世界氫冶金技術發展現狀分析

王婷婷

隨著全球資源約束趨緊和環保政策日趨嚴格，鋼鐵行業面臨著越來越大的碳減排壓力。過去十年間，世界主要產鋼國致力于開發能夠顯著降低CO2排放的突破性低碳煉鋼技術，積極開發利用無碳或低碳能源。氫能以其來源多樣、低碳排放、高效、應用范圍廣等特點，被許多國家列為21世紀最具發展前景的清潔能源。以氫代替碳是當前低碳發展、能源變革的重要方向，成為鋼鐵行業共認的節能減排理想方案之一。為推進氫冶金的產業化，世界各國在氫冶金技術方面進行了積極的探索。

一、歐洲主要國家氫冶金技術發展現狀

隨著歐盟“2030年氣候和能源政策目標”的發布，歐盟各國都推出了更為嚴格的環保法規和排放標準；歐盟排放權交易體系(EU-ETS)的建立，使各行業碳排放成本大大增加。在此背景下，歐洲鋼鐵行業將節能減排提升至與利潤增長同等重要的高度來對待。歐盟于2020年7月宣布，計劃到2050年向氫產業投資4700億歐元，重點支持歐洲鋼鐵行業開發氫還原煉鐵工藝技術開發和相應的工廠建設。15個歐洲國家和48家企業聯合發起了超低二氧化碳煉鋼（ULCOS）項目，旨在實現至少50%的二氧化碳減排。ULCOS主要推廣五種工藝：高爐頂煤氣循環（TGR-BF）、直接還原（ULCORED）、熔煉還原（HISARNA）、電解鐵礦石工藝（ULCOWIN/ULCOLYSIS）和氫基煉鋼。目前歐洲的主要氫冶金項目有：

1.安賽樂米塔爾集團純氫煉鐵示范工廠

2019年，安賽樂米塔爾宣布在漢堡工廠設計示范工廠，用氫氣生產鋼鐵，示范大規模制成氫氣并使用100%氫氣作為還原劑生產直接還原鐵。該工廠最初使用天然氣中的灰色氫氣，一旦由可再生能源制備的綠色氫氣能夠以經濟的成本足量獲得，就可以綠色氫氣取代灰色氫氣。未來，該示范工廠每年將生產約10萬噸直接還原鐵，成為世界上第一個以氫氣為動力的工業規模直接還原鐵生產工廠。

2.瑞典鋼鐵HYBRIT 項目

該項目研究采用氫與球團礦生產直接還原鐵，所用的氫由非化石能源制備。該項目的核心概念是通過水電解產生氫氣直接減排，其目標是在瑞典和芬蘭分別減少10%和7%的二氧化碳排放量。HYBRIT的新工藝類似于現有豎爐直接還原，但使用100%氫氣作為還原劑。該項目電解制氫使瑞典電力消耗增加的15kW·h，可通過風力發電和太陽能發電來滿足。該項目將建設三個試點工廠：一個制氫-直接氫還原煉鋼廠（位于盧利亞）、一個非化石球團廠（位于馬爾姆堡和盧利亞）和一個儲氫廠（位于盧利亞）。

2018年6月，HYBRIT項目在瑞典Lulea建設中試廠， 2021-2024年運行后，每年可生產50萬噸直接還原鐵。該中試廠可方便利用瑞典鋼鐵公司現有煉鋼設施和Norrbotten鐵礦。到2024年，該中試廠的建造和運營成本預計為10-20億瑞典克朗，目標是在2035年之前形成無碳解決方案。

3.薩爾茨吉特SALCOS 項目

2016年4月，薩爾茨吉特正式啟動GrInHy 1.0（綠色工業制氫）項目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲存起來。當風能（或其他可再生能源）波動時，電解槽可轉變成燃料電池，向電網供電，以平衡電力供需。SALCOS項目旨在對原有的高爐-轉爐工藝進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型煉鋼工藝逐步轉變為直接還原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現富余氫氣的多用途利用。

2019年1月，GrInHy 1.0項目完成連續2000個小時系統測試后，薩爾茨吉特開展了GrInHy 2.0項目。該項目的顯著特點是通過鋼企產生的余熱資源生產水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發電，然后采用高溫電解水法生產氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產，也可用于鋼鐵生產的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。

4.奧鋼聯H2FUTURE 項目

2017年初，奧鋼聯發起H2FUTURE項目，旨在通過研發突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術，降低鋼鐵生產中的CO2排放，最終目標是到2050年減少80%的CO2排放。H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯、西門子、Verbund（奧地利領先的電力供應商，歐洲最大的水電商）公司、奧地利電網（APG）公司、奧地利K1-MET中心組等。該項目將建設世界最大的氫還原中試工廠。西門子作為質子交換膜電解槽的技術提供方，將為奧鋼聯林茨廠提供電解能力為6兆瓦的電解槽，氫氣產量為1200m3/小時，電解水產氫效率目標為80%以上；Verbund公司作為項目協調方，將利用可再生能源發電，同時提供電網相關服務；奧地利電網公司的主要任務是確保電力平衡供應，保障電網頻率穩定；奧地利K1-MET中心組將負責研發鋼鐵生產過程中氫氣替代碳或碳基能源的工序，定量對比研究電解槽系統與其他方案在鋼鐵行業應用的技術可行性和經濟性，同時研究該項目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業的可復制性和大規模應用的潛力。

5.迪林根和薩爾鋼公司富氫煉鐵技術

德國主要鋼鐵企業迪林根（Dillinger）和薩爾鋼公司（Saarstahl）計劃投資1400萬歐元，研究將聯合鋼鐵企業產生的富氫焦爐煤氣輸入薩爾煉鐵公司的兩座高爐中，用焦爐煤氣中的氫取代部分碳作為還原劑的工藝技術，以減少煤粉和冶金焦的使用量，從而降低高爐內的碳強度和整個煉鐵過程中的碳足跡。這一應用將是未來氫基煉鐵的大膽一步。根據工程進度計劃，2020年夏季，該公司5號高爐風口總數的一半開始噴入焦爐煤氣；到2020年底，兩爐的所有風口都永久噴入焦爐煤氣。

6.德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術

蒂森克虜伯-斯塔爾股份公司啟動了一個項目，涉及用氫氣替代煤作為還原劑，減少或完全避免鋼鐵生產中二氧化碳的排放。蒂森克虜伯已經完成了向杜伊斯堡工廠9號高爐28個風口之一注入氫氣的測試，目的是減少冶金煤的使用，到2030年將二氧化碳排放量減少30%?；诘谝浑A段成功試驗結果，蒂森克虜伯將在2022年開始的第二階段中向所有28個風口注入氫氣。該計劃完成后，蒂森克虜伯將在杜伊斯堡開始建設年產能120萬噸的氫基直接還原鐵廠，并將全部使用綠色氫氣運行，預計2025年完成。

7.普銳特冶金技術公司的無碳氫基鐵礦粉直接還原技術

2019年6月，普銳特宣布正在開發一種不需要燒結或球團等任何預處理工序即可使用鐵精礦的直接還原工藝。該工藝借鑒了Finmet工藝開發和設備安裝的經驗，可采用所有類型的精礦，甚至是粒度小于0.15毫米的粉礦。新工藝使用綠色氫氣、傳統蒸汽重整爐的富氫氣體或者富氫廢氣作為還原劑，將顯著減少CO2排放，甚至零排放。直接還原設備采用模塊化設計，每個模塊的設計產能為25萬噸/年，可適用于所有規模的鋼廠。

此外，作為全球領先的冶金設備供應商，德國西馬克正在與意大利達涅利聯合開發氫基煉鐵工藝。

二、亞洲氫冶金技術發展現狀

1.日本Course50 低碳冶金項目

日本的氫還原煉鐵course50包括兩項主要技術：富氫還原和從高爐廢氣中捕獲并回收二氧化碳，以減少二氧化碳排放。新日鐵建設了一座生產能力為35t/d的12m3實驗性高爐，確定了氫還原煉鐵減排10%、二氧化碳回收減排20%、總體減排30%的項目減排目標。在氫還原煉鐵中，用氫氣代替部分焦炭以減少高爐生產中的二氧化碳排放。由于氫的密度小，加上氫還原反應的吸熱性，為了保證還原性能的最大化和爐內溫度的穩定，試驗中對高爐爐身和滾道的位置進行了調整，并在噴吹前對氫氣進行了預熱。2014-2016年進行的第一階段高爐噴氫試驗表明，與不噴氫相比，碳排放減少了9.4%。第二階段進行擴大試驗，逐步模擬4000m3～5000m3的實際高爐，到2030年，將在第一座高爐進行氫氣還原，到2050年，該技術將在日本投入使用。

C O U R S E 50 項目也被開發用于從焦爐煤氣（COG）中生產氫氣。當焦爐煤氣離開炭化室時，溫度達到800℃，可最大限度地利用顯熱催化裂解焦油和烴類物質，從而產生氫氣。采用這種技術，焦爐煤氣中的氫氣含量從55vol%增加到63vol%～67vol%，氣體體積增加一倍。該技術已完成工業試驗。

course50項目只是日本低碳冶金的第一步。包括高爐氫氣還原（內氫氣和外氫氣）、無高爐氫氣還原、二氧化碳捕集與儲存（CCS）和二氧化碳捕集利用（CCU）在內的一系列相關的氫冶金技術已經在日本開發或計劃中。

2.韓國的COOLSTAR 項目

根據韓國政府2019年10月修訂的《2030年國家溫室氣體減排路線圖》，韓國鋼鐵工業2030年二氧化碳排放量目標將從最初的1.357億噸降至1.271億噸。因此，韓國高爐鋼企迫切需要開發氫還原煉鐵技術，同時需要大量廉價氫氣。

從2017年12月開始，韓國正式啟動氫還原煉鐵工藝研究。該項目作為一項政府課題，由韓國產業通商資源部主導，韓國政府和民間計劃投入898億韓元用于相關技術開發，其中，政府資金600億韓元，民間資金298億韓元。該項目正式名稱為COOLSTAR（CO2Low Emission Technology ofSTeelmaking and Hydrogen Reduction），主要包括“高爐二氧化碳減排混合煉鐵技術”和“替代型鐵原料電爐煉鋼技術”兩項子課題。2017-2020年是該項目實驗室規模的技術研發階段，主要完成基礎技術開發；2021-2024年是中試規模的技術開發階段，主要完成中試技術驗證，到2024年11月前完成氫還原煉鐵工藝的中試開發，并對具有經濟性的技術進行擴大規模的試驗；2024-2030年完成商業應用的前期準備研究；2030年以后篩選出真正可行的技術并投入實際應用研究；到2050年前后實現商用化應用。項目的終極目標是減排二氧化碳15%，同時確保技術經濟性。COOLSTAR項目的第一部分課題由浦項鋼鐵公司主導，依據歐洲和日本的技術開發經驗和今后的發展方向，以利用煤為能源的傳統高爐為基礎，充分利用由鋼鐵廠產生的副產煤氣改質精制而成的灰色氫氣，從而實現氫氣的大規模生產，并作為高爐和電爐的還原劑；第二部分課題是將氫氣作為還原劑，通過制備DRI（直接還原鐵）逐步替代廢鋼，由此減少電爐煉鋼工序二氧化碳排放，同時提高工序能效，最終目標是向韓國電爐企業全面推廣。

目前，浦項鋼鐵公司浦項廠已將還原性副產氣體作為還原劑進行應用，這類副產氣體由發電站供應?，F代鋼鐵公司利用生物質替代煤炭，由此實現煉鐵工序二氧化碳減排。浦項工科大學開發了高溫固體氧化物電解電池系統，可以還原二氧化碳，并通過間接去除技術，減少尾氣中的二氧化碳。延世大學開發的吸附工藝可從焦爐煤氣中回收氫氣，同時對甲烷進行濃縮。韓國科學技術院（KAIST）從焦爐煤氣中生產氫氣，并試圖通過水蒸氣改質工藝研究，擴大氫氣的產量。釜慶大學利用煉鐵副產煤氣，制備高碳、高金屬化率的DRI。

三、美國低碳煉鋼技術發展現狀

美國的低碳煉鋼研究由美國能源部和美國鋼鐵協會共同出資，由冶金領域頂尖的高校牽頭實施，旨在開發能顯著降低鋼鐵生產中CO2排放的新技術，包括在鋼鐵生產中使用清潔能源和開發CO2分離／捕集技術，如高溫電解還原煉鐵、氫氣還原煉鐵、礦物分離和石灰吸收電爐尾氣CO2。其中有兩項技術抑制CO2排放效果最好：一是熔融氧化電解（moltem oxide electrolysis，簡稱MOE），通過電解還原鐵礦；二是氫氣閃熔，用氫氣作為還原劑煉鐵。

美國的氫氣閃熔是一種新型的閃速煉鐵技術，將鐵精礦在懸浮狀態下還原成金屬化率高的直接還原鐵，還原氣體可以是H2、CH4或其他氣體。該工藝是適應美國鐵礦石資源狀況發展起來的，美國60%的鐵礦石是鐵燧巖，其粒徑小于25～38μm。在該工藝中，直接使用氧化鐵精礦，無需造?；驘Y。美國猶他大學進行了大規模的測試，采用安賽樂米塔爾和Ternium公司的鐵精礦和內徑為20.3厘米、長度為244厘米的豎爐，在1200℃～1400℃的溫度下，1～7s內可迅速獲得90%～99%的還原度。通過數學計算，比較了含H2、CH4和煤的高爐流程和FIT（美國享受稅收補貼的新能源技術）流程的能耗，FIT工藝的能耗明顯低于高爐工藝。對于1噸鐵，當氫氣、CH4和煤被適當利用時，CO2排放量分別為71kg、650kg和1145 kg。相比之下，常規高爐的排放量高達1671kg。即使以煤為燃料，FIT的CO2排放量也明顯低于高爐工藝。

四、世界氫冶金技術發展對我國的啟示

1.氫冶金技術發展需要頂層設計

與國外氫冶金的發展對比，目前我國氫冶金配套的專項規劃、政策體系、標準體系、安全規范還缺乏頂層設計。涉及氫能產業的政策主要體現在交通領域，例如新能源汽車、加氫站、氫儲存、運輸和燃料電池等方面。氫能在工業領域的應用還處于政策制定和規劃之中，我國氫冶金頂層設計和政策引導還有待加強。

2.氫冶金技術發展應當逐步推進

氫是一種昂貴的二次能源，氫冶金的主要挑戰是制氫和儲氫環節的經濟性和低碳性。國外氫冶金技術研究多采用豎爐做實驗，純氫豎爐的成本，包括設備、投資和維護費用幾乎是目前煤氣化-煤氣豎爐的兩倍，到目前純氫豎爐直接還原鐵還難以實現盈利和商業化生產。制氫和儲氫的規模化、零排放和經濟產業化將推動全氫豎爐的進一步發展。在中國，使用富氫豎爐比使用純氫豎爐更容易成功。我國應充分利用現有成熟的豎爐設計產業化和生產運行經驗，改進關鍵設備，優化豎爐還原工藝參數，最大限度地發揮富氫豎爐的優勢，獲得適當的產能和低能耗。同時，隨著以太陽能、風能、水能、海洋能、地熱能為基礎的零排放、經濟化、規?；茪涞陌l展和實踐，以及儲氫裝置和儲氫技術的開發和產業化，應積極發展純氫冶金。

3.氫冶金技術發展需要協同推進

氫冶金技術的發展需要從產氫和用氫兩端協同推進。我國氫能行業和氫冶金目前都處于起步階段，不僅需要努力發展技術，也需要更多的資金和人才支持。如果氫能和鋼鐵產業的合作形成了互補，將有良好的示范效應，就能吸引更多行業涉足氫能，一定會有雙贏的結果。

參考文獻略