寫稿
投稿
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低碳能源的開發(fā)利用。氫能被視為21世紀具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，由于其來源多樣、清潔低碳、靈活高效、應用場景豐富，已被多個國家納入國家能源戰(zhàn)略部署。
所謂氫冶金，就是在還原冶煉過程中使用氫氣作為還原劑。目前主要有高爐富氫冶煉和氫氣直接還原工藝。我國高爐富氫冶煉的研究與實踐主要是向高爐內注入富氫氣體，如焦爐煤氣、天然氣等；氫氣直接還原工藝主要利用焦爐煤氣開發(fā)氫基豎爐直接還原。
由于我國廢鋼和天然氣資源緊缺，長流程工藝在鋼鐵行業(yè)占據絕對主導地位。但是，要推動我國鋼鐵工業(yè)轉型升級，就必須對鋼鐵工藝進行再造。
我國鋼鐵企業(yè)氫冶金的進展與成就
中國寶武
2019年1月，中國寶武、中核集團、清華大學簽署《核能—制氫—冶金耦合技術戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，共同打造核氫冶金產業(yè)聯(lián)盟。據測算，一座60萬千瓦的高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼鐵對氫氣、電力和部分氧氣的需求，每年可減少二氧化碳排放約300萬噸，降低能源消耗100萬噸標準煤。
2020年7月，中國寶武在八鋼進行了富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝試驗。脫碳煤氣接入富氫碳循環(huán)高爐，與脫碳氣前的富氫碳氣相比，每噸循環(huán)高爐鐵的燃料比下降了近45公斤，比傳統(tǒng)高爐減少了30%的二氧化碳排放量。傳統(tǒng)的高爐是由熱風爐生產的，由于高爐煤氣中含有大量的氮氣，不具備脫碳回收利用價值，這也是傳統(tǒng)高爐實現(xiàn)碳減排的最大難點，2021年7月，八鋼富氫碳循環(huán)高爐實現(xiàn)二期50%富氧目標（一期35%）。后期，八鋼富氫碳循環(huán)高爐將通過技術升級優(yōu)化實現(xiàn)氧氣冶煉目標。
2021年1月，中國寶武宣布力爭2023年碳達峰、2035年減碳30%、2050年碳中和。
鞍鋼集團
鞍鋼集團正積極布局氫冶金相關技術研究。2021年7月，鞍鋼、鞍山鋼鐵、中科院過程所、中科院大化所、上海大學簽署五方聯(lián)合研發(fā)協(xié)議關于“綠色氫能冶金技術”，推動綠色氫冶金技術的開發(fā)和應用，主要包括風電+光伏（Green Power）-電解水制氫（Green Hydrogen）-加釩的氫冶金工藝用于儲能和調峰的電池。
2021年5月，鞍鋼宣布計劃到2025年實現(xiàn)碳達峰，到2030年實現(xiàn)低碳冶金前沿技術產業(yè)化突破，碳排放總量較2035年峰值下降30%，力爭成為我國鋼鐵行業(yè)首批實現(xiàn)碳中和的大型鋼鐵企業(yè)。
河鋼集團
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、東北大學簽署合作協(xié)議，成立氫能技術與產業(yè)創(chuàng)新中心，研究氫能等氫能利用領域生產、儲運和加氫。
2019年11月，河鋼集團與意大利特諾恩集團合作，利用世界最先進的制氫和氫還原技術，在河鋼宣鋼建設全球首個120萬噸氫冶金示范項目。從2021年5月份開始，全年碳減排率有望達到60%。該項目利用風能、光能等可再生能源，并使用含氫量在70%左右的補充氣源作為還原劑，生產1噸直接還原鐵僅產生250公斤二氧化碳，產生的二氧化碳被選擇性回收。
2020年11月，河鋼集團與意大利特諾恩集團簽訂合同，建設高科技氫能開發(fā)利用項目，其中包括年產60萬噸的ENERGIRON直接還原裝置。
2021年3月，河鋼與必和必拓簽署了氫直接鐵還原技術、鋼渣處理及回收技術等重點領域合作備忘錄。
2021年3月，河鋼宣布計劃在2022年實現(xiàn)碳達峰，碳排放較2025年達峰減少10%以上，碳排放較2030年達峰減少30%以上，2050年實現(xiàn)碳中和。
包鋼集團
2021年5月，包鋼宣布計劃在2023年實現(xiàn)碳達峰，2050年實現(xiàn)碳中和。
2021年8月，包鋼集團與億利集團、西部天然氣公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。以包鋼集團氫氣冶金工藝路線為基礎，利用億利集團制氫優(yōu)勢和西部天然氣公司管網輸氣優(yōu)勢，形成光伏制氫、管道制氫、綠色氫氣冶煉的共同體，探索發(fā)展氫能重卡等終端應用產業(yè)。
建龍集團
2021年4月13日，建龍集團總投資10.9億元，占地240余畝的內蒙古CISP科技有限公司年產30萬噸富氫熔煉還原法生產高純鑄鐵試驗成功，生產了156噸鐵。
該項目通過氫冶金與冶煉還原相結合，加強焦爐煤氣綜合利用，促進傳統(tǒng)碳冶金向氫冶金轉化，可有效減少二氧化硫和氮氧化物約38%，減少粉塵89%。該項目的研發(fā)分為3個階段。目前處于第一階段，可實現(xiàn)年噴氫1萬噸，每年減少二氧化碳排放11.2萬噸。
酒鋼集團
2020年10月，酒鋼建成首個煤基氫冶金中試裝置及配套干磨干選試驗裝置。它以高爐煤氣灰為原料。回轉窯投產后，料層碳氣化反應良好，有效減少回轉窯內的
煤基氫冶金工藝流程短，監(jiān)測點少，水循環(huán)和水處理設施規(guī)模小，煙氣排放量少，可降低能耗50%以上。
京華日鋼控股集團有限公司
2020年5月，公司與中國鋼研簽訂《年產50萬噸氫冶金及高端鋼材制造項目合作協(xié)議》，針對氫冶金新工藝-設備-品種-用戶應用目標，以我國自主知識建設第一條（套）年產50萬噸氫冶金和高端鋼鐵生產線，其中使用的氫氣是從以天然氣為原料生產醋酸乙烯酯的共生產品中提取的。
山西中晉太行礦業(yè)有限公司
中晉太行礦業(yè)有限公司于2017年8月在山西省左權縣龍泉鄉(xiāng)循環(huán)經濟工業(yè)示范園開工建設煤氣基豎爐直接還原鐵工藝項目，項目投資約7.5億元。采用優(yōu)質鐵精粉和焦爐煤氣（配套建設100萬噸焦化項目），年產優(yōu)質高純直接還原鐵30萬噸。2021年6月試制成功，海綿鐵合格。
對我國鋼鐵工業(yè)氫冶金的建議
一是國家政策傾向于解決資金問題。
氫冶金研究和技術創(chuàng)新需要大量資金。同時，向氫能轉型需要投資太陽能和風能發(fā)電，鋼鐵企業(yè)可能面臨更大的資金壓力，需要國家政策傾斜。
二是降低氫氣成本。
在煉鋼過程中（包括生產直接還原鐵），企業(yè)使用藍氫（使用化石燃料制氫，并使用碳捕獲和碳儲存）和綠氫成本高且缺乏競爭力，直接還原鐵廠一般使用天然氣，通常位于天然氣便宜的地區(qū)，如中東和美國。目前，如果想在使用氫氣冶煉或生產直接還原鐵方面具有競爭力，那么氫氣的價格應該低于2美元/公斤，最好低于1美元/公斤。
此外，還需要考慮氫氣的來源、運輸和儲存。其中，氫的來源主要包括利用鋼鐵廠焦爐煤氣制氫和電解水制氫，水電解制氫的電力來源應為綠色能源，如核電、水電、風電等。
三是解決氫煉鐵技術難題。
一是需要耐氧氫燃燒和超高溫的風口。如果直接使用現(xiàn)有的風口，風口的熔損就會成為問題，需要開發(fā)新的風口。例如，氧氣采用其它噴槍，引入到爐下部內，控制燃燒焦點的位置。
二是沒有焦炭導致的爐料下降、透氣性和透液性的問題，在低溫約900攝氏度以下利用氫快速還原很重要，所以*好在爐料熔融開始前熔化區(qū)(爐下部的氧—氫燃燒帶)階段一次熔化，這就需要研究*佳的爐料形狀并改善還原性狀等。
三是考慮氫的危險性。
除上述因素外，企業(yè)還必須考慮氫氣管道的安全性，構建安全的氫氣儲運和注入系統(tǒng)。
四是利用焦爐煤氣發(fā)展非高爐煉鐵技術（氫冶金直接還原）。
近年來，在天然氣產量豐富的國家和地區(qū)（如中東、美國、南美、東南亞、非洲），DR-EAF（直接還原-電爐）短流程發(fā)展迅速。
其中，氣基豎爐直接還原鐵電爐煉鋼年產量已經達到2000萬噸以上。美國有廉價且豐富的頁巖氣資源，DR-EAF短流程已步入常態(tài)化發(fā)展。例如，歐洲奧鋼聯(lián)公司在美國得克薩斯州建造了一座年產200萬噸HBI（熱壓塊鐵）直接還原鐵廠，其產品將被運回奧地利，供林茨鋼鐵廠使用。印度由于煉焦煤氣短缺，采用煤基+氣基兩種工藝生產直接還原鐵，之后進行電爐煉鋼，這使印度成為全球直接還原鐵生產大國。
這些國家的生產實踐證明，DR-EAF短流程具有建設成本低、能耗低、二氧化碳排放低的特點。得到了鋼鐵行業(yè)的普遍認可。但是，發(fā)展DR-EAF的前提是要有充足的天然氣資源支持。
我國雖然天然氣資源比較匱乏，但焦爐煤氣量卻很大。焦爐煤氣含有60%的氫氣，是一種化學能較高的氣體資源。焦爐煤氣用作燃料時效率低下，應用作還原劑。焦爐煤氣直接還原鐵是氫冶金在鋼鐵工藝再造中的應用，氫冶金在冶金過程中不接觸焦炭。生產的直接還原鐵為高純鐵，產品質量高，有利于電爐生產高純鋼。
此外，隨著大規(guī)模工業(yè)化經濟制氫（基于太陽能、風能、水能、海洋、地熱能的零排放經濟制氫）和儲氫技術的發(fā)展，全氫豎爐直接還原技術將成為發(fā)展趨勢進一步發(fā)展。
往期精選回顧：
