钢铁行业氢冶金主要技术路线及发展趋势
2023-05-15 09:51:34   来源： ()　   评论：0 点击：

为应对全球气候变化，我国提出绿色低碳发展战略。国内钢铁行业作为电力行业之后碳排放排名第二高的行业，在完成“碳达峰、碳中和”目标任务中，要积极做出低碳发展的行业贡献，研发降低碳排放的冶炼技术，特别是氢冶金技术。本文介绍了目前国内外钢铁行业氢冶金的主要技术路线、现状、存在的问题与发展趋势，并提出目前国内高炉富氢冶炼工艺作为氢能成为主导能源之前的过渡技术，将在相当长时间内占据氢冶金主体地位的观点。

A钢铁行业碳减排（含氢冶金）主要技术路线

以“废钢—电弧炉”短流程替代“高炉—转炉”长流程

近年来，我国处于工业化、城镇化快速发展期，钢铁需求较大，但废钢资源总体供应难以满足庞大的钢铁需求。因此，从实际出发，国内钢铁生产供应以“高炉—转炉”长流程为主，占比约为90%。然而，“高炉—转炉”长流程吨钢碳排放量为1.8—2.5吨，远超“废钢—电弧炉”短流程吨钢碳排放量0.25—0.3吨。因此，在废钢资源逐步增加、满足部分替代铁矿石进口依赖的条件下，可以“废钢—电弧炉”短流程替代“高炉—转炉”长流程，达到明显降低吨钢碳排放的目标。

高炉喷吹工艺

高炉喷吹工艺，是指通过向高炉中喷吹天然气、重油或煤粉来替代一部分焦炭的冶炼工艺，该工艺早在20世纪50年代就已经获得工业化应用，并于20世纪60年代获得推广。至于各国在高炉喷吹工艺中选择的具体燃料类型，取决于各国具体燃料类型的可经济获得性。比如，在天然气资源丰富的北美、俄罗斯、乌克兰多采用高炉喷吹天然气工艺，而在具有“富煤缺油少气”资源禀赋国家，主要以喷吹煤粉作为高炉燃料或炼铁还原剂的补充。尽管喷吹燃料可以部分产生一氧化碳、氢气参与炼铁还原反应，但其中氢含量普遍较小，对于降低焦比、节约焦炭成本有一定作用，但对降低碳排放的意义不大。

熔融还原工艺

熔融还原工艺，以奥钢联开发的COREX非焦炼铁技术为代表，由竖炉的还原和熔炼造气炉的熔融两部分组成，竖炉利用熔炼造气炉产生的煤气对铁矿石预还原，生成海绵铁，海绵铁与煤再进入熔炼造气炉进行熔炼，生成铁水和煤气。

熔融还原工艺本质上是“以煤代焦”，可以降低对焦炭的骨架作用的依赖（实际上仍需要一定量的焦炭以改善透气性和顺行），从而在不需要优质的铁矿石和焦炭的情况下，也可以冶炼出优质的铁水，但熔融还原法并没有降低对含碳燃料和碳还原方式的依赖，所以对降低碳排放的意义也非常有限。

直接还原工艺

直接还原工艺包括气基直接还原工艺和煤基直接还原工艺，前者在实际应用中更为常见。

气基直接还原工艺以还原气为还原剂，还原炉（气基竖炉）内的热量主要来自还原气的物理热，还原过程为铁矿石直接到金属铁。由于气基直接还原的还原气多由天然气裂化制取，其中氢气达55%，所以气基直接还原工艺可以实现部分氢冶金替代碳冶金的作用。

煤基直接还原工艺常见于天然气较为稀缺的国家或地区，如我国的煤基直接还原工艺有煤基隧道窑法或回转窑法，采用煤制气+还原竖炉工艺。由于煤基（竖炉）直接还原工艺仍属于碳冶金，没有实现部分氢冶金的替代，所以煤基（竖炉）直接还原工艺同样对于碳减排意义不大。

高炉富氢冶炼工艺

在上述气基直接还原工艺中，可以看到部分氢冶金替代碳冶金的影子，但气基直接还原工艺中的氢冶金技术，主要是通过气基竖炉中被天然气裂化的氢气还原反应来完成，而非通过高炉来完成。高炉富氢冶炼工艺，则是以焦炉煤气改质或天然气裂解制氢得到的还原气对高炉进行喷吹完成。

由于焦炉煤气中氢气的体积分数为55%—60%，在天然气资源不足，但焦炉煤气资源丰富的国家或地区，应用高炉富氢冶炼技术的主要思路就是通过焦炉煤气富氢冶炼，可以取得降低焦比和碳排放的较好效果。

全氢直接还原工艺

全氢直接还原工艺是在气基还原竖炉工艺的基础上，逐步提高原有的天然气裂解制气、焦炉煤气制气和煤制气中氢气与一氧化碳的体积分数比，最终实现全氢还原技术。

在实际应用中，为了增碳和控制炉温，所谓的全氢冶炼工艺几乎不存在，入炉还原气中的氢气体积分数最多达90%。因此，目前钢铁行业的氢冶金技术还做不到净零碳排放，最多减少90%左右的碳排放，并且能做到如此高减排比例的氢冶金项目也多处于初试阶段，还不能实现规模化生产。

B钢铁行业氢冶金技术发展现状及存在问题

高炉富氢冶炼工艺

高炉富氢冶炼所需的还原气，一般包括天然气、焦炉煤气和氢气，在目前生产实践中，使用较多的是天然气和焦炉煤气，而非氢气，这主要是基于还原气的可经济活动性考虑，且天然气或焦炉煤气富含甲烷和氢，在高炉软熔带下部喷吹过程中经过裂解生成一氧化碳和氢气，提高了高炉中二者参与还原反应的浓度和效率；在高炉风口喷吹天然气或焦炉煤气，还可以替代喷煤，从而也可以通过另一途径降低碳排放。

高炉富氢冶炼工艺存在的主要问题：一是高炉中焦炭的骨架作用可以保证高炉中良好的透气性，用富氢还原气只能替代部分焦炭的热反应和还原剂，而不能替代焦炭的骨架作用。二是由于氢气分子较小，喷吹氢气时风口回旋区气流会发生改变，从而影响喷吹效率。三是富氢冶炼时，高炉局部会产生上冷下热的问题，受热不均会对高炉炉体产生损害。四是富氢还原气到底应该是从软熔带下部喷吹还是从风口喷吹，或者同时喷吹的话各占多少比例，是需要不断改进的工艺细节问题。五是高炉中氢气含量与其他气体含量的安全匹配问题等。

全氢直接还原工艺

目前，全氢直接还原工艺仍处于试验阶段，所谓的全氢（零碳）直接还原工艺，也多是在气基竖炉中不断提高氢气与一氧化碳体积分数比，以全氢（零碳）直接还原为终极目标的氢冶金方式。

全氢直接还原工艺存在的主要问题：一是氢气的制备需要较高的财务成本，氢气的储运较传统能源有诸多不便，氢气本身也有易燃易爆等特点，经济制氢、储运氢和安全用氢，对相关技术和设备提出了非常高的要求。二是全氢还原或接近全氢还原具有较强的吸热效应，对竖炉反应器产生不利的温度场影响，进而影响氢气的反应效率，如何补充氢气参与反应带走的热量是需要不断改进、完善该工艺的重点。三是如果对含有氢气的还原气补充热量，将对氢气本身耐高温、炉体内反应物耐氢腐蚀性、防还原气逸散等提出更高要求，相关加热和输送设备要具备更高性能。四是氢气在竖炉中的流速需要根据实际情况合理调节，才能取得最佳的还原反应效率。五是全氢还原或接近全氢还原工艺，需要考虑如何合理渗碳。

C钢铁行业氢冶金技术未来的发展趋势分析

一方面，就国内来说，全氢或接近全氢冶炼工艺，目前仍处于试验阶段，还不能达到大规模工业化生产的要求。然而，高炉富氢冶炼工艺，可以充分利用我国是焦炭生产大国、焦炉煤气产出规模巨大的资源禀赋优势，在氢能成为主导能源之前，高炉富氢冶炼工艺作为过渡技术，将在相当长时间内占据氢冶金的主体地位。

另一方面，尽管氢冶金技术代表着未来钢铁冶炼的发展方向，但就目前来说，即使在西方发达国家，氢冶金技术也处于发展的初期，并没有形成对传统的“高炉—转炉”长流程和“废钢—电弧炉”短流程工艺的规模化替代。其中，主要原因是氢冶金自身存在高成本、低安全性、储运不便、需要在现有设备和流程中改进和完善工艺细节、需要较长时间的论证和检验才能实现量产等问题，在找到这些问题的解决方案之前，氢冶金技术也将在相当长时间内作为现有碳还原技术的辅助。无论如何，从全球气候变化的应对考虑，碳还原技术如何被氢冶金技术成功取代，是值得深入研究和实践的课题。