有色冶金领域氢冶金发展现状及趋势

董顶一｜文

本文简要探讨了国内氢冶金技术在有色金属行业的运用现状，探讨氢冶金技术在有色金属行业广泛运用面临的现实问题，并就氢冶金在有色金属领域的发展趋势进行展望。

据国家统计局数据，2023 年，有色金属行业工业增加值同比增长7.5%，增幅较工业平均水平高2.9个百分点。十种有色金属产量为7 469.8万吨，按可比口径计算比上年增长7.1%，首次突破7 000 万吨。其中，精炼铜产量1 299 万吨，同比增长13.5%；电解铝产量4 159万吨，同比增长3.7%。2023年，有色金属进出口贸易总额3 315亿美元，同比增长1.5%。进口方面，铜精矿、铝土矿进口实物量分别为2 754万吨、14 138 万吨，同比增长9.1%、12.9%；出口方面，未锻轧铝及铝材出口量567.5万吨，同比下降13.9%，但降幅较前三季度收窄1.5个百分点。数据显示，我国有色金属行业呈现出良好的发展态势。与此同时，由于多数有色金属是通过火法提炼，不仅会加重碳排放，也会产生大量工业废气，对生态环境造成不可小觑的危害。为此,国家出台了一系列政策，希望能够促进氢能源在有色金属冶炼领域的广泛使用，避免走“先污染，后治理”的老路。但氢冶金技术作为一种新战略能源，其在逐步推广的过程中必然会面临种种问题，唯有逐步突破瓶颈，才能践行“既要金山银山，又要绿水青山”的要求。

我国有色冶金领域氢冶金技术的应用现状

氢冶金技术用于炼铁过程已有比较长的历史，20世纪五六十年代开展的高炉喷吹富氢焦炉煤气、天然气，利用重整天然气的气基直接还原等均是富氢冶金，属于氢冶金的范畴。在全球低碳化应对气候变化、“双碳”目标背景下，氢冶金逐渐成为国内外研发和讨论的热点。

1.钢铁冶炼领域氢冶金技术应用现状

（1）政策保障方面

钢铁行业作为我国国民经济发展的基础性产业之一，也是促进“双碳”目标实现的主要阵地。2021 年10 月，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，要求积极探索开展氢冶金、二氧化碳捕集利用一体化等试点示范，助力碳达峰行动在工业领域的开展。2022年1月，工信部、国家发改委、生态环境部联合印发《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，计划于2025年实现行业创新能力的提升，将行业研发投入强度提高到1.5%，实现氢冶金等低碳冶金技术的突破。鼓励企业、高校或研发机构组建低碳冶金创新联盟，提高低碳冶金技术的研发速度和应用。2022年2月，国家发改委、工信部、生态环境部、国家能源局联合发布了《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》，钢铁行业列入其中，提出重点围绕副产焦炉煤气或天然气直接还原炼铁、高炉大富氧或富氢冶炼、熔融还原、氢冶炼等低碳前沿技术，加大废钢资源回收利用，加强技术源头整体性的基础理论研究和产业创新发展，开展产业化试点示范。

伴随着氢产能的不断增加，包括钢铁行业在内的金属行业成为氢能源应用的主要方向。2022年3月，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》，要求开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢能冶金示范应用。至此，国内有关氢冶金技术的研发不断深入，部分有色金属企业也开始积极规划氢冶金战略布局。

（2）技术研发与应用方面

近年来，各钢铁企业对氢冶金技术的关注度越来越高。如2018 年，中核集团、中国宝武集团、清华大学三方展开合作，启动了核能技术与冶金技术的研发项目。在“产学研”的合作模式下，打造出世界领先的核冶金产业联盟，将核能优势拓展至多个金属领域，促进核装备制造、材料研发等相关产业的发展。在立足宝武钢铁产业发展的现实需求，实现了“核能技术+钢铁冶炼+煤化工工艺”的耦合，将排碳量降到了超低水平。

2020 年11 月，山西中升钢铁公司和上海大学合作开展了富氢低碳冶金项目，该项目建造了一种半工业化试验系统——富氢低碳冶炼模拟科学中心装置，主要用于高炉科学、低碳冶金、氢能利用研究。

2021年7月，鞍钢集团、中科院过程工程研究所和中科院大连化学物理研究所联合开展了绿色氢冶金技术研发项目，该项目采用“风电-光伏-电解水制氢-氢冶金”这一绿色冶金工艺，同时配套钒电池储能调峰，确保冶金水平。

2021年8月到2022年，中国宝武集团先后开启了富氢碳循环高炉项目和氢基竖炉，前者实现了目标减碳30%，后者形成短流程低碳冶金路线。

各企业与技术中心积极开展氢冶金技术的研发与应用，并进行相关的战略布局，为国内众多对氢冶金技术跃跃欲试的中小金属冶炼提取企业形成了良好的榜样示范作用。但是，目前我国有色金属冶金领域对氢冶金技术的应用仍处于初步发展阶段，距离氢冶金技术的广泛使用和规模化发展还有一段距离。伴随着国家相关政策的不断完善以及氢冶金技术的不断成熟，该技术不仅能够助力于我国“双碳”目标的圆满成功，更能为我国有色金属行业的发展带来勃勃生机。

2.有色金属冶炼领域氢冶金技术应用现状

氢冶金技术在有色金属还原中也已经实现了规模化应用，如钨、钼、锗、多晶硅等还原均采用氢，其还原技术已比较成熟，针对还原尾气氢回收循环利用在国内有了较为广泛的应用。如在钨粉的制造中，常用氢还原氧化钨的方法制造钨粉，虽然用碳还原氧化钨也能制得钨粉，但容易使金属钨变脆，不利于其进一步加工。通过较高的还原温度、较高湿度的氢气以及较低的供氢流量等工艺条件，适当添加碱金属氧化物，能够有效促使钨粉颗粒变大，并通过球磨和洗涤，使其具备更好的流动性和容器填充性。

在多晶硅还原中，氢气还原技术也已经发展成熟。目前，国内基本都采用改良西门子法生产多晶硅，在还原尾气中含有大量有用成分，这部分还原尾气均通过CDI法回收系统，经过冷凝、压缩、吸收、脱吸、活性炭吸附等工序分别将氯硅烷、氯化氢、氢，分离提纯后循环利用。针对再生氢气的排废处理，也会利用一种再生氢气回收装置，通过压缩、深冷分离、变温吸附、精脱氯、变压吸附技术，将直排至废气处理工序的再生氢气提纯净化后循环利用。还有钼还原炉氢气回收技术也已经发展成熟，利用一种钼还原炉氢气回收循环利用装置，通过水封及阻火器实现防爆功能，并通过五次冷凝、两次气水分离去除氢气中的杂质，并于干燥塔干燥后储存于氢气缓冲罐，这样就实现了氢气的循环利用，有效解决氢冶炼过程中氢能耗费巨大的现实问题，降低了生产成本。

我国有色冶金领域氢冶金技术的应用分析

1.优势

（1）有助于绿色发展战略目标的实现

氢气在有色冶金行业中的使用以及其低碳、环保等特点，主要体现在金属还原、气体清洗和储能利用三个方面。

首先，有色金属行业主要生产的有色金属和合金通常需要使用大量还原剂，传统的还原剂不仅会增加碳排量，还会产生大量废渣。将氢气作为还原剂用于铝、铜、镁等有色金属冶炼，不仅环保，还能减少加工时间和能源损耗，获得高纯度的有色金属。其次，在冶炼有色金属过程中，时常会产生二氧化硫和二氧化碳等气体废物，对环境造成污染。采用氢气对气体进行清洗，不仅能够有效去除废气中的杂质，还能对氢气进行回收，实现能源的循环利用。最后，有色金属由于能源消耗巨大，需要不断探索新的能源储备和利用方式，才能确保冶炼工作有序开展。氢气作为一种高效的储能手段，对于有色金属行业能源的循环利用具有很好的价值。在用水发电的过程中，产生的过剩电能可以被用于制取氢气，储存于气体罐内，并可以随时用于冶炼有色金属。

（2）具有长远性的经济价值

传统的有色金属冶炼是以碳为还原剂，煤炭本身的价格不算昂贵，但在冶炼有色金属的过程中却需要耗费大量的碳，这就使得煤炭成为有色金属冶炼工艺中所占成本比例最大的部分。目前，氢气成本约为1元/标准立方米,虽然该成本的价格离成本平衡还存在一点距离，但在成本不断提升下，相较于用碳做还原剂，其冶炼成本已经得到了有效缩减。且伴随着政府对氢冶金技术研发的支持，我国制氢技术也在不断发展，氢气价格进一步降低也是必然结果。不论是在现在还是在今后，采用氢气冶金都能够缩小与平衡成本之间的差距，具有良好的经济价值。

2.劣势

（1）氢冶金技术在有色行业的应用工艺还不够成熟

在我国，用氢气取代煤炭用于有色金属冶炼这一工艺起步较晚，且仍处于初步发展阶段，因此很难大规模应用于有色金属冶炼。具体体现在以下几个方面：一是相关理论研究成果较少，不能很好地指导工艺生产实践；二是氢冶金技术往往是在850℃以上的高温环境中实施，面临着高温、易爆、易漏等现实问题，而国内相关研究较少，在耐高温材料的使用和氢安全保障等实践工作上欠缺理论指导；三是缺乏与氢冶金工艺配套的反应器结构设计和工艺控制技术；四是国内虽然已经建成一部分氢冶金示范工程并投产，但基本处于工业性试验阶段，现有的氢冶金距离广泛的工业化应用还存在一定差距。

（2）短期内企业可能面临着一定的成本压力

有色金属冶炼过程中需要用到大量的高纯度氢气，但目前的氢成本仍然略高于平衡成本，且在短期内氢气的价格难以降低，这就使得大部分有色金属企业仍是以煤炭作为还原剂进行冶金。一些大型有色金属企业在利用氢冶金技术时，也会在短期内面临着一定的成本压力。目前，全球大多数的制氢方式都是通过天然气、煤炭等化石能源，过程中不可避免地产生碳排放，在能源转型以及“双碳”目标下不能长期使用，需要通过可再生能源电解质水制氢技术才能达到减排的目的，但这种绿氢制造成本是高于化石能源制氢成本的，且远高于企业有色金属冶炼的平衡成本。

有色冶金领域氢冶金技术应用发展趋势

在政府持续推进“双碳”目标实现的背景下，有色金属行业作为碳交易的主要市场，相关企业低碳转型已是大势所趋，氢冶金技术被广泛应用于有色金属冶炼也只是时间问题。在促进有色金属冶炼“以氢代碳”的过程中，解决氢冶金技术工艺、降低制氢成本无疑是有色金属行业实现低碳发展和能源变革的重要方向。一方面，政府应进一步完善顶层设计和政策支持，鼓励各企业和科研中心不断完善包括富氢还原高炉、氢冶金气基竖炉、氢冶金熔融还原等关键技术的理论研究，同时进一步鼓励各有色技术企业开展氢冶金技艺工业试验，以实践促进理论完善，进而更好地指导氢冶金技术实践，促进我国氢冶金技术的发展。另一方面，积极探索低成本的绿氢制作工艺，尤其是电解水制氢工艺和核能制氢工艺，稳步推进“绿氢+冶炼”的有色金属行业低碳路线，助力有色金属行业的绿色可持续发展。与此同时，积极引进国外先进的氢冶金技艺相关配套设施，确保绿氢工艺能够被有效运用于有色金属冶炼。建议加强相关配套机制，如增加工业行业碳税、提高工业行业氢气价格补贴额度等，逐步推进有色金属冶金领域中氢冶金技术的产业化和市场化。

在未来，我国的氢冶金技术将不断进步，富氢还原高炉、氢冶金气基竖炉、氢冶金熔融等技术将成为最核心的技术，制氢成本也会随之降低，被有色金属行业广泛运用，促进“双碳”目标的实现。

总结

氢冶金技术作为一种低碳、零污染的冶金技术，在有色金属行业的应用越来越受到关注。钢铁行业领域的氢冶金技术已经进入到初步发展阶段，但是在镍、钛、钨、钼等有色金属冶金中仍处于实验阶段。我国一方面仍需进一步推动氢冶金技术在钢铁行业领域冶金的发展，不断完善氢冶金技术和设备，探索更低成本的制氢方法；另一方面，要继续加强氢冶金技术在镍、钛、钨、钼等有色金属冶金方面的理论与技术研究，争取将氢冶金技术全面运用于整个有色金属行业，促进有色金属冶金领域在整体上稳步前进与发展。