钢铁行业氢冶金技术的发展初探

李少飞 顾华志 黄 奥

武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室 湖北武汉 430081

钢铁行业约占全球终端能源需求的8%，约占全球能源系统二氧化碳排放（包含工艺排放）份额的7%［1］。2020年，世界粗钢产量达18.64亿t，其中中国10.53亿t，占比56.49%［2-3］。世界短流程炼钢粗钢产量约占全部粗钢产量的30%，而中国占比不足10%［4］。高炉炼铁是钢铁冶金流程中能源消耗和温室气体排放量最大的环节，因此，寻找环境友好且经济性俱佳的铁矿石还原方式成为理想工艺的探索热点。氢冶金是氢部分或完全取代碳作为还原剂，实现铁矿石脱氧过程的技术。作为氢冶金关键流程之一的直接还原炼铁［5］是用气体或固体还原剂在低于铁矿石软化温度下，在反应装置内将铁矿石还原成金属铁的方法。与高炉炼铁的主要差异在于其最高工艺温度在1 000℃左右，远低于高炉炼铁最高温度。世界直接还原铁（DRI）年产量［3］2018年突破1亿t，2019年达到1.11亿t，中国DRI较少。因此，氢冶金技术对中国钢铁行业降低能源消耗和温室气体排放具有巨大潜能。

推广氢冶金技术有两个问题需要解决，一个是采用哪一种氢冶金技术更具经济性和可操作性；另外一个是大规模低成本氢气气源问题。本文中，简要介绍直接还原铁工艺，探讨氢冶金气源等问题，并结合钢铁行业氢冶金的国内外项目，对中国钢铁行业推广氢冶金技术提出展望。

1 直接还原铁工艺

直接还原铁（DRI）工艺根据还原剂的物理状态可分为两类：一类是以CO和H2复合气体作为还原剂的气基竖炉直接还原工艺；一类是以煤作为还原剂的煤基回转窑直接还原工艺。典型的DRI工艺实例有MIDREX、HYL/ENERGIRON、回转窑工艺、PERED、CIRCORED、FINMET和ITMK3等。气基竖炉直接还原是在1 000℃左右，通过CO和H2复合还原气体对铁矿石进行还原，得到含铁料的过程。随着其技术的发展和进步，气基竖炉直接还原工艺已成为DRI的主流工艺，同时还原气体中H2比例及其单套设备的实际产量都有逐步增大的趋势。煤基回转窑直接还原工艺由于其能源转换效率低、产品质量不稳定、温室气体排放量大等因素，使得该工艺仅在印度有所推广。

从2000年开始，世界钢铁行业经历了两次的衰退，但DRI产量未受影响，一直保持持续增长的势头［3，6］。2018年世界DRI年产量达100.5 Mt·a-1，2019年增加到了111.1 Mt· a-1。其中，采用MIDREX工艺生产DRI的产量占比60.5%，HYL/ENERGIRON产量占比13.2%，回转窑工艺产量占比24.0%，PERED的占比2.1%，其他工艺产量占比仅有0.2%。气基竖炉直接还原铁产量达到81.94 Mt·a-1，其中，MIDREX工艺贡献了79.8%，HYL/ENERGIRON贡献了余下的20.2%。因此，主要介绍MIDREX工艺，简要介绍HYL/ENERGIRON工艺。

MIDREX工艺源于19世纪60年代，其工艺核心理念是将天然气重整与还原竖炉配套，使得重整制得的CO和H2混合还原气体与铁矿石达到动态的化学平衡［7］。MIDREX工艺分为天然气重整、还原气预热和铁矿石还原三个模块。天然气重整反应为：CH4+CO22CO+2H2。根据不同的还原气来源，MIDREX工艺可以分为两类，一类是天然气基的MIDREX NGTM［8］；另一类是基于煤基合成气，比如煤气化气体、焦炉煤气、COREX尾气等的MXCOL。为使该工艺相对简单和操作性强，该工艺最初主要定位于使用天然气和球团矿。竖炉内发生的主要还原反应为：Fe2O3+3H22Fe+3H2O和Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。在竖炉内部矿石移动床自上而下流动，还原气自下而上逆流与矿石反应，从而可以保持一个高效率的矿石处理方式。一方面，物料移动床使得每一个矿石球团都可以经历同样的温度曲线、还原气成分以及停留时间。另一方面，逆流反应提供了最大的反应驱动力和较短的反应时间。这种矿石运动方式和高炉内部情况相似，但其650～980℃的操作温度大幅低于高炉操作温度。

为了保证还原反应高效进行，需要DRI工艺还原气成分中H2和CO的含量尽可能高。在MIDREX发展过程中，进行了大量的技术革新与工艺改进，主要表现在设计产能、实际产量、能耗、铁矿石适应性、还原气H2和CO 的体积比以及产品种类等方面。MIDREX单套设计产能从0.15 Mt·a-1增加至2.5 Mt·a-1，实际产量一般能达到其设计产能的120%～130%。天然气消耗方面，能耗从高于12.6 GJ·t-1降低至9.6 GJ·t-1。矿石适应性方面，从100%的入炉球团到块矿比例接近70%。还原气成分方面，H2和CO的体积比在0.5～3.5均可适应。产品种类方面，其排出形式可以是冷态直接还原铁（CDRI）、热态直接还原铁（HDRI）和热压块铁（HBI）的任意一种或随机组合。

HYL/ENERGIRON直接还原工艺和MIDREX直接还原工艺流程基本一致，唯一差异在于天然气重整模块。传统HYL工艺采用水蒸气重整天然气，而MIDREX工艺则是利用还原竖炉尾气中的CO2对天然气进行重整。随着技术的发展和进步，基于HYL工艺的ENERGIRON ZR［9］（零重整）工艺，通过利用直接还原竖炉中大量存在的铁作为天然气重整催化剂，实现了传统天然气重整炉的去除，使得直接还原工艺更加简洁和高效。

与高炉炼铁工艺相比，直接还原铁工艺可以大幅降低铁矿石还原过程的能耗和排放。其中作为氢冶金关键流程之一的直接还原铁工艺在天然气资源丰富的中东、印度、俄罗斯、墨西哥等国家和地区得到了较快发展。2019年世界DRI生产国排名前五位的是印度（33.74 Mt）、伊朗（28.52 Mt）、俄罗斯（8.03 Mt）、墨西哥（5.97 Mt）、沙特阿拉伯（5.79 Mt）。煤基回转窑工艺产量主要来自于印度，其产量占到印度直接还原铁产量的79%［10］。

2 氢源

目前，直接还原铁工艺中的H2仍来源于化石能源［11］。其中，天然气是最主要的原材料，源于天然气的氢气产量占比＞75%。天然气重整工艺是常用的方法之一，然而，天然气重整过程受制于能源转化效率，其工艺过程中的温室气体排放量也较高。因此，该工艺还远不能达到可持续性，仍需配置额外碳捕捉（CCUS）装置对其进行额外的减排处理。

钢铁行业氢冶金必然要有大规模、低成本环境友好型的氢气来支撑。世界钢铁联合会和国际能源署于2020年10月联合发布了钢铁行业技术路线图，认为采用100%纯氢直接还原工艺是钢铁行业氢冶金的一个重要发展方向［1］。氢气具有能量密度高、产物只有水的特点，被认为是未来最佳的二次能源载体。虽然氢气可以来源于几乎所有的能源资源，然而制氢工艺的环保效能及能源转换效率也需要考虑到。根据H2来源的不同可以将制氢工艺路线分为两类：一类是来源于高碳能源（化石能源）部分氧化过程的制氢工艺，主要有煤制合成气提纯制取H2、石油催化裂解提纯制取H2和天然气重整等；另一类是源于水电解制取H2。

从整个制氢用氢工艺链条的角度来说，来源于化石能源的氢气，由于其生产过程中仍伴随着大量的CO2排放，仍然需要配置CCUS等装置对其进行进一步的后续处理。而来源于水电解的氢气，根据所用电能不同，有较大的环保效应差异：若电能来源于化石能源燃烧，考虑到发电过程排放、输电用电过程能量转化效能及损耗效能，不能称为环境友好；若电能来源于水电势能、风能、核能、太阳能、潮汐能和地热能，则环保效应增强。在目前的能源结构条件下，基于可再生能源电能生产低碳绿氢，还不足以支撑钢铁行业氢冶金的发展。低碳氢气的产能仍然相对恒定，与可持续发展场景有所偏离。因此，基于可再生能源的绿色氢气的规模化、低成本化制取成了研究和探索的热点［12-15］。

3 钢铁行业氢冶金国内外相关项目

各钢铁公司为实现节能减排，对于推进氢冶金技术提出了各自的应对方案。典型方案有：瑞典钢铁公司的HYBRIT倡议，德国的萨尔茨吉特（Salzgitter）低二氧化碳炼钢项目（SALCOS），安塞乐米塔尔集团的纯氢炼铁项目，韩国的POSCO核能制氢及DRI项目，奥钢联的H2FUTURE项目，我国河北钢铁集团的直接还原铁项目、中晋太行矿业有限公司的焦炉煤气富氢竖炉直接还原铁项目等。

HYBRIT倡议由瑞典钢铁公司联合瑞典国有铁矿石公司和瑞典大瀑布电力公司在2016年提出。初期采用气基竖炉直接还原铁加电炉模式，并采用电解水制氢［16］。目标是到2035年拥有一个完全没有化石燃料的钢铁生产流程。其前期的可行性研究结果表明，在今天的电价、煤炭和二氧化碳排放量的情况下，非化石燃料钢铁价格将会高出20%～30%。然而，随着非化石能源电价的降低以及欧洲碳排放交易系统二氧化碳排放成本的增高，将来非化石燃料钢铁可以在市场上和传统钢铁产品相竞争。

SALCOS项目［17］的第一阶段是对原有的高炉-转炉工艺进行逐步改造，把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线，争取逐步将CO2排放量降低85%。第二阶段，Salzgitter将基于化石能源的灰氢替换成基于可再生能源的绿氢。第三阶段，氢气既可用于直接还原铁生产，也可用于钢铁生产的后道工序，如作为冷轧退火的还原气体。

安塞乐米塔尔集团在其位于德国的汉堡厂进行氢直接还原铁矿石的项目研究［18］。前期将DRI整合进其钢铁流程。后期陆续采用基于可再生能源的绿氢替代化石能源的灰氢，计划建成采用纯氢气做还原剂的年产10万t的钢铁厂。

POSCO［19］推进核能制氢研究和DRI技术。2015年5月，POSCO开展系统集成模块化先进反应堆和超高温核反应堆技术。并计划在2025年建成一个DRI试验炉。

H2FUTURE［20］是一个致力于通过可再生能源原料来生产绿色氢气的项目。奥钢联和奥地利K1-MET中心组将通过整合天然气基DRI与传统长流程炼钢来降低钢铁工业碳排放。随后，计划整合纯氢DRI与电炉炼钢。

河北钢铁集团［21］在2020年11月与意大利特诺恩集团（TENOVA）正式签约建设全球首例120万t规模的氢冶金示范工程。该项目将从分布式绿色能源、低成本制氢、焦炉煤气净化、气体自重整、氢冶金、成品热送、二氧化碳脱出等全流程进行创新研发。

中晋太行的气基竖炉还原铁项目［22］是将焦炉煤气干法重整制备还原气工艺与德国MME公司PERED竖炉工艺进行有机结合，具有高效、节能、减排的特点。

为了推进氢冶金技术，国内成立了宝武核能冶金联盟、酒钢氢冶金研究院、东北大学氢能研究中心、上海大学富氢低碳冶炼模拟科学中心等机构。

4 总结与展望

钢铁行业节能减排，尤其是中国钢铁行业节能减排对于减少温室气体排放应对全球气候变化至关重要。推广氢冶金技术是钢铁行业节能减排的有效途径。

氢冶金技术主要包括引入DRI、高炉注氢、可再生能源替代化石能源、绿色氢源等。对于体量巨大的中国钢铁行业来说，采用哪一种氢冶金方式最具环保效益和经济可行性？在大规模低成本环境友好型氢气可以得到之前，利用焦炉煤气和其他含氢工业气体作为还原剂是合适的。

纯氢直接还原铁工艺是钢铁行业氢冶金的一个重要发展方向。目前受制于可再生能源制取绿色氢气技术的发展。

此外，目前对于氢气气氛下耐火材料服役行为的相关研究甚少，亟待推进面向氢冶金工艺的耐火材料应用基础研究。