氫冶金概念最早提出于20世紀(jì)，以氫氣代替碳還原鐵礦石，將從源頭徹底降低污染物與二氧化碳的排放量，是實(shí)現(xiàn)目前零碳排放的最重要的一種途徑。目前主流的氫冶金技術(shù)路線為高爐富氫冶煉與氣基直接還原豎爐煉鐵兩種技術(shù)路線。

歐洲的 ULCOS（超低二氧化碳煉鋼，2004-2010年）的“氫”子項(xiàng)目是已知最早的氫基煉鋼綜合研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目研究了兩種通過氫氣還原鐵礦石的方法。第一種是在多級(jí)流化床中還原細(xì)礦粉，用氫氣代替天然氣，這是唯一將純氫氣用作還原劑的直接還原工藝，使用的氫氣是通過天然氣蒸氣重整產(chǎn)生的。該工藝曾實(shí)現(xiàn)過商業(yè)化應(yīng)用，但最終因經(jīng)濟(jì)原因而退役。第二種是在立式豎爐中直接還原鐵礦石球團(tuán)或塊礦。

富氫高爐煉鐵技術(shù)

在富氫高爐煉鐵研究方面，中國寶武已與中核基團(tuán)、清華大學(xué)于2019年1月15日簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，其思路是利用核能制氫實(shí)現(xiàn)氫冶金，目標(biāo)是基本解決煉鐵燃煤限制問題，降低二氧化碳排放30%，形成寶武特有的低碳煉鐵技術(shù)（見圖1）。

在國外，日本COURSE50煉鐵工藝、韓國浦項(xiàng)氫還原煉鐵工藝、德國蒂森克虜伯氫基煉鐵項(xiàng)目等的技術(shù)路線都是在高爐內(nèi)使用部分氫氣代替焦炭，實(shí)現(xiàn)部分氫還原，大幅減少二氧化碳排放。

日本COURSE50項(xiàng)目啟動(dòng)于2008年，研究內(nèi)容包括兩部分。一是以氫直接還原鐵礦石的高爐減排二氧化碳技術(shù)，主要包括氫還原鐵礦石的技術(shù)，增加氫含量的焦?fàn)t煤氣改質(zhì)技術(shù)，以及高強(qiáng)度高反應(yīng)性焦炭的生產(chǎn)技術(shù)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)10%的二氧化碳減排。二是高爐煤氣中二氧化碳的分離、回收技術(shù)，包括二氧化碳在高爐煤氣中的分離和捕集技術(shù)，利用鋼廠廢熱能源對(duì)二氧化碳進(jìn)行分離和捕集，目標(biāo)是減排20%的二氧化碳。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）委托日本制鐵、JFE、神戶制鋼、日新制鋼（已合并至日本制鐵）、新日鐵工程公司等5家公司進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2030年達(dá)到實(shí)用化目標(biāo)，2050年普及到日本國內(nèi)所有高爐。

另外，德國蒂森克虜伯計(jì)劃到2050年投資100億歐元，開發(fā)將氫氣大量噴入高爐的氫基煉鐵技術(shù)。2019年11月，蒂森克虜伯正式將氫氣注入杜伊斯堡廠9號(hào)高爐進(jìn)行氫基煉鐵試驗(yàn)。氫氣通過其中一個(gè)風(fēng)口注入到9號(hào)高爐，這標(biāo)志著該項(xiàng)目一系列測(cè)試的開始。蒂森克虜伯計(jì)劃逐步將氫氣的使用范圍擴(kuò)展到9號(hào)高爐全部的28個(gè)風(fēng)口。此外，該公司還計(jì)劃從2022年開始，將該廠其他三座高爐都使用氫氣進(jìn)行鋼鐵冶煉，降低生產(chǎn)中的二氧化碳排放，降幅可高達(dá)20%。

2020年8月，德國迪林根和薩爾鋼鐵進(jìn)行了高爐噴吹富氫焦?fàn)t煤氣的操作。該公司認(rèn)為，未來高爐利用氫作為還原劑在技術(shù)上是可行的，但前提條件是應(yīng)該擁有綠氫。更長遠(yuǎn)的技術(shù)路線是，如果綠氫能在數(shù)量上滿足需求，則在成本上具有競爭力的前提下，未來薩爾州的鋼鐵生產(chǎn)將走氫基直接還原鐵-電弧爐技術(shù)路線。該公司計(jì)劃下一步在兩座高爐中進(jìn)行使用純氫的試驗(yàn)。

氣基直接還原技術(shù)

氣基直接還原技術(shù)的發(fā)展同樣引人注目。河鋼集團(tuán)與特諾恩于2020年11月23日簽訂合同，建設(shè)高科技的氫能源開發(fā)和利用工程，包括一座年產(chǎn)60萬噸的 ENERGIRON直接還原廠，這將是全球首座使用富氫氣體的直接還原鐵工業(yè)化生產(chǎn)廠。

山西中晉科技集團(tuán)于2020年12月20日宣布其氫基直接還原鐵項(xiàng)目點(diǎn)火試車，標(biāo)志著氫基直接還原鐵項(xiàng)目（CSDRI）工藝正式開始工業(yè)應(yīng)用階段，CSDRI工藝如圖2所示。CSDRI工藝突破了焦?fàn)t煤氣改質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)，包括氣體轉(zhuǎn)化和凈化技術(shù)，特別是低壓深度脫硫凈化技術(shù)。

2020年6月，GFG聯(lián)盟與羅馬尼亞政府及相關(guān)單位簽署了一系列協(xié)議，包括采用現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，大幅減少二氧化碳排放。他們的計(jì)劃包括建設(shè)一座年產(chǎn)250萬噸的直接還原鐵廠。該廠最初以天然氣作為還原劑，之后隨著氫還原技術(shù)的成功開發(fā)，將采用氫氣作為還原劑，而且煉鋼工藝將從轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)向電弧爐，將噸鋼二氧化碳排放量減少80%，一旦直接還原鐵廠全部采用氫氣，其碳排放量將幾乎降至零。

除上述富氫高爐與氣基還原豎爐兩方面的研究外，建龍集團(tuán)內(nèi)蒙古賽思普運(yùn)用氫基熔融還原新工藝，強(qiáng)化對(duì)焦?fàn)t煤氣的綜合利用，投產(chǎn)了年產(chǎn)30萬噸的氫基熔融還原項(xiàng)目。

2.氫冶金面臨的挑戰(zhàn)

目前來看，氫能源與鋼鐵產(chǎn)業(yè)的合作是雙贏的結(jié)果：氫能源幫助鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、延伸業(yè)務(wù)、完成轉(zhuǎn)型，鋼鐵企業(yè)為氫能源提供了更多的落地應(yīng)用，促進(jìn)其發(fā)展。氫能源和鋼鐵工業(yè)是一個(gè)互相促進(jìn)的產(chǎn)業(yè)組合。然而，氫冶金的概念無論在理論還是實(shí)踐都還處于起步階段，目前仍然面臨重重困難。最大挑戰(zhàn)仍然是低成本制氫的問題，目前鋼鐵企業(yè)大多以利用焦?fàn)t煤氣等作為氫源冶煉項(xiàng)目的目標(biāo)，相關(guān)研發(fā)工作方興未艾，制氫工藝以及氫冶金技術(shù)呼喚關(guān)鍵技術(shù)的突破，氫冶金的未來仍需不斷探索。與此同時(shí)，國家層面氫能政策目前還主要集中在交通領(lǐng)域，氫冶金技術(shù)的發(fā)展還需要高屋建瓴的頂層設(shè)計(jì)和政策支持。（冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院  本文節(jié)選自張建良等編著的