氢能在钢铁企业应用方向的探讨

2022-06-24危中良戴金华

冶金动力 2022年3期

危中良，戴金华

（广东韶钢松山股份有限公司，广东韶关 512122）

前言

据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）数据，至本世纪末全球升温控制在1.5 ℃的可能性已极小，为了守住2 ℃的升温红线，需要全球在将来的30年内快速达到碳中和。

为了应对全球气候变化，世界已达成了具有国际约束力的一系列公约，其中最为重要的是《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》和《巴黎协定》。中国作为发展中大国为应对气候变化，积极践行《巴黎协定》，提出碳达峰、碳中和目标和愿景，主动提高国家在碳减排上的自主贡献。

煤炭是我国的第一大能源，占全国能源生产和消费总量的70%以上。我国重点工业行业碳排放量（包括火电、钢铁、水泥、有色、石化、化工等行业）约占全国总排放量的80%，其中钢铁行业约占15%。

目前我国钢铁工业主要是基于“高炉—转炉”流程的炭冶金模式，它是资源、能源密集型产业，其资源、能源消耗大，工业污染排放量大，近几年来，我国钢铁企业虽在节能减排、绿色发展方面取得了较大成就，钢铁企业吨钢能源消耗和污染物排放持续下降，能源管理水平逐步提高，二次能源回收利用水平不断提升，但与此同时，我国钢铁企业能源消耗和排放总量仍然居高不下，企业之间绿色发展水平不充分、不平衡的问题仍然十分突出，钢铁行业面临的环保减排压力仍然巨大。

《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》提出：“2025 年前，钢铁行业实现碳排放达峰；到2030 年，钢铁行业碳排放量较峰值降低30%，预计将实现碳减排量4.2 亿t”。

2030年碳达峰及2060年碳中和任务的迫近，钢铁企业要缓解这一压力，不仅要进行技术改造实现内部节能减排，更重要的是去产能、调结构、促转型。氢气作为一种清洁能源，钢铁企业如何利用氢气，帮助企业实现节能减排、转型升级，是有待探讨的一项主要内容。

1 氢气的来源及特性

1.1 氢气来源

氢气来源广泛，作为二次能源，既可以借助传统化石能源如煤炭、石油、天然气等低碳化技术制取，也可以来自焦化、氯碱、冶金等工业副产品制氢，还可以通过风、光、水等可再生能源制备。与外国相比，目前我国的氢气稀缺，价格较高，主要原因是我国一次能源是以煤为主，煤比石油、天然气含氢量少，制氢过程需要消耗较多的能量。

1.2 氢气特性

氢气是一种无色，无味、无毒的气体。氢气作为一种化工原料，可用于生产各种化工产品，也可作为一种还原剂，用于还原金属氧化物，提纯金属，还可以作为清洁燃料。与其它可燃气体相比，氢气具有以下优势。

（1）燃烧速度快，在空气中为2.7 m/s，是天然气、丙烷的7倍，穿透能力强。

（2）氢气的单位质量热值为1.4×105kJ，是丙烷的2.7倍，汽油的3倍，高于除核燃料外的其它燃气。即同等情况下，燃烧1 kg燃气，氢气燃烧放出的热量比其它燃料均多，火焰温度高；

（3）氢燃烧后生成水，不产生CO2，属于环境友好型燃气。

2 氢气在钢铁企业的应用情况

氢气无论作为清洁能源，还是作为还原剂，在钢铁企业都有用武之地。。

目前氢气在钢铁企业应用层面比较少，主要用于作为金属产品生产过程中的保护气和连铸坯火焰切割的切割气。由于钢铁企业具有丰富的焦炉煤气，大部分钢铁企业用自产的焦炉煤气来制氢，满足以上两个方面氢气的需求。

2.1 保护气

氢气在钢铁企业应用最早，主要作为金属产品生产过程中的保护气，以使金属不被氧化。在钢铁企业金属产品生产或轧制过程中，用氢气作为保护气，隔绝空气，防止金属氧化，同时在高温下，氢气还能与已氧化的金属发生还原反应，将金属置换出来。因此与其它惰性气体相比，氢气作为金属产品生产或轧制过程中的保护气有着无可比拟的优点，目前氢气作为保护气主要用于硅钢片、硬质合金、粉末冶金材料的生产，以及薄板、带钢的轧制。

2.2 火焰切割可燃气

火焰切割是金属加工过程中的一种热切割工艺，是利用预热氧和可燃气的混合燃烧的火焰，将切割材料进行局部加热至燃点，使切割材料在高压氧流中连续燃烧，燃烧所产生的熔渣被切割氧流吹掉，从而形成割缝的一种切割工艺。随着钢铁企业连铸机切割技术进一步发展，连铸坯的切割工艺由最初的乙炔-氧火焰切割，焦炉煤气-氧火焰切割、高能气（天然气、丙烷气、丁烷气）-氧火焰切割、向氢-氧切割方向发展。

氢-氧切割最初用于航空工业的精密切割，但随着切割技术的发展，氢-氧切割逐步应用于钢铁企业连铸坯的切割，其具有以下特点。

（1）降低了碳排放。氢气作为一种清洁能源，切割作业过程中，产生的废气是无毒无害的蒸汽，在改善作业环境的同时，降低了碳排放；与用焦炉煤气切割相比，［1］氢氧切割理论上吨钢CO2排放量可减少0.692 kg。

（2）提高了切面质量。由于氢气燃烧火焰热量集中，燃烧速度快，穿透力强，热影响区小，使得切割端面平整、光滑，端面下部挂渣量少且极易脱落。采用氢气切割，不仅节省了断面清理和后续加工时间，还能保证切割材料不被渗碳。

（3）降低了金属损耗。氢气切割时切缝宽度小，可显著减少金属损失。［2］使用焦炉煤气切割，其切缝可达12 mm；使用氢气切割，其切缝不足6 mm，每吨坯约减少金属耗0.6 kg。

由于氢氧切割其火焰温度高、切割火焰锋利，断面质量好、割缝小，钢耗小，且无碳排放，绿色环保，近年来，随着连铸机切割技术进一步发展，氢--氧火焰切割技术开始应用于冶金企业连铸坯的切割，如：攀钢、包钢等企业，并将逐步推广应用。

3 冶金氢气推广应用的方向

3.1 氢冶炼在钢铁企业应用的必要性

目前我国钢铁企业面临碳减排压力过大。2015年世界主要国家签署《巴黎协定》，2019年全球与能源相关的二氧化碳排放量约330 亿t，其中近14%是由钢铁工业产生。2019 年我国钢铁总产量9.96 亿t，占全世界总产量的53.3%，而钢铁产业CO2排放量为22.27 亿t，约占我国碳排放总量的16%，是碳排放量最多的行业之一。2020年9月我国提出了力争2030年前碳达峰，2060年实现碳中和。

钢铁企业的碳排放主要来源于炼焦用煤，而焦炭用来作为高炉冶炼的还原剂。氢气是一种清洁能源，也可作为一种还原性气体，若高炉冶炼用氢气取代焦炭，可实现无碳排放，其化学反应式如下：

碳冶金：3C+2Fe2O3==4Fe+3CO2

氢冶金：3H2+Fe2O3==2Fe+3H2O

因此氢冶金是钢铁企业当前低碳发展、能源变革的重要方向，也是钢铁企业氢气推广应用的主要方向。

3.2 冶金氢气推广应用的方向

当前氢冶金研究方向主要有高炉富氢冶炼和氢直接还原冶炼。

3.2.1 高炉富氢冶炼技术的应用

高炉富氢冶炼，就是往高炉内喷吹富氢气体（焦炉煤气、天然气）或氢气，是一种低碳炼铁技术。高炉喷吹H2或富氢气体有助于增加生铁产量，并在一定程度上实现节焦，降低碳排放。

国外富氢还原高炉炼铁项目主要有日本COURSE50、德国“以氢代煤”、韩国COOLSTAR、奥钢联H2FUTURE 等；日本高炉富氢还原炼铁是利用焦炉煤气或改质焦炉煤气替代部分焦炭，用来还原铁矿石，该技术的目标是减少10%的碳排放，主要的支撑技术包括富氢还原铁矿石技术、焦炉煤气改质技术和高强度高反应性焦炭生产技术。日本2016年4月对COURSE50项目第一阶段的试验技术的有效性进行了验证，结果表明，碳减排结果为9.4%，基本实现预定的碳减排目标。

国内高炉富氢冶金是以往高炉内喷吹焦炉煤气为典型。〔3〕近年来，梅钢与东北大学合作研发了基于梅钢原燃料条件的高炉风口喷吹焦炉煤气技术，喷吹50 m3/t铁焦炉煤气，炉内还原气浓度增加，炉料还原速度加快，焦比降低14.43%，碳排放减少8.61%。

目前八一钢厂430 m3全氧富氢碳循环高炉，采用全氧和煤气提质富氢关键冶炼技术。2021年7月30 日，完成了第二阶段的目标，实现鼓风氧含量50%的超高富氧冶炼，开展脱碳煤气喷吹试验，并达到减碳8%。

3.2.2 氢还原冶炼技术的应用

氢冶金是利用“气基竖炉-电炉”短流程替代传统“高炉-转炉”冶炼流程

（1）富氢气基竖炉冶炼

富氢气基竖炉直接还原技术早在20 世纪中叶实现了工业化应用。目前世界上正在运行的以天然气或煤制合成气生产还原铁（DRI）的MIDREX、HYL 竖炉达几十座，多数竖炉入炉煤气的氢气含量已达到55%～80%。

国外的富氢气基竖炉工艺普遍使用天然气，而我国是天然气稀缺的国家。我国从二十世纪末开始，陆续开展了气基竖炉直接还原技术的开发和研究。［3］2018年东北大学与辽宁华信启动“辽宁钢铁共性技术创新中心”，研发及建设年产1 万tDRI“煤制气-竖炉-电炉”氢冶金气基竖炉短流程中试装置，该条件下，吨钢总能耗为263.67 kgce，吨钢CO2排放量为829.89 kg，优于传统“高炉-转炉”冶炼流程。

中晋太行矿业有限公司引进伊朗MME 公司“PERED 气基竖炉直接还原炼铁新工艺”，并与中国石油（北京）大学合作利用焦炉煤气制还原气替代天然气的“年产30 万t 富氢气基竖炉直接还原铁项目”于2020年12月建成投产。它是以合格的CO+H2还原气，与氧化球团通过气固反应，生产出直接还原铁的工艺，与传统高炉冶炼工艺相比，该工艺可实现减碳34%、二氧化硫减排74%、氮氧化物减排63%、节能61%。

（2）全氢气基竖炉冶炼

全氢还原冶炼就是采用气基竖炉直接还原，是以“全氢气基竖炉-电炉”短流程替代传统“高炉-转炉”冶炼流程，目前尚处于试验阶段。

国外氢气竖炉直接还原项目主要有欧盟ULCOS的ULCORED 新型竖炉直接还原和氢气竖炉直接还原炼钢技术、瑞典HYBRIT、德国SALCOS、MIDREX H2®等，是以“全氢气基竖炉-电炉”短流程替代传统“高炉-转炉”流程，

ULCOS 提出了氢气直接还原炼钢技术（hydrogen-based steelmaking），采用H2作为还原剂，氢气来源于电解水，还原尾气产物只有水，可大幅降低CO2排放量。在该流程中，全氢气基竖炉直接还原工艺的碳排放几乎为零，若考虑电力产生的碳排放，全流程CO2排放量仅有300 kg/t钢，与传统“高炉-转炉”冶炼流程1 850 kg/t 钢的CO2排放相比减少84%。

3.2.3 高炉富氢与氢直接还原冶炼碳减排潜力对比

高炉富氢还原冶炼的主要途径是喷吹H2和天然气、焦炉煤气等含氢介质。由于高炉的冶炼特性，焦炭的骨架作用无法被完全替代，H2喷吹量存在极限值，高炉富氢还原的碳减排幅度只达10%～20%，而气基竖炉短流程降低碳排放幅度可达50%～80%。因此，高炉通过喷吹含氢介质富氢还原实现碳减排的潜力受到限制，难以实现大幅度的碳减排以及碳中和的目标，可见气基竖炉直接还原更适用于发展氢冶金，甚至实现碳中和炼钢。

4 氢冶炼优势及面临的问题

4.1 优势

4.1.1 工艺流程缩短

传统的碳冶金工艺流程见图1。

图1 传统的碳冶金工艺流程

氢冶金的工艺流程见图2。

图2 氢冶金的工艺流程

以上两种冶金工艺相比，氢冶金工艺流程短。

4.1.2 产品质量高

碳冶金生产的铁水，含S、P、Cu、Zn 等有害元素含量较高，而氢冶金生产的海绵铁，含S、P、Cu、Zn等有害元素的含量相对较低。铁的质量明显提高。

4.1.3 节能减排

与碳冶金相比，氢冶金短流程免除了高污染、高能耗的烧结、焦化、高炉等工序，氢冶金CO2、SO2排放量大幅减少。富氢冶金与炭冶金相比，吨钢能耗、CO2可分别减少60.64%和54.3%。而SO2、NOx和粉尘排放量分别可减少74.0%、22.7%和15.9%。若在富氢气基竖炉的基础上，进一步发展全氢气基竖炉，碳减排效果将进一步提高。

4.2 氢冶金存在问题

（1）高炉富氢冶金时，随着高炉喷氢量的增加，氢气会加速碳与氧化铁反应，焦炭质量会提前变差，但焦炭还要承担料柱骨架的作用，这将影响高炉的相关操作。

（2）受制氢及储氢技术的影响，目前氢气是比较昂贵的二次能源，价格高，因此全氢直接还原炼钢工艺的未来发展很大程度上取决于氢气大规模、经济、绿色制取与经济储运。

（3）由于氢气还原是吸热反应，全氢气基竖炉中没有碳源，系统内无法实现热量互补、变换和物质的循环，全氢气还原铁矿石过程中会大量吸热，竖炉中散料层内的温度场下降，全氢操作会降低其还原性，从而全氢气竖炉生产率降低。若要提高还原反应的速率和保证产能，必须通过增加入炉氢气流量，或者用其他物理方法向床层补充热量保持高温，才能达到氢气快速还原的效果，但因此会造成全氢气竖炉运行成本提高。

（4）氢气密度小，导致氢气进入竖炉就会急剧向炉顶逃逸，致使氢气不能很好地停留在竖炉下部的高温带完成含铁炉料还原的任务，从理论上讲，为解决此问题，入炉氢气必须为高温温度（＞1 000 ℃）和高压（＞1 MPa）气体，产品才可以达到工艺产品的设计指标。由于氢气是一种极其易燃易爆的气体，若竖炉在高温、高压极限条件下长期工作，其安全性能降低，很难保证设备和员工的安全。

（5）全氢竖炉DRI 产品无渗碳，反应活性大，极易发生再氧化，钝化特别困难，难以安全储存、运输和使用，且全氢无渗碳生产的DRI熔点高，送至电炉炼钢时电耗增加。