的還原反應

氫冶金即用氫氣取代碳作為還原劑和能量源煉鐵，還原產物為水，可實現零碳排放（基本反應式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，還原劑為氫氣，產物為鐵和水）。

 

 

氫冶金的原理

01

高爐富氫還原

即通過噴吹天然氣、焦爐煤氣等富氫氣體參與煉鐵過程。相關實驗表明，高爐富氫還原煉鐵在一定程度上能夠通過加快爐料還原，減少碳排放，但由于該工藝是基于傳統的高爐，焦炭的骨架作用無法被完全替代，氫氣噴吹量存在極限值，一般認為高爐富氫還原的碳減排幅度可達10%-20%，效果不夠顯著。

02

氣基直接還原豎爐

即通過使用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑，將鐵礦石轉化為直接還原鐵，再將其投入電爐進行進一步冶煉。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，不需要煉焦、燒結、煉鐵等環節，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50%以上，減排潛力較大，是迅速擴大直接還原鐵生產的有效途徑。但氣基豎爐存在吸熱效應強、入爐H2氣量增大、生產成本升高、H2還原速率下降、產品活性高和難以鈍化運輸等諸多問題。無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。

多國發布氫冶金技術路線圖

近年來，全球鋼鐵行業都在積極開展氫能冶金實踐。歐洲、日本、韓國等國家和地區的鋼鐵企業均制定了包括氫能冶金在內的低碳冶金技術路線圖，加快研發、試驗和應用，為實現碳中和目標尋求工藝技術突破。

目前全球已經有部分氫冶金技術的案例，例如瑞典酐鐵HYBRIT項目、薩爾茨吉特SALCOS項目、奧鋼聯H2Future項目、德國蒂森克虜伯Carbon2Chem項目等。

 

 

中國實現“綠氫冶金”長路漫漫

目前國內部分鋼鐵企業已發布氫冶金規劃，建成示范工程并投產，取得一定的創新突破，但示范工程尚處于工業性試驗階段，還存在基礎設施不完善、相關標準空白、成本較高、安全用氫等問題，而且現階段考慮氣源、制備、儲運、成本等因素所用氫氣多數仍為“灰氫”，距離實現“綠氫冶金”還有很長的路要走。

中國鋼鐵行業氫冶金主要利用方式具體包括：高爐富氫冶煉技術、氫氣豎爐直接還原技術、氫基熔融還原煉鐵技術等。從中國鋼鐵企業應用進展來看，氫冶金技術有助于顯著減少碳排放，推動碳資源化利用，促進綠色短流程新工藝發展，實現無化石能源冶煉，開辟鋼鐵-化工-氫能耦合降碳路線。此外，氫能在中國鋼鐵企業物流交通領域也取得了良好的節能環保成效。

中國要想實現綠氫冶金，未來還需深入研究分布式綠色能源利用、氫氣制備與存儲、氫冶金、CO2脫除等領域的關鍵技術，形成以氫能為核心的新型鋼鐵冶金生產工藝。

 

 

 

 

氫冶金的未來遠不遠

全球氫冶金項目研究主要分三步：（1）2025年之前，建立中試示范項目驗證大規模氫冶金的可行性；（2）到2030年，利用焦爐煤氣等副產品中的氫進行氫冶金生產；（3）到2050年，實現綠氫對灰氫的替代，進行氫冶金工業化生產。

目前來看，氫能源與鋼鐵產業的合作是雙贏的結果：氫冶金有利于鋼鐵企業節能減排、完成低碳轉型；鋼鐵企業為氫能源提供了更多的落地應用，豐富氫能下游產業鏈。氫能源和鋼鐵產業相輔相成。利于新能源的發展。

鋼鐵行業氫冶金應用仍然面臨綠氫經濟性仍有待提升、技術應用缺乏經驗、氫能儲存運輸成本高、氫基直接還原鐵產品下游市場需求不足等一系列嚴峻挑戰。

對于鋼鐵行業氫冶金未來發展與應用，提出三點建議：

一是系統推進。應從制氫、儲氫、運氫、用氫等全產業鏈系統推進氫能利用，特別是應統籌鋼鐵生產實際應用場景，系統推進“產學研用金”深度融合。

二是發揮市場化機制。現階段氫冶煉工藝成本仍遠高于傳統生產工藝，應充分發揮市場化機制在技術創新等領域的作用，進一步優化金融、人才等資源配置。

三是強化國際合作。應進一步聚焦具體突破環節，強化包括理念、科研、技術、路徑及管理方法等在內的國際交流，推動國際深度合作。

世界鋼鐵協會主席，世界鋼鐵發展研究院院長，河鋼集團黨委書記、董事長于勇介紹，過去30年，全球鋼鐵行業通過提高能源效率和推廣應用循環利用新工藝、新技術，噸鋼綜合能耗已經降低了50%。目前，全球鋼鐵行業的能源消費量占全球的8%左右，碳排放量占全球的7%。面向未來，鋼鐵行業無論是能源結構創新還是工藝結構創新、氫能應用都是實現低碳、甚至“零碳”排放的最佳途徑。特別是氫冶金技術的創新與應用，將帶來傳統鋼鐵冶金技術的革命性變革，使鋼鐵生產擺脫對化石能源的絕對依賴，從源頭上解決碳排放問題。

雖然限制于環境和成本等各種因素，目前鋼鐵工業還沒有實現“一氫到底”，但發展清潔能源是方向，也是使命，“氫冶金”的潛力無限。