“以氫代煤”煉鐵，氫冶金技術你了解多少？
發布時間：
2022-06-05
碳冶金是鋼鐵工業代表性的發展模式，冶煉的基本反應式為Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，碳作為還原劑并生成產物二氧化碳。而氫冶金的概念是基于碳冶金的概念提出的，氫冶金的基本反應式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，氫氣充當了還原劑且產物是水，二氧化碳的排放量為零。
鋼鐵工業作為國民經濟重要的基礎原材料工業，屬于能源、水資源、礦石資源消耗大的資源密集型產業，生產過程中會產生大量的二氧化碳等污染物。工信部資料顯示，2020年中國全國生產生鐵、粗鋼和鋼材產量分別為8.88億噸、10.53億噸和13.25億噸，同比分別增長4.3%、5.2%和7.7%，粗鋼產量首次超過10億噸，一直穩居全球第一。世界鋼鐵協會統計數據顯示，全球平均每生產1噸鋼會排放1.8噸CO2，鋼鐵行業CO2排放量約占全球CO2總排放量的6.7%，而我國作為鋼鐵大國，鋼鐵行業碳排放量占全國碳排放總量約15%。在傳統的工藝流程中，需要在高爐中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作為還原劑，才能生產出1噸生鐵。而以氫代煤的鋼鐵冶金能大大減少污染物的排放。
2020年9月我國首次提出“碳達峰”和“碳中和”國家戰略目標，在此背景下，鋼鐵行業轉型升級勢在必行。為解決鋼鐵行業高排放的現狀，氫冶金技術被給予厚望。
氫冶金的基本原理
碳冶金是鋼鐵工業代表性的發展模式，冶煉的基本反應式為Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，碳作為還原劑并生成產物二氧化碳。而氫冶金的概念是基于碳冶金的概念提出的，氫冶金的基本反應式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，氫氣充當了還原劑且產物是水，二氧化碳的排放量為零。
從氫冶金熱力學來看，根據Fe-O-H體系平衡，臨界溫度(570℃左右)以下，H2還原Fe2O3的順序為Fe2O3—Fe3O4—Fe;臨界溫度以上，H2還原Fe2O3的順序為Fe2O3—Fe3O4—FeO—Fe。反應過程氫還原熱力學包括低溫還原和高溫熔態還原兩種工藝路線。從氫冶金動力學來看，氫還原氧化鐵的動力學條件要優于CO，氫氣的傳質速率明顯高于CO的傳質速率;相比于CO的還原動力學條件，富氫煤氣或純氫的還原動力學條件得以改善[1]。
氫冶金工藝
氫冶金工藝目前主要有富氫還原高爐與氣基直接還原豎爐兩類工藝。富氫還原高爐工藝是對現有長流程工藝的改進，減排潛力有限;氣基直接還原豎爐是直接還原技術，不需要煉焦、燒結、煉鐵等環節，減排潛力較大。純氫氣煉鐵的探索同樣一直在積極推進。與長流程工藝相比，該工藝下二氧化碳排放將降低98%。但是現有技術條件下，還不能大面積推廣應用，成本較高是主要原因。
國內外氫冶金發展情況
在氫冶金應用方面，目前國內還處于研發試驗階段，而在國際上，已經開始超高溫煤氣爐和智能原子爐等氫冶煉技術密切相關技術的研究，蒂森克虜伯已經實現了在高爐中使用氫氣。
國外示范項目
(1)蒂森克虜伯“高爐氫能煉鋼”項目
2019年11月11日，德國鋼鐵生產商蒂森克虜伯正式啟動了氫能冶金的測試。據蒂森克虜伯稱，這是全球范圍內鋼鐵公司第一次在煉鋼工藝中使用氫氣代替煤炭，以減少二氧化碳的排放。2021年2月3日，蒂森克虜伯已成功完成了杜伊斯堡9號高爐氫利用的第一階段試驗。受新冠肺炎疫情影響，第二階段試驗計劃推遲到2022年開始。第二階段試驗的研究重點將放在氫氣利用技術對高爐冶金工藝的影響上。
(2)瑞典HYBRIT項目——全球第一個無化石燃料海綿鐵中試線
HYBRIT為瑞典的“突破性氫能煉鐵技術”技術攻關項目，由三家行業巨頭(SSAB、歐洲最大鐵礦石生產商LKAB公司和歐洲最大電力生產商之一瑞典大瀑布電力公司)合資創建的HYBRIT發展有限公司負責推進。SSAB、LKAB和Vattenfall計劃打造世界上第一個擁有“無化石鋼鐵制造”價值鏈。SSAB的目標是，到2026年，通過HYBRIT技術，在世界上率先實現無化石冶煉技術;到2045年，SSAB將完全按無化石工藝路線制造鋼鐵。
圖1 高爐工藝和HYBRIT工藝生產鐵水和海綿鐵的流程對比
(3)奧鋼聯H2FUTURE項目
2017年初，由奧鋼聯合發起的H2FUTURE項目旨在通過研發突破性的氫氣替代焦炭煉鐵技術，降低鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放，最終目標是到2050年減少80%的二氧化碳排放。H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯、西門子、VERBUND(奧地利領先的電力供應商，也是歐洲最大的水力發電商)公司、奧地利電網(APG)公司、奧地利K1-MET(冶金能力中心)中心組等。
圖2 奧鋼聯H2FUTURE項目產業鏈
目前國外的氫冶金項目情況，如下表所示。
表1 國外鋼企氫冶金發展態勢
來源：冶金工業規劃研究院
國內氫冶金發展情況
(1)中國寶武的核能-制氫-冶金耦合技術
2019年1月15日，中國寶武與中核集團、清華大學簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰略合作框架協議》，三方將合作共同打造世界領先的核氫冶金產業聯盟。以世界領先的第四代高溫氣冷堆核電技術為基礎，開展超高溫氣冷堆核能制氫技術的研發，并與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，依托中國寶武產業發展需求，實現鋼鐵行業的二氧化碳超低排放和綠色制造。其中核能制氫是將核反應堆與采用先進制氫工藝的制氫廠耦合，進行大規模H2生產。經初步計算，一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬噸二氧化碳，減少能源消費約100萬噸標準煤，將有效緩解我國鋼鐵生產的碳減排壓力。中國寶武的低碳冶金技術路線圖見圖3。
圖3 中國寶武的低碳冶金技術路線圖
2020年7月寶武在八鋼進行了富氫碳循環氧氣高爐工藝實驗，把脫碳后的煤氣接入富氫碳循環高爐，與接入歐冶爐脫碳煤氣前相比，富氫碳循環高爐噸鐵燃料比下降近45千克，比傳統高爐減排CO230%。2021年7月八鋼富氫碳循環高爐已完成第二階段50%(第一階段35%)富氧目標，后期八鋼富氫碳循環高爐將通過技術升級和優化，實現全氧冶煉目標。寶武2021年1月宣布2023年實現碳達峰，2035年實現減碳30%，2050年實現碳中和。
(2)河鋼集團富氫利用項目
2019年11月22日，河鋼集團與意大利特諾恩集團簽署諒解備忘錄，商定雙方在氫冶金技術方面開展深入合作，利用世界最先進的制氫和氫還原技術，并聯手中冶京誠，共同研發、建設全球首例120萬噸規模的氫冶金示范工程，應用于河鋼宣鋼轉型升級項目。2021年5月，河鋼宣鋼氫能源開發和利用工程示范項目正式啟動建設。該項目充分利用張家口地區國家級可再生能源示范區優勢，打造可推廣、可復制的“零碳”制氫與氫能產業發展協同互補的創新發展模式。該項目開發的氫還原新工藝，依靠自主和集成創新，采用產學研相結合的模式，核心技術為Tenova公司的Energiron-ZR(零重整)技術，可替代傳統高爐碳冶金工藝，預計年可減碳幅度達60%。
目前國內的氫冶金發展情況，如下表所示。
表2 國內氫冶金發展態勢
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