“双碳”背景下氢冶金发展现状与研究进展

刘佳玲　宋德峰　边立国

摘要：在“碳达峰碳中和”战略背景下，中国钢铁工业面临极大的减排压力，而以高炉-转炉长流程占据主导地位的中国钢铁生产中，高炉低碳冶炼成为实现钢铁工业降碳的重要路径。而以氢代碳的氢冶金成为钢铁企业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一，各国钢铁行业正在积极探索从碳冶金向氢冶金转变。本文对国内外钢铁行业的氢冶金工艺技术发展现状、主要工艺及研究项目进展进行了论述。

关键词：低碳；氢冶金；项目进展

0 前言

钢铁工业作为电力、煤炭消费大户，CO2排放量巨大，中国钢铁工业占全国CO2总排放量的15%左右，占世界钢铁工业总排放量的51%，主要原因是中国钢铁生产中高炉-转炉长流程占据主导地位，在整个长流程中，炼铁系统（包括焦化、烧结、球团、高炉炼铁工序）的碳排放量占钢铁长流程碳排放总量的82.79%，因此，高炉低碳冶炼成为实现钢铁工业降碳的重要路径。而以氢代碳的氢冶金成为钢铁企业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一，氢冶金日益成为国内外钢铁领域研发的热点。

1 中国钢铁工业低碳发展概况

中国钢铁工业是基础原材料产业，产量基数大，能源消费密集，是我国制造业中的碳排放大户，走低碳发展之路，不仅关系到中国钢铁工业的生存发展，更是体现中国践行“双碳”的承诺。中国钢铁工业必须抓住绿色低碳发展的契机，加速推进高质量发展。

“十四五”期间，钢铁工业从碳排放强度的“相对约束”到碳排放总量的“绝对约束”，同时还可能面临更多来自“碳经济”的国际挑战，加快低碳转型势在必行。在碳达峰、碳中和的目标约束下，一方面将加速推动钢铁工业改善生产流程、更新生产设备和使用低碳能源，迅速实现钢铁产业和能源结构低碳转型；另一方面可促使钢铁企业主动创新，摒弃高碳排放产品和业务，研发深度脱碳、零碳技术。从长远发展来看，中国钢铁业要加强科技创新，推动电弧炉短流程炼钢、氢冶金、绿电炼钢、先进低碳技术研发等工作的开展，让低碳转型真正成为钢铁工业实现高质量发展、提高竞争力的重要引擎。

2 氢冶金发展现状及主要研究项目

目前，我国钢铁行业90%以上为传统高炉-转炉长流程工艺，在整个长流程中，炼铁系统（包括焦化、烧结、球团、高炉炼铁工序）的碳排放量占钢铁长流程碳排放总量的82.79%，其中高炉炼铁占67.02%，烧结占8.54%，焦化占6.13%［1］。因此，高炉低碳冶炼成为实现钢铁工业降碳的重要路径。而以氢代碳的氢冶金成为钢铁企业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。氢冶金逐渐成为国内外研发的热点。

国外较早部署绿色低碳冶炼研究规划项目（如表1所示）。欧盟设立的ULCOS（超低CO2炼钢）项目是使欧盟吨钢CO2排放量降低至少50%，包括高炉炉顶煤气循环（TGRBF）、先进直接还原工艺（ULCORED）、新兴熔融还原工艺（Hisarna）和电解铁矿石工艺4个技术路线。日本COURSE50项目的关键技术是以氢代碳还原炼铁法、CO2分离和回收［2］。瑞典的“Carbon-Dioxide-Free Steel Industry”计划开始非化石能源钢铁项目HYBRIT，用H2替代高炉用煤粉和焦炭。此外，韩国POSCO钢铁和德国蒂森克虏伯等国外钢铁公司也已实施低碳冶炼项目［3］及“以氢代煤”炼铁［4］。近几年，中国各大钢企及院校开始陆续布局氢冶金技术项目（如表2所示）。

3 氢冶金的主要工艺

氢冶金是以氢气代替碳还原铁矿石，将从源头彻底降低污染物与二氧化碳的排放量。目前，氢冶金工艺主要包括高炉富氢还原工艺、氢基直接还原工艺、氢基熔融还原工艺、氢基等离子直接炼钢工艺等。从技术角度而言，富氢还原高炉技术相对成熟，部分已开始工业化应用，碳減排能力在10%-20%；氢基直接还原工艺的碳减排能力可达50%-98%，如MIDREX、HYLIII及ENERGIRON工艺，是当前的重点研发方向；氢冶金熔融还原多数处于实验室研究阶段，目前工业化尚未成熟［5-6］。

3.1 高炉富氢还原工艺

高炉中富氢还原技术是将含氢介质注入高炉中，从而减少煤/焦炭的使用和二氧化碳的排放；同时就热力学和动力学而言，氢作为氧化铁的还原剂，比一氧化碳具有更多优势。因此，通过将高氢含量的介质注入高炉，来实现富氢还原已成为研究的热点。

3.2 氢基直接还原工艺

直接还原技术的发展同样引人注目。直接还原工艺的产物是直接还原铁（DRI），也称海绵铁。还原反应是通过与反应气体CO和H2进行一系列气固相反应而发生的。工艺的反应器通常是立式竖炉，其还原气体（CO、H2混合物）通过天然气重整获得。国内外很多项目优先考虑在竖炉中用氢进行还原。

3.3 氢基熔融还原工艺

目前，仅有部分企业开展了氢气熔融还原铁氧化物的工业试验。结果表明，在控制好氢气压力和流量的前提下，氢气熔融还原铁氧化物的工业化是安全可行的，但仍需解决热量不足的问题。正式投产的企业只有建龙集团的内蒙古赛思普科技有限公司。

3.4 氢基等离子直接炼钢工艺

氢等离子体熔融还原技术（HPSR），利用高温下的气体等离子体，将氢分子分裂成氢原子和氢离子（H或H+）。这种氢具有比氢分子高得多的还原势，可以将所有的氧化物还原为金属，即液态钢水。近几年在蒙大拿里奥本大学的实验室里第一次试验成功，且目前正在建设一个新的试验工厂，但仍有许多研究工作需要开展。2003年上海大学上海市钢铁冶金重点实验室的张玉文等人研究了等离子态氢还原金属氧化物，证实了等离子态的氢能强化氢还原金属氧化物的能力。建龙集团的CISP工艺发展到第四阶段，将实现等离子氢熔融还原炼铁。

目前，主流的氢冶金技术路线为高炉富氢冶炼与气基直接还原竖炉两种技术路线。国内中国宝武、河钢集团、中晋集团、建龙集团赛思普等较多企业已经制定了氢冶金的发展路线与目标、开展了相关中试试验，甚至进行了工业化实践。

4 氢冶金发展中的关键问题

绿色经济化制氢和安全规模化用氢是发展氢冶金的关键。

4.1 氢冶金技术仍有许多关键技术需要解决突破

目前碳冶金技术工艺成熟，很多的氢冶金工艺仍处于研发或初试阶段，国内外氢冶金项目都处于刚刚起步的项目布局和研发层面，大部分钢铁企业处于签署合作协议、规划发展前景的初级阶段。目前的氢冶金技术仍有许多关键技术需要解决突破，比如氢气直接还原铁氧化物的过程为强烈的吸热反应，需要解决还原过程炉内热量平衡问题。

4.2 绿色经济化制氢

钢铁行业若想大规模发展氢冶金工艺，氢的来源将是面临的首要问题。大规模经济化的氢源是基础。中国“富煤缺油少气”的能源禀赋，缺少充足经济规模的氢源，一直是发展高炉富氢、氢基竖炉和熔融还原工艺的瓶颈。氢冶金面临的最大挑战仍然是低成本制氢的问题，制氢过程的清洁性是实现钢铁行业清洁生产的关键，现阶段绿氢制备成本高，安全储存和输送技术有待进一步完善。目前钢铁企业大多以利用焦炉煤气等作为氢源冶炼项目目标，相关研发方兴未艾，制氢工艺呼唤关键技术突破（如图1），氢冶金的未来仍需不断探索。

5 结论

在“双碳”背景下，氢能是实现绿色低碳转型的重要载体。中国钢铁行业碳排放占全国碳排放总量的15%，是推动碳减排的重要领域。而以氢代碳的氢冶金技术是钢铁产业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。

（1）从长远发展来看，中国钢铁业要加强科技创新，推动电弧炉短流程炼钢、氢冶金、绿电炼钢、先进低碳技术研发等工作的开展，让低碳转型真正成为钢铁工业实现高质量发展、提高竞争力的重要引擎。

（2）高炉低碳冶炼成为实现钢铁工业降碳的重要路径。而以氢代碳的氢冶金成为实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。氢冶金逐渐成为国内外研发的热点。欧盟、日本、瑞典、韩国、德国等国外钢铁公司已纷纷实施低碳冶炼及“以氢代煤”炼铁项目。此外，近几年，中国各大钢企及院校也陆续布局氢冶金技术项目。

（3）氢冶金工艺主要包括高炉富氢还原工艺、氢基直接还原工艺、氢基熔融还原工艺、氢基等离子直接炼钢工艺等。从技术角度而言，富氢还原高炉技术相对成熟，部分已开始工业化应用，碳减排能力在10%-20%；氫基直接还原工艺的碳减排能力可达50%-98%，如MIDREX、HYLIII及ENERGIRON工艺，是当前的重点研发方向；氢冶金熔融还原多数处于实验室研究阶段，目前工业化尚未成熟。

（4）氢冶金技术仍有许多关键技术需要解决突破，以及绿色经济化制氢问题都是发展氢冶金中存在的关键问题。

参考文献

［1］ 上官方钦，张春霞，胡长庆，等.中国钢铁工业的CO2排放估算［J］.中国冶金，2010，20（5）：37.

［2］ 胡俊鸽，周文涛，董刚.日本COURSE 50技术研究现状［J］.鞍钢技术， 2015（1）： 5

［3］ 高雨萌.国外氢冶金发展现状及未来前景［J］.冶金管理，2020（20）：4.

［4］ 王婷婷. 世界氢冶金技术发展现状分析［J］. 中国钢铁业， 2021， 5： 46-49. DOI： 10.3969/j.issn.1672-5115.2021.05.013

［5］ 王新东，郝良元.现代炼铁工艺及低碳发展方向分析［J］.中国冶金，2021，31（5）：1.

［6］ 李少飞，顾华志，黄奥，等.钢铁行业氢冶金技术的发展初探［J］.耐火材料，2020，55（4）：360.