氫能在鋼鐵冶金中的應用及發展趨勢研究

林圣華

(國家能源集團技術經濟研究院，北京市昌平區，102211)

隨著人類工業社會的快速發展，由碳排放引起的溫室效應日漸嚴重，冰川融化、極端天氣等氣候問題已經開始對人類生存產生威脅，世界各國減碳降碳刻不容緩。在全球氣候變化和能源轉型的背景下，各國都高度重視無碳和低碳能源的開發利用。我國在國際社會上提出了“碳達峰”和“碳中和”的目標，需要全社會為之努力。在鋼鐵產業和冶金行業生產過程中需要使用大量的碳作為還原劑，因此也會造成大量碳排放。當前，我國鋼鐵產業和冶金行業年碳排放量超過22億t[1]，是我國碳排放重點行業。在“雙碳”和可持續發展的雙重目標加持下，鋼鐵產業和冶金行業需要進一步探索并通過低碳技術的應用，實現行業高質量、低碳和清潔化發展。氫能作為新興戰略能源，具有零污染、高能量、來源豐富、用途廣泛等優點，可以成為促進鋼鐵產業綠色低碳發展的重要技術方向[2]。

1 鋼鐵產業和冶金行業發展現狀

鋼鐵產業和冶金行業是國民經濟發展的基礎性產業，對完善國民經濟產業支撐、保障國家安全、提升國際地位有著極其重要的作用。但由于對煤炭資源的需求占據著主導地位，鋼鐵產業和冶金行業成為碳排放的主要部門之一。

公開資料顯示，全球鋼鐵產業和冶金行業每年的碳排放量約占全球溫室氣體排放總量的3%～4%，我國鋼鐵產業碳排放量占全國碳排放量的15%[3]，占全球鋼鐵工業碳排放量的60%以上，因此降低碳排放一直是我國鋼鐵企業的重要任務。此外，鋼鐵產業和冶金行業中的燒結、煉焦生產過程將產生廢水、硫化物、氮化物、一氧化碳和二惡英等有害物質，環境污染嚴重[4]。

為降低鋼鐵產業的碳排放，各國均在積極探索相關技術的研究和應用。歐洲、日本、韓國等國家和地區的鋼鐵企業均制定了包括氫冶金在內的低碳冶金技術路線，加快了技術研發、示范和應用。

我國《鋼鐵工業調整升級規劃(2016-2020年)》要求在“十三五”期間能源消耗總量和污染物排放總量分別下降10%和15%以上。此外，《鋼鐵行業碳達峰及降碳行動方案》已完成初稿，初步確定了鋼鐵產業碳達峰目標和重點任務。2025年前，鋼鐵產業實現碳排放達峰；到2030年，鋼鐵產業碳排放量較峰值降低30%，預計將實現碳減排4.2億t。鋼鐵產業碳達峰和降碳行動的主要舉措包括推動綠色產業布局、節能及提升能效、優化電能結構及流程結構、構建循環經濟產業鏈以及應用突破性低碳技術。我國相關大型鋼鐵企業如寶武集團、鞍鋼集團、河鋼集團也發布了碳減排目標和低碳冶金路線圖，積極聯合科研機構部署和開展相關技術探索和研究，并通過開展低碳冶金示范項目推進鋼鐵產業碳減排。

其中，氫冶金成為實現鋼鐵產業低碳發展最重要的技術路徑。氫冶金是指利用氫氣生產海綿鐵的氣基直接還原工藝或其他富氫冶金技術。傳統高爐煉鐵工藝無法規避產生的二氧化碳，而氫冶金工藝以其環保零排放的特點受到越來越多的關注，碳冶金和氫冶金化學反應方程式如下：

碳冶金：

2Fe2O3+ 3C = 4Fe + 3CO2

(1)

氫冶金：

Fe2O3+ 3H2= 2Fe + 3H2O

(2)

由式(1)和式(2)可知，碳冶金還原劑是C，最終產物是CO2，從生產工藝上無法避免碳排放[5]。而氫冶金還原劑為H2，最終產物是H2O，不僅無污染，還可以進行二次利用，真正做到零碳排放。將氫代替碳作為高爐還原劑，可減少或完全避免鋼鐵生產中的碳排放，是非常重要的碳減排技術，將對鋼鐵產業和冶金行業生產工藝帶來革命性變革[6]。從環境保護角度來看，推進氫冶金發展，進一步替代碳冶金，是鋼鐵工業發展低碳經濟的最佳選擇[7]。

2 氫冶金技術路線

氫冶金是鋼鐵產業低碳綠色轉型升級的有效途徑之一，目前研發熱點主要集中在富氫還原高爐工藝和氫氣氣基直接還原豎爐工藝。

2.1 富氫還原高爐工藝

富氫還原高爐工藝即通過噴吹天然氣、焦爐煤氣等富氫氣體參與煉鐵過程。相關試驗表明，富氫還原高爐工藝在一定程度上能夠通過加快爐料還原，從而減少碳排放[8]，但由于該工藝基于傳統高爐，焦炭的骨架作用無法被完全替代，因此氫氣噴吹量存在極限值，一般認為高爐富氫還原的碳減排范圍處于10%～20%之間，減排效果不夠明顯。富氫還原高爐工藝流程如圖1所示。

圖1 富氫還原高爐煉鐵工藝流程[9]

富氫還原高爐工藝相關化學方程式如下：

Fe2O3+ 3H2= 2Fe + 3H2O

(3)

Fe2O3+ 3CO = 2Fe + 3CO2

(4)

CH4+ H2O = CO + 3H2

(5)

CH4+ CO2= 2CO + 2H2

(6)

2.2 氫氣氣基直接還原豎爐工藝

氣基直接還原豎爐工藝即通過使用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑，將鐵礦石直接還原為鐵，再將其投入電爐進行進一步冶煉。根據還原氣氛中氫的含量，可分為富氫冶金和全氫冶金：焦爐煤氣氣基豎爐直接還原鐵為富氫冶金，全氫冶金為100%氫氣冶金。相較于富氫還原高爐工藝，氣基直接還原豎爐工藝碳排放量可減少50%以上[10]。

對比2種工藝，富氫還原高爐減碳幅度為10%～20%，效果有限；氣基直接還原豎爐工藝是直接還原技術，不需要煉焦、燒結、煉鐵等環節，能夠從源頭控制碳排放，相較于高爐富氫還原減碳幅度可達50%以上，減排潛力較大，是迅速擴大直接還原鐵生產的有效途徑。但氣基豎爐存在吸熱效應強、入爐氫氣量增大、生產成本升高、還原速率下降、產品活性高和難以鈍化運輸等諸多問題。無論是高爐煉鐵還是氣基豎爐直接還原煉鐵，采用氫冶金方式均有著明顯的減碳作用。在世界鋼鐵冶金的發展中，氣基豎爐還原工藝生產的鐵約占鋼鐵產量的80%[11]，是鋼鐵產業和冶金行業綠色發展的主要方向。

3 國內外氫冶金發展現狀

國外在氫冶金方面的應用相對較早，相關技術的開發和項目也較多，日本、德國、瑞典、奧地利等國家率先進行了大量的氫冶金技術開發和示范應用；隨著國內鋼鐵產業和冶金行業碳排放的逐步增加，相關企業也開始著手布局氫冶金，寶武集團、河鋼集團、酒鋼集團、天津榮程集團、中晉太行、建龍集團等相繼開展相關氫冶金的研究及項目建設。

3.1 國外氫冶金發展態勢

近年來，全球鋼鐵工業都在積極開展氫冶金實踐。歐洲、日本、韓國等國家和地區的鋼鐵企業均制定了包括氫冶金在內的低碳冶金技術路線圖，并加快研發、試驗和應用，尋求工藝技術突破以實現碳中和目標[12-13]。整體上，國外氫冶金技術相對成熟。日本是最早用氫氣進行煉鐵嘗試的國家，早在2008年日本啟動了環境和諧型煉鐵項目(COURSE50)，最終目標是實現煉鐵工藝二氧化碳排放量減少30%；隨后，瑞典、奧地利、德國等歐洲國家相繼開展了氫冶金項目，研發熱點主要有富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原工藝。國外氫冶金代表性項目發展情況見表1，目前全球已經有多個氫冶金技術案例，并在具體實踐中取得了階段性成果。

表1 國外氫冶金代表性項目情況

3.2 國內氫冶金發展態勢

鋼鐵產業作為支撐我國國民經濟發展的基礎性產業之一，是“雙碳”目標下工業綠色發展的主戰場。近年來，我國陸續出臺了相關政策支持并推進鋼鐵產業綠色低碳發展，氫冶金為重要的支持方向之一。2021年4月，工信部印發《鋼鐵行業產能置換實施辦法》，提出退出配套燒結、焦爐、高爐等設備并建設氫冶金和Corex、Finex、HIsmelt等非高爐煉鐵項目的煉鐵產能，可實施等量置換；2022年1月，工信部、國家發展改革委和生態環境部聯合印發《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》，提出到2025年，氫冶金、低碳冶金等先進工藝技術取得突破進展，支持建立低碳冶金創新聯盟，制定氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術研發應用；2022年2月，國家發展改革委、工信部、生態環境部、國家能源局聯合發布《鋼鐵行業節能降碳改造升級實施指南》，提出重點圍繞富氫冶煉、氫冶煉等低碳技術開展產業化試點示范。

隨著氫能產業發展熱度持續升溫，鋼鐵產業成為氫能應用發展的重點方向。2022年3月，國家發展改革委、國家能源局聯合發布《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》，提出開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發應用，探索氫冶金示范應用。鋼鐵產業開展用氫示范，相關研發、設計和配套裝備制造的熱情明顯提升。目前，國內多個鋼鐵企業在氫冶金方向進行了戰略布局，通過聯合科研單位等方式，科學推進多種氫冶金技術生產項目試點。其中，寶武集團于2021年11月發布了《寶武集團碳中和行動方案》，公布了以富氫碳循環高爐和氫基豎爐為主要工藝路線的碳中和冶金技術路線圖；河鋼集團于2022年3月發布《低碳發展技術路線圖》，提出低碳技術變革路徑具體措施為氫冶金和CCUS技術應用。整體上，我國布局氫冶金的相關鋼鐵企業主要包括寶武集團、河鋼集團、酒鋼集團、天津榮程聯合鋼鐵集團、中晉太行煉化公司、建龍集團等，具體見表2。

表2 國內氫冶金相關項目情況

目前，我國氫冶金發展尚處于起步階段，各項技術正處于試點示范中，多家企業已將氫冶金作為發展戰略進行布局，但離規模化的發展和應用仍有著很大距離。隨著我國支持氫冶金發展相關政策的陸續出臺和支持體系的逐步完善，以及各大企業氫冶金項目的持續推進，我國氫冶金將迎來快速發展并為我國鋼鐵產業和冶金行業節能減排做出重大貢獻。

4 氫冶金的競爭力分析

(1)鋼鐵冶金用氫代碳，長遠看經濟性可期。用氫氣代替煤炭用于鋼鐵產業和冶金行業，工藝變換中成本占比最大是還原劑本身。經計算，生產1 t生鐵需要601 Nm3氫氣，補償吸熱反應需要67 Nm3氫氣，加熱融化島1 600 ℃需要85 Nm3氫氣，按照75%熱效率計算，生產1 t生鐵最終需要的氫氣量為1 000 Nm3。而傳統工藝，生產1 t生鐵需要300 kg焦炭和200 kg煤粉。按照當前的煉焦成本估算，鋼鐵產業用氫替代碳進行還原可接受的氫氣成本為0.65元/Nm3。當前國內煤制氫成本約0.83～1.13元/Nm3，國內泰鋼、鞍鋼等集團利用焦爐煤氣通過變壓吸附和提純后的氫氣成本為1元/Nm3，該成本價格雖然大于成本平衡價格，但已較為接近，隨著制氫技術不斷發展，氫氣價格將進一步降低，逐漸縮小與平衡成本之間的差距，因此用氫氣替代煤炭作為鋼鐵冶金還原劑具備較大的經濟性潛力[14]。

(2)鋼鐵企業氫氣資源豐富。由于鋼廠本身的生產需求或副產氣體處理需求，大型鋼鐵企業均擁有獨立的氣體生產工廠。如沙鋼集團氫氣產能為1 400 t/a，氫氣純度達99.999%；河鋼集團焦爐煤氣產量達33萬Nm3/h，按氫氣含量55%計算，約可年產16億Nm3氫氣，氫氣純度達99.999%；寶鋼集團在華東地區擁有完善的高純氫生產和配送網絡，擁有1.8萬Nm3/h制氫能力及10萬Nm3/h的工業氫資源。

從長遠來看，未來用氫氣替代煤炭作為還原劑進行煉鋼，從成本經濟性和資源便利性方面都具備較大發展潛力。

5 氫冶金發展存在的問題

(1)氫能在鋼鐵產業和冶金行業的應用在我國仍處于起步階段。對比國外項目，我國鋼鐵產業和冶金行業在用氫氣替代煤炭作為還原劑方面起步較晚，盡管氫冶金已經開始受到了越來越多的關注，但國內整體上在該領域仍處于起步和技術研究階段。在富氫還原高爐煉鐵工藝和氫氣氣基豎爐直接還原工藝方面，我國在理論基礎、技術積累以及產業化應用方面與國外均存在一定差距。主要表現在以下4個方面：一是缺乏在低碳冶金工藝爐內反應機理和爐料特性變化理論方面的研究；二是氫還原為高溫環境(大于850 ℃)，我國在耐高溫材料以及高溫環境下的氫安全如防爆、防漏等方面缺乏相關基礎研究[15]；三是缺乏與低碳冶金相配套的反應器結構設計以及工藝控制技術；四是國內部分氫冶金技術已建成示范工程并投產，取得一定創新突破，但各項示范工程尚處于工業性試驗階段，離真正的產業化應用還存在較大距離。

(2)短期內氫氣作為還原劑成本仍較高。煉鋼需要大量的高純度、低成本氫氣，目前氫氣成本仍然較高，短期內很難降低到可滿足以氫代煤可接受的氫氣成本。此外，更為重要的是，目前全球超過95%的氫氣來自天然氣、煤炭等化石能源制氫，每生產1 t氫氣，以天然氣為原料時將產生9～12 t碳排放，以煤炭為原料時將產生約22 t碳排放，在當前能源轉型及“雙碳”戰略目標下，此類制氫工藝不可持續。通過可再生能源電解水制氫才是未來鋼鐵產業氫冶金工藝的重要途徑，而當前綠氫制造成本相比化石能源制氫更為高昂，若按照電價0.25元/(kW·h)計算，綠氫成本價格約為1.5元/Nm3，遠大于0.65元/Nm3的成本平衡價格。

(3)缺乏頂層設計和政策支持。政策引領和技術支持是氫冶金技術發展至關重要的兩大因素。當前，國家層面已出臺的涉及氫冶金方面的政策相對比較宏觀，缺乏與氫冶金配套的專項規劃、政策體系、標準體系、安全規范等細分政策，導致難以持續匹配良好的資源配置和有效投入，因此無法支撐氫冶金科技創新、技術突破以及示范應用的循序漸進和高質量發展。

6 氫冶金發展趨勢展望

隨著碳達峰、碳中和目標的提出，作為碳交易市場的主要目標產業和核心參與者，鋼鐵產業和鋼鐵企業低碳轉型勢在必行。在此進程中，以氫氣部分或全部代替傳統以碳為主的冶金工藝，可從根本上解決現有冶金工藝的能源結構和高排放問題，是當前鋼鐵產業低碳發展、能源變革的重要方向。其中，對比傳統“高爐-轉爐”鋼鐵長流程，氫為主要還原劑的氫冶金可以加速鋼鐵短流程取代鋼鐵長流程的進程，實現超低碳或無碳排放，且產品純凈度高，可以生產各種高溫合金、耐熱合金、精密合金等航空航天、軍工和民用等高端高附加值材料的基材，我國氫冶金的發展路線如圖2所示。

圖2 氫冶金發展路線

在我國未來鋼鐵產業和冶金行業發展過程中，氫冶金將作為重要的技術手段之一，將有力促進鋼鐵企業實現碳減排，逐步推動鋼鐵產業和冶金行業實現綠色低碳發展。下一步，建議大力探索發展低成本電解水制氫以及核能制氫等新型技術，降低氫氣成本，發展“綠氫+冶金”的鋼鐵冶金低碳路線；此外，應積極探索相關配套機制，如碳稅及氫氣價格補貼，按階段引導并推進鋼鐵產業和冶金行業氫利用的產業化和市場化。未來，隨著各項技術的成熟和配套政策的完善，我國氫冶金將形成以富氫還原高爐、氣基直接還原豎爐工藝作為主要技術路線，各項示范項目應用持續推進，氫冶金技術研究和實踐應用融合發展的新局面。

7 結論

全球鋼鐵工業每年碳排放量約占全球溫室氣體排放總量的3%～4%，我國鋼鐵工業碳排放量占全國碳排放量的15%，占全球鋼鐵工業碳排放量的60%以上，從技術路線上看，氫冶金是鋼鐵產業和冶金行業實現低碳發展最具潛力的技術路線之一。同時，通過氫冶金技術應用示范以及與氫能產業的有效結合，可有力促進鋼鐵企業的低碳轉型和綠色發展。

(1)各國鋼鐵企業積極推進氫冶金技術應用。歐洲、日本、韓國等國家和地區的鋼鐵企業均制定了包括氫冶金在內的低碳冶金技術路線圖，并積極推進示范應用。全球代表性的氫冶金項目包括瑞典酐鐵HYBRIT項目、薩爾茨吉特SALCOS項目、奧鋼聯H2FUTURE項目、德國蒂森克虜伯Carbon2Chem項目、寶武集團湛江百萬噸級氫基豎爐項目、河鋼張宣高科120萬t/a氫冶金項目等，以上項目均已取得階段性成果。

(2)氣基直接還原豎爐為未來主要路線。氫冶金技術路線主要包括富氫還原高爐和氫氣氣基豎爐直接還原工藝。富氫還原高爐工藝碳減排范圍處于10%～20%之間，減排效果不夠明顯。氣基直接還原豎爐工藝相較富氫還原高爐工藝，碳排放量可減少50%以上，減排潛力相對較大。在世界鋼鐵冶金的發展中，氣基豎爐還原工藝生產的鐵約占鋼鐵產量的80%，是鋼鐵冶金的主要發展方向。我國寶武集團、河鋼集團、中晉太行等企業均采用氣基直接還原豎爐工藝開展氫冶金研究并建設示范項目。

(3)氫冶金技術尚未成熟，綠氫冶金為重要方向。雖然氫冶金技術應用可大幅度降低鋼鐵產業碳排放并受到各國鋼鐵企業的關注，相關示范項目也在有序推進。但整體上，氫冶金發展尚處于發展初期，國內外相關示范項目尤其國內示范項目投運時間短，處于工業性試驗階段，相關技術研究、材料設備制備均在不斷探索中，且缺乏頂層設計和系統性政策支持，離真正的產業化應用還存在較大距離。此外，綠氫將是未來氫冶金應用的主要原料，但綠氫產業在我國尚處于發展初期，成本仍然較高，隨著我國可再生能源電力成本的進一步降低以及相關技術的突破，疊加未來碳稅成本，綠氫將實現與傳統焦炭冶金方式相當的成本價格。

(4)氫能助力鋼鐵產業高質量綠色轉型。鋼鐵企業即是產氫企業，也是用氫單位，氫能與鋼鐵產業有著天然的協同促進關系。氫能作為高效、清潔、可持續的零碳能源，十分契合鋼鐵企業資源、環境和可持續發展的訴求，通過協同、融合發展可助力鋼鐵產業和冶金行業實現高質量綠色轉型。一是通過使用氫冶金技術代替碳冶金，可大幅度降低鋼鐵產業傳統工藝碳減排，完成減碳目標；二是將氫氣融入鋼鐵產業鏈中，能夠升級傳統鋼鐵制造、擴大氫氣使用量、有效利用廢鋼并減少鐵礦石的使用量，優化產業鏈條；三是利用氫能重卡替代柴油重卡進行鋼廠物料運輸，在大幅度降低鋼鐵產業運輸環節碳排放的同時，提升了鋼鐵企業的綠色形象。