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储满生
在碳达峰与碳中和的背景下，我国钢铁行业碳减排压力巨大，碳税政策倒逼钢铁产业研发应用碳中和技术。将氢能应用于钢铁生产是钢铁产业低碳绿色化转型升级的有效途径，全球研发热点方向主要为富氢还原高炉和氢基竖炉。高炉喷吹含氢介质富氢还原冶炼可经济性地实现碳减排10%~20%。相比高炉—转炉长流程，竖炉—电炉短流程碳减排可达50%~95%，气基竖炉更适宜发展氢冶金。国内钢铁企业和院校应协同开展符合中国国情的富氢气基竖炉工程示范，推进氢冶金核心关键技术的成熟和产业化应用，助力于我国钢铁产业低碳绿色创新发展。
建立氢能—钢铁—化工
协同新产业链的3个途径
2019年，中国二氧化碳排放总量达到98.4亿吨，仍处增长阶段，人均二氧化碳排放量达6.8吨，超世界平均水平。2020年9月22日，中国在第七十五届联合国大会一般性辩论上向世界承诺，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
我国钢铁产业面临着巨大的碳中和压力。2019年我国粗钢产量为9.96亿吨，碳排放约为15亿吨，占我国碳排放总量的16%左右。高炉—转炉长流程的粗钢产量占90%，由于高度依赖化石能源，导致高碳排放。碳税政策将倒逼钢铁产业研发应用碳中和技术，实现低碳绿色化转型升级。
面对碳达峰、碳中和目标，钢铁产业要以节能高能效为基础，重点发展多产业协同的碳捕捉利用（CCU）技术，并辅以能源替代发展氢冶金，致力解决钢铁产业碳中和重大共性难题。
一是在工艺优化、强化冶炼、余热和资源高效循环利用、超低排放、系统节能、产品高质化基础上，要研发应用低碳高炉、转炉高废钢比冶炼、高效连铸、铸轧一体化等低碳冶炼技术，同时开发全流程信息物理系统，实现智能化冶炼，提高能源利用效率，为碳中和奠定基础。二是研发应用钢铁—化工—氢能一体化网络集成CCU技术，通过钢铁、化工协同，为我国以高炉—转炉长流程为主的钢铁产业实现碳净零排放提供最合理、最彻底的解决方案。三是以氢能替代化石能源，发展氢基竖炉—电炉短流程新工艺技术，实现钢铁流程革新和能源结构优化，为无涉碳钢铁生产提供全新途径。通过以上3个途径，以期建立以全新钢铁产业为重要中枢节点的氢能—钢铁—化工协同新产业链。
氢在钢铁行业的应用
绿色氢能被认为是无碳经济的关键之钥，将氢能应用于冶金是冶金行业低碳绿色化转型的有效途径。氢气密度小，扩散能力强，导热系数大，易燃易爆，相比于CO还原，氢还原产物为H2O，无CO2产生，还原速率快，在还原过程中具有更高的抗黏结性能。国内外均对氢冶金开展了较多的研究与应用。
自20世纪80年代开始，苏联、北美多座高炉开始喷吹天然气；20世纪90年代，美国埃德加—汤姆森钢铁厂3号高炉喷吹焦炉煤气；2004年12月京滨2号高炉喷吹天然气，吨铁喷吹量达50千克。早在20世纪50年代，HYL公司建成了一座拥有5个反应罐的直接还原厂，后发展为了HYL-Ⅲ竖炉，1966年MIDREX公司也开始氢冶金气基竖炉直接还原工艺生产。近年来，日本、韩国、欧盟、瑞典、德国、美国等均有氢冶金规划，如日本COURSE50富氢还原高炉和氢基竖炉、欧盟ULCOS富氢气基竖炉和氢气还原炼钢、美国AISI氢气闪速熔炼、瑞典HYBRIT全氢竖炉、韩国COOLSTAR、MIDREX H2、H2FUTURE、SALCOS等。
20世纪60年代我国的重钢进行了高炉喷吹天然气试验，并得到了良好的技术经济指标。2008年前后，承钢、济钢、鞍钢鲅鱼圈等的高炉也进行了喷吹焦炉煤气试验。1973年，中国科学院化工冶金研究所先后在河北沧州、山东枣庄建造吨级试验装置进行攀枝花钒钛磁铁矿氢气流态化还原的半工业试验；1975年，广东韶关建成并试验了5吨/天的水煤气竖炉海绵铁试验装置；1979年，攀枝花建成5立方米气基竖炉，开展天然气还原钒钛磁铁矿的试验；2006年，宝钢、钢铁研究总院、上海大学共同承担了氢冶金熔融还原新工艺研发项目。近年来，中晋太行、河钢、宝钢筹建氢基竖炉氢冶金生产线，产能为30万吨/年~120万吨/年。
对氢冶金技术的探索
氢在钢铁行业的应用主要包括富氢还原高炉、氢冶金气基竖炉、氢冶金熔融还原工艺。其中，富氢还原高炉技术相对成熟，部分已实现工业化应用，碳减排能力在10%~20%；氢冶金竖炉直接还原工艺的碳减排能力可达50%~98%，是当前的重点研发方向；氢冶金熔融还原多处于实验室研究阶段，工业化尚未成熟。
富氢还原高炉是指以纯氢/富氢还原气部分代替煤或焦炭，通过风口喷吹入高炉，增加炉内煤气含氢量，强化氢在炉中上部参与间接还原，减少CO2排放，实现低碳炼铁。日本COURSE50计划中高炉喷吹焦炉煤气的内容，目标在2050年将日本钢铁工业CO2排放减少30％，吨钢CO2排放从1.64吨减至1.15吨。德国蒂森克虏伯tkH2Steel将氢气代替煤作为还原剂，减少高炉炼铁碳排放，预期碳减排幅度可达20%；韩国核能制氢 富氢还原高炉预计从氢还原炼铁技术研发到12座高炉实际应用，投入4.8万亿韩元，以实现碳减排8.7%。中国宝武核能制氢 氢能冶金建设一台60万千瓦高温气冷堆机组，可满足180万吨钢生产对氢气、电力及部分氧气的需求，每年减排300万吨CO2，减少能源消耗100万吨标准煤。东北大学针对氢还原反应吸热导致炉身温降、对炉上部炉料还原粉化和强度影响、对炉缸热状态及回旋区燃烧行为影响等技术性问题进行了研究，鉴于高炉冶炼特性，指出焦炉煤气、天然气适宜喷吹量分别在80立方米/吨铁、100立方米/吨铁。总体来说，高炉喷吹氢气依赖于大规模低成本制氢技术以及高效安全的氢气储运技术，相关技术仍在开发当中。我国天然气资源相对匮乏，价格昂贵，高炉喷吹天然气在经济上有待考量；焦炉煤气相对富余，价格较为低廉，高炉喷吹焦炉煤气是我国目前最有可能实现的富氢还原低碳炼铁技术。
氢冶金一般是指入炉还原气含氢高于55%（H2/CO大于1.5）条件下，还原铁矿石、球团矿生产优质DRI的气基竖炉直接还原。欧盟ULCOS氢基直接还原—电炉流程若考虑电力产生的碳排放，氢气竖炉短流程吨钢CO2排放仅有300千克，与高炉—转炉长流程吨钢CO2排放1850千克相比减少84%。瑞典氢能突破性炼铁技术HYBRIT项目致力于钢铁冶炼过程以氢代煤，减少碳排放，预计使瑞典碳排放减少10%、芬兰减7%；德国SALCOS项目将改变综合炼钢流程，从碳密集型高炉—转炉长流程向氢气气基竖炉—电炉短流程转变，预计整个钢铁生产碳排放减少95%；MIDREX H2®工艺可实现碳减排80%。
中国也对富氢气基竖炉氢冶金工艺开展了探索，中晋太行焦炉煤气—竖炉直接还原项目已建设完成并于2021年6月正式出铁；河钢将建设全球首例年产60万吨DRI的氢气气基竖炉示范工程（第一期）；中国宝武于2016年启动了绿色低碳冶金创新工程，主要研究了以富氢碳循环高炉为核心的低碳高炉工艺和以氢还原代替碳还原的氢冶金工艺，将采用焦炉煤气、天然气和氢气的混合气，在湛江建设年产120万吨DRI的氢冶金气基竖炉线；东北大学筹建煤制气—富氢气基竖炉短流程示范工程，并围绕高品位铁精矿制备、高品质氧化球团生产、氢气竖炉直接还原技术、氢冶金短流程生命周期评价等关键环节展开了系统研究。
（作者系东北大学低碳钢铁前沿技术研究院院长）
