為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，我國(guó)提出綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略。國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)作為電力行業(yè)之后碳排放排名第二高的行業(yè)，在完成“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)任務(wù)中，要積極做出低碳發(fā)展的行業(yè)貢獻(xiàn)，研發(fā)降低碳排放的冶煉技術(shù)，特別是氫冶金技術(shù)。本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外鋼鐵行業(yè)氫冶金的主要技術(shù)路線、現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)，并提出目前國(guó)內(nèi)高爐富氫冶煉工藝作為氫能成為主導(dǎo)能源之前的過(guò)渡技術(shù)，將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)占據(jù)氫冶金主體地位的觀點(diǎn)。

(資料圖片僅供參考)

A 鋼鐵行業(yè)碳減排（含氫冶金）主要技術(shù)路線

以“廢鋼—電弧爐”短流程替代“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程

近年來(lái)，我國(guó)處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展期，鋼鐵需求較大，但廢鋼資源總體供應(yīng)難以滿足龐大的鋼鐵需求。因此，從實(shí)際出發(fā)，國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)供應(yīng)以“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程為主，占比約為90%。然而，“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程噸鋼碳排放量為1.8—2.5噸，遠(yuǎn)超“廢鋼—電弧爐”短流程噸鋼碳排放量0.25—0.3噸。因此，在廢鋼資源逐步增加、滿足部分替代鐵礦石進(jìn)口依賴的條件下，可以“廢鋼—電弧爐”短流程替代“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程，達(dá)到明顯降低噸鋼碳排放的目標(biāo)。

高爐噴吹工藝

高爐噴吹工藝，是指通過(guò)向高爐中噴吹天然氣、重油或煤粉來(lái)替代一部分焦炭的冶煉工藝，該工藝早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)獲得工業(yè)化應(yīng)用，并于20世紀(jì)60年代獲得推廣。至于各國(guó)在高爐噴吹工藝中選擇的具體燃料類型，取決于各國(guó)具體燃料類型的可經(jīng)濟(jì)獲得性。比如，在天然氣資源豐富的北美、俄羅斯、烏克蘭多采用高爐噴吹天然氣工藝，而在具有“富煤缺油少氣”資源稟賦國(guó)家，主要以噴吹煤粉作為高爐燃料或煉鐵還原劑的補(bǔ)充。盡管噴吹燃料可以部分產(chǎn)生一氧化碳、氫氣參與煉鐵還原反應(yīng)，但其中氫含量普遍較小，對(duì)于降低焦比、節(jié)約焦炭成本有一定作用，但對(duì)降低碳排放的意義不大。

熔融還原工藝

熔融還原工藝，以?shī)W鋼聯(lián)開發(fā)的COREX非焦煉鐵技術(shù)為代表，由豎爐的還原和熔煉造氣爐的熔融兩部分組成，豎爐利用熔煉造氣爐產(chǎn)生的煤氣對(duì)鐵礦石預(yù)還原，生成海綿鐵，海綿鐵與煤再進(jìn)入熔煉造氣爐進(jìn)行熔煉，生成鐵水和煤氣。

熔融還原工藝本質(zhì)上是“以煤代焦”，可以降低對(duì)焦炭的骨架作用的依賴（實(shí)際上仍需要一定量的焦炭以改善透氣性和順行），從而在不需要優(yōu)質(zhì)的鐵礦石和焦炭的情況下，也可以冶煉出優(yōu)質(zhì)的鐵水，但熔融還原法并沒(méi)有降低對(duì)含碳燃料和碳還原方式的依賴，所以對(duì)降低碳排放的意義也非常有限。

直接還原工藝

直接還原工藝包括氣基直接還原工藝和煤基直接還原工藝，前者在實(shí)際應(yīng)用中更為常見(jiàn)。

氣基直接還原工藝以還原氣為還原劑，還原爐（氣基豎爐）內(nèi)的熱量主要來(lái)自還原氣的物理熱，還原過(guò)程為鐵礦石直接到金屬鐵。由于氣基直接還原的還原氣多由天然氣裂化制取，其中氫氣達(dá)55%，所以氣基直接還原工藝可以實(shí)現(xiàn)部分氫冶金替代碳冶金的作用。

煤基直接還原工藝常見(jiàn)于天然氣較為稀缺的國(guó)家或地區(qū)，如我國(guó)的煤基直接還原工藝有煤基隧道窯法或回轉(zhuǎn)窯法，采用煤制氣+還原豎爐工藝。由于煤基（豎爐）直接還原工藝仍屬于碳冶金，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)部分氫冶金的替代，所以煤基（豎爐）直接還原工藝同樣對(duì)于碳減排意義不大。

高爐富氫冶煉工藝

在上述氣基直接還原工藝中，可以看到部分氫冶金替代碳冶金的影子，但氣基直接還原工藝中的氫冶金技術(shù)，主要是通過(guò)氣基豎爐中被天然氣裂化的氫氣還原反應(yīng)來(lái)完成，而非通過(guò)高爐來(lái)完成。高爐富氫冶煉工藝，則是以焦?fàn)t煤氣改質(zhì)或天然氣裂解制氫得到的還原氣對(duì)高爐進(jìn)行噴吹完成。

由于焦?fàn)t煤氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為55%—60%，在天然氣資源不足，但焦?fàn)t煤氣資源豐富的國(guó)家或地區(qū)，應(yīng)用高爐富氫冶煉技術(shù)的主要思路就是通過(guò)焦?fàn)t煤氣富氫冶煉，可以取得降低焦比和碳排放的較好效果。

圖為鋼鐵行業(yè)碳減排（含氫冶金）主要技術(shù)路線

全氫直接還原工藝

全氫直接還原工藝是在氣基還原豎爐工藝的基礎(chǔ)上，逐步提高原有的天然氣裂解制氣、焦?fàn)t煤氣制氣和煤制氣中氫氣與一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)比，最終實(shí)現(xiàn)全氫還原技術(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了增碳和控制爐溫，所謂的全氫冶煉工藝幾乎不存在，入爐還原氣中的氫氣體積分?jǐn)?shù)最多達(dá)90%。因此，目前鋼鐵行業(yè)的氫冶金技術(shù)還做不到凈零碳排放，最多減少90%左右的碳排放，并且能做到如此高減排比例的氫冶金項(xiàng)目也多處于初試階段，還不能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

B 鋼鐵行業(yè)氫冶金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

高爐富氫冶煉工藝

高爐富氫冶煉所需的還原氣，一般包括天然氣、焦?fàn)t煤氣和氫氣，在目前生產(chǎn)實(shí)踐中，使用較多的是天然氣和焦?fàn)t煤氣，而非氫氣，這主要是基于還原氣的可經(jīng)濟(jì)活動(dòng)性考慮，且天然氣或焦?fàn)t煤氣富含甲烷和氫，在高爐軟熔帶下部噴吹過(guò)程中經(jīng)過(guò)裂解生成一氧化碳和氫氣，提高了高爐中二者參與還原反應(yīng)的濃度和效率；在高爐風(fēng)口噴吹天然氣或焦?fàn)t煤氣，還可以替代噴煤，從而也可以通過(guò)另一途徑降低碳排放。

高爐富氫冶煉工藝存在的主要問(wèn)題：一是高爐中焦炭的骨架作用可以保證高爐中良好的透氣性，用富氫還原氣只能替代部分焦炭的熱反應(yīng)和還原劑，而不能替代焦炭的骨架作用。二是由于氫氣分子較小，噴吹氫氣時(shí)風(fēng)口回旋區(qū)氣流會(huì)發(fā)生改變，從而影響噴吹效率。三是富氫冶煉時(shí)，高爐局部會(huì)產(chǎn)生上冷下熱的問(wèn)題，受熱不均會(huì)對(duì)高爐爐體產(chǎn)生損害。四是富氫還原氣到底應(yīng)該是從軟熔帶下部噴吹還是從風(fēng)口噴吹，或者同時(shí)噴吹的話各占多少比例，是需要不斷改進(jìn)的工藝細(xì)節(jié)問(wèn)題。五是高爐中氫氣含量與其他氣體含量的安全匹配問(wèn)題等。

全氫直接還原工藝

目前，全氫直接還原工藝仍處于試驗(yàn)階段，所謂的全氫（零碳）直接還原工藝，也多是在氣基豎爐中不斷提高氫氣與一氧化碳體積分?jǐn)?shù)比，以全氫（零碳）直接還原為終極目標(biāo)的氫冶金方式。

全氫直接還原工藝存在的主要問(wèn)題：一是氫氣的制備需要較高的財(cái)務(wù)成本，氫氣的儲(chǔ)運(yùn)較傳統(tǒng)能源有諸多不便，氫氣本身也有易燃易爆等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫和安全用氫，對(duì)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備提出了非常高的要求。二是全氫還原或接近全氫還原具有較強(qiáng)的吸熱效應(yīng)，對(duì)豎爐反應(yīng)器產(chǎn)生不利的溫度場(chǎng)影響，進(jìn)而影響氫氣的反應(yīng)效率，如何補(bǔ)充氫氣參與反應(yīng)帶走的熱量是需要不斷改進(jìn)、完善該工藝的重點(diǎn)。三是如果對(duì)含有氫氣的還原氣補(bǔ)充熱量，將對(duì)氫氣本身耐高溫、爐體內(nèi)反應(yīng)物耐氫腐蝕性、防還原氣逸散等提出更高要求，相關(guān)加熱和輸送設(shè)備要具備更高性能。四是氫氣在豎爐中的流速需要根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)節(jié)，才能取得最佳的還原反應(yīng)效率。五是全氫還原或接近全氫還原工藝，需要考慮如何合理滲碳。

C 鋼鐵行業(yè)氫冶金技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)分析

一方面，就國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，全氫或接近全氫冶煉工藝，目前仍處于試驗(yàn)階段，還不能達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的要求。然而，高爐富氫冶煉工藝，可以充分利用我國(guó)是焦炭生產(chǎn)大國(guó)、焦?fàn)t煤氣產(chǎn)出規(guī)模巨大的資源稟賦優(yōu)勢(shì)，在氫能成為主導(dǎo)能源之前，高爐富氫冶煉工藝作為過(guò)渡技術(shù)，將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)占據(jù)氫冶金的主體地位。

另一方面，盡管氫冶金技術(shù)代表著未來(lái)鋼鐵冶煉的發(fā)展方向，但就目前來(lái)說(shuō)，即使在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，氫冶金技術(shù)也處于發(fā)展的初期，并沒(méi)有形成對(duì)傳統(tǒng)的“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程和“廢鋼—電弧爐”短流程工藝的規(guī)模化替代。其中，主要原因是氫冶金自身存在高成本、低安全性、儲(chǔ)運(yùn)不便、需要在現(xiàn)有設(shè)備和流程中改進(jìn)和完善工藝細(xì)節(jié)、需要較長(zhǎng)時(shí)間的論證和檢驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)等問(wèn)題，在找到這些問(wèn)題的解決方案之前，氫冶金技術(shù)也將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)作為現(xiàn)有碳還原技術(shù)的輔助。無(wú)論如何，從全球氣候變化的應(yīng)對(duì)考慮，碳還原技術(shù)如何被氫冶金技術(shù)成功取代，是值得深入研究和實(shí)踐的課題。