國內外氫冶金發(fā)展現狀及其展望

陳 龍 陳子波 曹凱琪

華北理工大學冶金與能源學院 河北 唐山 063210

鋼鐵產業(yè)是一個國家的支柱產業(yè)，是工業(yè)發(fā)展必不可少的組成部分。碳作為鋼鐵工業(yè)的還原劑，冶煉過程中能源消耗巨大，環(huán)境污染嚴重。近年來，各國政府為了阻止全球氣候變暖，高度重視無碳和低碳能源的開發(fā)和利用。氫作為綠色、高效的二次能源，具有來源廣泛、燃燒熱值高、清潔無污染、可儲能、利用形式多、安全性好等優(yōu)良特性，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗弧Ｒ虼耍谌虻吞冀洕l(fā)展和“脫碳”大潮的背景下，以減少碳足跡、降低碳排放為中心的氫冶金工藝技術開始得到了研究及發(fā)展。

1 國外氫冶金發(fā)展現狀

1.1 瑞典HYBRIT項目 瑞典HYBRIT項目，旨在聯(lián)合開發(fā)用氫替代煉焦煤和焦炭的突破性煉鐵技術。項目將研究采用氫的直接還原工藝，而氫則是利用非化石能源產生的。氫與球團礦發(fā)生反應，生成直接還原鐵。將直接還原鐵與廢鋼一起裝入電爐，或者制成熱壓塊鐵儲存或出售。瑞典鋼鐵公司計劃于2026年向市場提供第一批無化石能源生產的鋼鐵產品。

1.2 安賽樂米塔爾開展純氫煉鐵技術研發(fā) 類似瑞典HYBRIT項目的思路，目前漢堡廠采用天然氣生產直接還原鐵，該項目的研究是采用氫來直接還原鐵礦石。另外，研究采用變壓吸附法從現有廠的爐頂煤氣中分離氫氣，使其純度達到95%以上。氫直接還原鐵礦石的試驗首先采用煤氣分離出的氫氣，以實現經濟運行。未來當有足夠數量的來自可再生能源的氫時，采用“綠氫”進行生產。

1.3 德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術 蒂森克虜伯集團與液化空氣公司合作，計劃到2050年開發(fā)氫氣大量噴入高爐的氫煉鐵技術。2019年11月11日，蒂森克虜伯正式啟動氫氣注入杜伊斯堡9號高爐，進行氫煉鐵試驗。氫氣通過其中一個風口注入了9號高爐，如果進展順利，氫氣的使用范圍逐步擴展到9號高爐全部的28個風口。此外，蒂森克虜伯還計劃從2022年開始，該地區(qū)其他3座高爐都使用氫氣進行鋼鐵冶煉，從而降低生產過程中的二氧化碳排放，降幅可高達20%。

1.4 奧鋼聯(lián)綠氫項目 研究“綠氫”在工業(yè)生產中的應用，希望用氫替代鋼鐵生產過程中使用的化石燃料。目前，已建成世界上最大的電解槽，正在生產綠氫。奧鋼聯(lián)集團興建混合燃料鋼鐵廠，5座高爐中的3座改為電爐，預計2030年建成。利用電能取代煤和焦炭等化石燃料高爐只是中間步驟，最終目標是利用氫能作為鋼鐵高溫生產的所需能源。預計氫能制鋼這一技術要在2035年以后才能實現。

1.5 薩爾茨吉特低二氧化碳煉鋼項目 該項目核心是氫作為還原劑，減少鋼鐵生產過程中二氧化碳排放，使用的氫氣應由可再生能源生產。目前，共同建造高溫電解器，用于生產高效節(jié)能的“綠氫”。

1.6 日本COURSE50項目 日本COURSE50項目的研究內容包括氫還原工藝技術開發(fā)、從高爐煤氣中 分離和回收二氧化碳以及該技術的實際應用。該項目于2008年啟動，歷時10年開發(fā)了關鍵技術，自2018年開始，進入實際應用的綜合技術開發(fā)階段。項目最終目標是實現煉鐵工藝二氧化碳排放量減少30%，其中對于氫還原煉鐵法二氧化碳減排目標為10%、從高爐煤氣中分離回收二氧化碳技術的減排目標為20%，項目計劃到2030年實現實際應用。

2 國內氫冶金發(fā)展現狀

2.1 中國寶武集團核能利用項目 2018年10月，中國寶武、中核集團和清華大學三方啟動了共同研究核能技術與冶金制造技術。如何協(xié)同以及創(chuàng)新技術鏈與產業(yè)鏈的工作。三方以“產學研”模式開展深度合作，共同打造世界領先的核冶金產業(yè)聯(lián)盟，充分發(fā)揮核能的優(yōu)勢，拓展應用領域，帶動核裝備制造、材料研發(fā)等相關產業(yè)發(fā)展；結合中國寶武鋼鐵產業(yè)的發(fā)展需求，核能技術與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，實現二氧化碳的超低排放。

2.2 河鋼集團氫能利用項目 2019年3月，河鋼集團與中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心、中國鋼研、東北大學簽訂合作協(xié)議，聯(lián)合組建“氫能技術與產業(yè)創(chuàng)新中心”，打造氫能應用研究和科技成果轉化平臺。研究的領域包括制氫、儲運、加氫等氫能利用領域。據悉，河鋼在氫能利用方面還涉足發(fā)展氫能的合格氣源和燃料電池汽車等領域。

2.3 建龍集團建建設年產30萬噸富氫熔融還原高純鑄造生鐵項目項目 內蒙古賽思普科技有限公司的富氫熔融還原法高純鑄造生鐵項目于2020年9月底實現試生產，項目規(guī)模為年產30萬噸。該項目運用富氫熔融還原新工藝，強化對焦爐煤氣的綜合利用，推動傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉變。

3 國內外氫冶金發(fā)展展望

鋼鐵行業(yè)是去產能、調結構、促轉型的重點行業(yè)，氫能具備幫助鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、完成轉型的潛力，因此將綠色電力和氫氣用于鋼鐵制造工藝是變革性技術研發(fā)的熱點。當前，全球氫冶金項目研究可以分三步走:第一步，2025年前，建立中試裝置研究大規(guī)模工業(yè)用氫能冶煉的可行性；第二步，到2030年，實現以焦爐煤氣、化工等副產品中產生的氫氣進行工業(yè)化生產；第三步，到2050年，實現綠色經濟氫氣的工業(yè)化生產，并進行鋼鐵高純氫能冶煉，其中氫能以水電、風電及核電電解水為主。

而我國氫冶煉技術當前還處于研發(fā)起步階段，多數企業(yè)仍處于項目規(guī)劃，簽訂合作協(xié)議的階段，只有少數企業(yè)設立了以清潔能源生產氫氣作為冶煉能源的目標，多數企業(yè)還是以利用焦爐煤氣、化工副產品等作為氫源冶煉為項目目標。我國氫冶煉技術的研發(fā)還需要以國家層面高度的規(guī)劃和定位，確定可行的技術路線圖，在政策支持下，實現氫能和鋼鐵冶煉產業(yè)合作共贏。要真正實現氫冶金的廣泛應用，世界各國還有很長的一段路要走。