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文/赵英杰 易群 王涛 韩建超 崔阳 刘倩 任忠凯 刘元铭 黄庆学，煤基能源清洁高效利用国家重点实验室 太原理工大学，中国工程科学
一、前言
钢铁行业是化石能源消耗密集型行业，相关温室气体排放约占世界总排放量的7%；全球近75%的钢铁生产采用高炉（炼铁）、转炉（炼钢）工艺，生产过程会向环境排放大量的CO2、硫化物、氮氧化物、污水等。因此，世界各国都在积极寻求低能耗、低排放、高效率的炼铁炼钢工艺。我国作为世界最大的能源生产国与消费国，形成了规模庞大的煤炭、焦化、钢铁等能源消耗产业。相关产业为经济社会发展作出了积极贡献，但也伴生了环境、生态、能源安全等问题。全面推进能源生产消费革命与生态文明建设，实现能源与环境绿色和谐发展已成为重大任务。
直接还原铁（DRI）工艺具有低硫、低磷、密度大、热能高、尺寸规则等特点，生产环境友好，符合清洁化生产的需要；与高炉–转炉工艺相比，采用气基DRI–电炉炼钢工艺后，生产每吨钢可减排CO2约0.83t。然而我国钢铁生产以高能耗、高排放的高炉–转炉长流程炼钢为主（占比高达90%），电炉炼钢占比明显偏低。相应地，我国钢铁行业的能源消耗以煤炭和焦炭为主（占比高达92%），行业煤炭消耗约占我国煤炭消费总量的18%，碳排放约占全国总量的15%。我国煤炭、焦化、钢铁等行业的长远发展，必然面临资源、环境、生态等的约束，特别是随着碳达峰、碳中和目标的提出，钢铁行业很难维持当前高炉–转炉炼钢工艺的市场存量规模。DRI工艺是我国钢铁行业转型发展的重要方向，应加速发展DRI–电炉短流程炼钢。DRI产品有害元素含量低、铁的纯度高，在电炉炼钢时可显著降低钢水中的杂质元素，是冶炼优质钢、特殊钢的理想纯净铁料；有利于拓宽洁净钢、优质钢的生产规模，改善钢铁产品结构，为高端铸造、铁合金、粉末冶金等工业过程提供主要原料。
DRI一般以精铁矿为原料，采用富氢还原性气体作为还原剂进行生产，在俄罗斯、伊朗、委内瑞拉等天然气丰富的国家生产成本很低，具有明显优势。在我国，基于“富煤、贫气、少油”的资源禀赋特征，选择以煤基气源代替天然气作为DRI的还原剂，可改善钢铁行业的能源供给结构，摆脱对炼焦煤资源短缺的羁绊，实现短流程或紧凑流程（废钢–电炉炼钢流程）炼钢，由此促进钢铁工业清洁化生产及可持续发展。废钢质量的持续降低是制约电炉炼钢发展的主要因素，而DRI生产的钢铁杂质少，使用后产生的废钢品质高，将是电炉冶炼纯净钢的必备铁源，如相关原料一般是50%~70%的废钢配加30%~50%的DRI。2019年，我国粗钢产量为9.96亿t，约占世界总产量的53.12%；作为短流程或紧凑流程炼钢的主要原料，DRI产量仅为100万t，约占世界总产量的0.9%。这表明，我国发展DRI势在必行。持续推动高端化、智能化、绿色化、集群化、规范化，是我国钢铁行业高质量发展的应有之义。
我国焦炉煤气、煤成气等富氢气源丰富，加之在可再生能源制氢方面极富潜力，可为DRI提供可靠廉价的氢源，构成煤炭、焦化、钢铁行业升级转型的基础保障。积极发展气基DRI技术，增加钢铁新品种（优质钢、特殊钢），增强高端冶炼产业的核心竞争力；构建新型绿色冶金等新兴产业集群及产业链，减少关联行业的能源消耗与碳排放，有利于形成全球绿色钢铁行业的中国示范。
本文系统梳理国内外DRI技术与产业的发展现状，剖析我国煤–焦–氢–铁产业链涉及的关键技术路径与发展潜力；以资源大省山西为例，分析煤–焦–氢–铁产业链发展的技术路径选择，进而针对性提出我国煤–焦–氢–铁产业高质量发展的对策建议，以期为我国乃至其他国家的煤炭、焦化、钢铁行业发展提供基础性参考。
二、直接还原铁技术的发展现状（一）直接还原铁发展态势
根据还原剂的不同，DRI工艺分为气基DRI、煤基（固–固）DRI两大类，相应的经济–技术性能对比见表1。与传统高炉炼铁方法相比，DRI工艺污染小、消耗少，不受炼焦煤短缺影响；气基DRI相较煤基DRI，在能耗、单套设备产量、碳排放等方面优势更为明显。近年来，世界DRI产量增长迅速，主要国家的产量情况见图1。印度DRI产量居世界首位，因天然气匮乏并最大限度减少对天然气的依赖，积极发展以煤基气源（焦炉煤气、煤制气、页岩气等）为还原剂的DRI（产量占比近1/3）。
我国的DRI工艺技术研究始于20世纪50年代，1992年实现了DRI工艺投产；2010年DRI生产能力达到历史最高的108万t，约占当年世界总产量的0.15%；DRI生产规模小、工艺不够先进，以回转窑煤基直接还原工艺应用为主；2010年以来，为加快钢铁行业转型升级、推动钢铁行业绿色可持续发展，生产工艺能耗大、污染严重的DRI工厂相继关停，全国DRI产量下降明显。2019年，我国电炉钢产量为1.032亿t，约占我国钢铁总产量的10%（世界相应比例为27.9%）。
从长远看，我国废钢资源的不断积蓄（供应增加），短流程新型工艺、低碳冶金、清洁能源等的拓展应用，将为钢铁行业的节能低碳注入新动力。
为改善钢铁产品生产结构与能源消费结构、摆脱焦煤资源对钢铁生产发展的制约，发展DRI是我国钢铁产业转型升级的重要方向。根据国家行业性规划，我国还原铁的需求量高达9000万t/a，而目前电炉钢产量占比过低导致废钢短缺且质量不高，DRI基本依赖进口；2019年进口量为273万t，可能不利于高端铸造及行业安全。
（二）我国直接还原铁产业的具体进展
我国陆续建成了天津钢管制造有限公司30万t/a、北京密云冶金矿山公司6.2万t/a等6条回转窑DRI生产线，总产能近60万t，但不少企业因市场竞争力、生产成本、环境保护等方面存在问题而停产。回转窑DRI法对原燃料的要求苛刻，能耗大（煤耗约950kg/t）、投资和运行费用高、稳定运行难度大、生产规模难以扩大（15万t/座），因此在资源条件适宜的地区、中小规模的DRI生产方面可以较好运用，但难以成为DRI发展的主体技术。中东地区、印度的DRI发展经验表明，利用气基竖炉法生产DRI是迅速扩大产能的有效途径。随着我国天然气资源开发、焦炭行业的改造整合，国内部分地区具备了发展气基DRI的条件；煤制气（包括焦炉煤气，以工业氧、水蒸气为氧化剂的煤制气，地下煤气化等）技术为发展煤制气–竖炉直接还原铁工艺提供了必要条件，气基竖炉还原铁将是我国行业发展的重要方向。
近年来，针对天然气资源缺乏的客观情况，我国开展了煤基气源DRI技术研发并取得突破。山西中晋太行矿业有限公司以焦炉煤气制合成气作为还原气，建设了DRI试验装置（产能为30万t/a）及其配套装置（氧化球团装置、焦炉煤气制合成气装置、竖炉装置），2020年年底顺利开车运行。该装置采用了中晋还原铁（CSDRI）技术方案，涵盖自主研发的焦炉煤气制还原气工艺、德国MME公司波斯还原（PERED）工艺，是我国首套气基竖炉还原铁装置、世界首套以焦炉煤气为气源的气基还原铁装置；实现了我国气基竖炉生产DRI的突破，为钢铁行业产品结构调整、提高钢铁品质探索了新途径。
三、煤–焦–氢–铁产业链发展技术路径对比分析
氢气按照制氢来源不同分为蓝氢（化石能源制氢）、灰氢（工业副产品制氢）、绿氢（可再生能源制氢）。考虑富氢气源的差异，结合我国能源供给与消费结构、资源禀赋、煤/焦/氢/铁产业基础，煤–焦–氢–铁产业链的技术路径主要有5条：煤直接气化制氢耦合还原铁、焦炉煤气制氢耦合还原铁、多能协同互补制氢耦合还原铁、非常规天然气制氢耦合还原铁、低阶煤改性结焦气化一体化富氢燃料气耦合还原铁。
（一）不同关键技术路径的特性分析1.煤直接气化制氢耦合还原铁
煤气化是煤炭清洁高效利用的主要技术方向，煤气化制氢也是当前我国最主要的制氢方式，煤气化生产的氢气可作为竖炉炼铁的还原剂。煤直接气化制氢耦合还原铁工艺流程一般包括煤气化、煤气净化、CO变换、氢气提纯、竖炉炼铁（DRI）等生产环节（见图2）。我国发展此类技术路径具有资源禀赋优势，工艺成熟、成本较低，但对环境影响较大，存在严重的碳排放问题。
