鋼鐵行業氫冶金技術中氫源問題分析

陳 健， 果晶晶

（1.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司， 河北 邢臺 054025；2.河北科技工程職業技術大學資源與環境工程系， 河北 邢臺 054035）

鋼鐵行業是碳排放量高達26 億t 的碳排放大戶，占全球總排放量的5%～6%，占中國排放量的15%[1-2]。因此，在碳達峰、碳中和背景下，進入高質量發展階段的鋼鐵行業面臨著嚴峻的挑戰，需要逐漸從“減碳”過渡到“代碳”來實現碳減排，走零碳化的“綠色鋼鐵”道路[3]。因此，調整產業結構、開展技術改造、優化工藝流程、開發具有顛覆性的冶金技術等勢在必行。作為一項綠色低碳革命的氫冶金技術，是以氫為還原劑來脫除鐵礦石中的氧，對鋼鐵行業實現碳達峰、碳中和意義重大。推廣氫冶金技術的關鍵在于大規模低成本制氫和氫冶金技術應用的經濟性和可操作性問題[4]。因此，本文主要探討鋼鐵行業氫冶金技術中氫的來源問題，以期為未來氫冶金技術的開發提供參考。

1 典型的氫冶金工藝

徐匡迪院士指出，鋼鐵行業要通過碳冶金→碳代替→氫冶金來真正實現從富氫冶煉→全氫冶煉的低碳、高效冶煉生產[5]。典型的氫冶金工藝主要有氫等離子直接煉鋼、氫熔融還原與氫直接還原等，其中占主流的是高爐富氫冶煉與氣基直接還原豎爐煉鐵兩種。第一，高爐富氫還原即向高爐內噴吹含有富氫的氣體，比如天然氣、焦爐煤氣等進行冶煉，以實現快速還原爐料，降低碳排放；但因噴吹氫氣量受限，使得高爐富氫還原的碳減排幅度為10%～20%，效果有限。典型的高爐富氫冶煉項目主要有：綜合焦爐改制煤氣噴吹入高爐+ 碳捕集技術的日本COURSE50、韓國COOLSTAR、德國DILLINGER，以氫代煤的德國蒂森克虜伯等。第二，氣基直接還原豎爐是利用H2、CO 混合氣體，將鐵礦石轉化為直接還原鐵，再將其投入電爐冶煉；該工藝能夠從源頭控制碳排放，減碳幅度可達50%以上，減排潛力較大；但氣基豎爐也存在著吸熱效應強、入爐H2氣量增大、生產成本升高、H2還原速率下降、產品活性高和難以鈍化運輸等諸多問題。目前氣基直接還原豎爐冶煉項目主要包括瑞典的HYBRIT、歐盟的ULCORED、河北鋼鐵集團、中晉太行礦業有限公司、中國寶武鋼鐵集團有限公司、遼寧華信鋼鐵集團公司等。

2 氫氣氣源問題

鋼鐵工業生產規模巨大，規模化實施氫冶金需要大量的、低成本、環境友好型且環保效能和能源轉換效率高的氫源[4]。

2.1 高碳能源（化石能源）制氫

化石能源部分氧化過程制氫工藝，主要有石油類燃料的汽轉化、裂解轉化等方法制氫。國內以煤制氫為主，煤焦化制氫與煤氣化制氫是煤制氫的兩種主要形式。煤焦化是在焦爐中生產焦炭的同時，得到副產品—焦爐煤氣，其主要成分H2（φ（H2）=59.3%）、CH4（φ（CH4）=18.8%）、CO（φ（CO）=7.8%）、H2O（φ（H2O）=6.4%）等。焦爐煤氣具有價格便宜、原料易得的優勢，缺點是供給量和節能減排的空間有限，可作為近期氫源。煤氣化制氫則是先通過水蒸氣和煤反應制得合成氣，再將合成氣轉化成氫氣。目前利用煤制氫主要以煤的氣化制氫為主導。國外制氫主要采用天然氣制氫，天然氣因其主要成分是CH4，本身就含有氫。故用天然氣制氫具有高產、低成本、碳排放少的優勢。

但這些高碳能源（化石能源）制氫，終究無法避免排放大量的CO2的問題，制得的氫為“灰氫”或“黑氫”，仍需要輔以碳捕捉裝置進行減排，加之轉化效率問題，該工藝制氫限于中短期過渡使用，不適合長遠的氫冶金[6]。

2.2 電解水制氫

電解水制氫即用電能使水中H 與O 的結合鍵斷開，最終生成H2和O2。由于當前我國電能結構仍以煤發電占主導，仍存在CO2排放問題，故此工藝制得的亦是“灰氫”或“黑氫”，也不適合氫冶金。長遠的電解水制氫工藝需要發展以非化石燃料進行發電，來制得“藍氫”及“綠氫”。例如利用水電勢能、風能、太陽能、核能等可再生能源來發電，則無CO2排放問題，環保效應增強。但目前可再生能源的低成本、規模化產電制綠氫，有待于進一步地研發[4]。

核能、氫能均為清潔能源，應用核能制氫來開發純氫無碳冶煉技術將是未來能源生產革命性的技術之一。寶武集團已著手與中核、清華大學共同開展核能制氫- 氫冶金耦合的研發應用。考慮到制氫的效率與溫度的緊密關系，高溫氣冷堆和非常高溫氣冷堆是耦合制氫工藝的首選[7]。

2.3 生物質制氫

生物質是能量和氫的雙重載體，亦是各種可再生能源中唯一可再生的碳源。生物質種類多種多樣，其中包括城市固體廢棄物，生活產生的污水，薪柴，農林業的殘剩物，食品與林產品加工后的下腳料，產能的能源作物等等。如此龐大的生物質資源如果被用來制氫，不僅能夠實現資源的有效利用，還能緩解化石資源短缺[8]。生物質制氫目前采用的不是直接制氫的形式，而是先通過熱解生物質制出生物油，再將其與水蒸氣重整來制氫氣的方法[9]。因全球生物質快速研發利用，有學者認為“生物質經濟”是繼“石化基烴經濟”后的下一個經濟形態。

2.4 廢舊輪胎制氫

近年來，由于汽車工業的快速發展，汽車輪胎的消耗量與日俱增。替換下來的廢舊輪胎若處理不當，將占用大量土地資源，造成嚴重的“黑色污染”。為解決廢舊輪胎的處理問題，可將廢舊輪胎用于制氫，主要途徑有兩種：一是將廢舊輪胎熱裂解，其熱解產物進一步加工后轉化成高效催化劑，此催化劑用來提高生物質氣化制氫工業的H2產率，在降低制氫成本的同時，也對廢舊輪胎進行了資源化利用，符合可持續發展的理念[10]；二是高溫下將廢舊輪胎中與氧和水蒸汽反應制得H2和CO，從而為氫冶金提供氫源[6]。

2.5 鋼鐵行業副產制氫

利用鋼鐵行業副產品—轉爐煤氣、高爐煤氣、焦爐煤氣等來為氫冶金提供氫源。2030 年、2050 年我國鋼鐵行業氫需求分別為259 萬t、980 萬t。2030 年，氫冶金用氫需求中約92%（237 萬t）來自焦爐煤氣，剩余約8%（22 萬t）來自電解水制氫。長期來看，焦爐煤氣遠不足以支撐2050 年鋼鐵行業的用氫需求，必須大規模發展電解水制氫補充氫冶金的用氫需求[3]。

2.6 可燃冰制氫

素有“未來新能源”之稱的可燃冰，起初發現于20 世紀70 年代的海洋鉆探。我國可燃冰遠景儲量巨大，雖然目前在開采上存在一定的困難，但預計不久后將會被開采利用。故大力研發自產可燃冰制氫技術，亦可為鋼鐵行業提供氫源。

綜上，因技術、地域不同氫制備生產成本存在明顯差異，利用天然氣、煤制氣技術產氫、富余焦爐煤氣進行氫冶金具有低成本優勢；電解水制氫只有在低電價和大規模高負荷下才有競爭力。隨著碳排放成本的增加和利用風電、太陽能、核電等綠色能源制氫技術裝備的發展和制備成本的降低，綠氫在鋼鐵工業的規模化應用才能成為現實[11]。因此，氫能發展宜分三步走：初期為“利用鋼鐵行業副產制氫+發展煤制氫+少量天然氣制氫”，限制電解水制氫；中期為可再生資源制氫；長期應著重關注以風能、太陽能、核能等低碳綠色制氫技術[12]。

3 結論

1）氫冶金是鋼鐵行業低碳高質量發展的革命性技術之一，對鋼鐵行業實現碳達峰、碳中和意義重大。

2）可通過高碳能源（化石能源）、電解水、生物質、廢舊輪胎、鋼鐵行業副產、可燃冰等多種途徑來制得氫氣，然規模化、低成本、環境友好型的氫源是氫冶金發展關鍵問題。

3）氫能發展宜分步推進，著重發展可再生資源制氫，以推動鋼鐵行業高質量發展。