儲滿生

　　在(zai)碳(tan)達(da)峰(feng)與(yu)碳(tan)中(zhong)和(he)的(de)背(bei)景(jing)下(xia)，我(wo)國(guo)鋼(gang)鐵(tie)行(xing)業(ye)碳(tan)減(jian)排(pai)壓(ya)力(li)巨(ju)大(da)
，碳(tan)稅(shui)政(zheng)策(ce)倒(dao)逼(bi)鋼(gang)鐵(tie)產(chan)業(ye)研(yan)發(fa)應(ying)用(yong)碳(tan)中(zhong)和(he)技(ji)術(shu)。將(jiang)氫(qing)能(neng)應(ying)用(yong)於(yu)鋼(gang)鐵(tie)生(sheng)產(chan)是(shi)鋼(gang)鐵(tie)產(chan)業(ye)低(di)碳(tan)綠(lv)色(se)化(hua)轉(zhuan)型(xing)升(sheng)級(ji)的(de)有(you)效(xiao)途(tu)徑(jing)，全(quan)球(qiu)研(yan)發(fa)熱(re)點(dian)方(fang)向(xiang)主(zhu)要(yao)為(wei)富(fu)氫(qing)還(hai)原(yuan)高(gao)爐(lu)和(he)氫(qing)基(ji)豎(shu)爐(lu)。高(gao)爐(lu)噴(pen)吹(chui)含(han)氫(qing)介(jie)質(zhi)富(fu)氫(qing)還(hai)原(yuan)冶(ye)煉(lian)可(ke)經(jing)濟(ji)性(xing)地(di)實(shi)現(xian)碳(tan)減(jian)排(pai)10%~20%。相比高爐—轉爐長流程，豎爐—電爐短流程碳減排可達50%~95%
，qijishulugengshiyifazhanqingyejin。guoneigangtieqiyeheyuanxiaoyingxietongkaizhanfuhezhongguoguoqingdefuqingqijishulugongchengshifan
，tuijinqingyejinhexinguanjianjishudechengshuhechanyehuayingyong，zhuliyuwoguogangtiechanyeditanlvsechuangxinfazhan。

　　建立氫能—鋼鐵—化工

　　2019年，中國二氧化碳排放總量達到98.4億噸，仍處增長階段，人均二氧化碳排放量達6.8噸
，超世界平均水平。2020年9月22日，中國在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上向世界承諾
，二氧化碳排放力爭於2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。

　　我國鋼鐵產業麵臨著巨大的碳中和壓力。2019年我國粗鋼產量為9.96億噸

，碳排放約為15億噸，占我國碳排放總量的16%左右。高爐—轉爐長流程的粗鋼產量占90%
，由於高度依賴化石能源，導致高碳排放。碳稅政策將倒逼鋼鐵產業研發應用碳中和技術，實現低碳綠色化轉型升級。

　　麵對碳達峰、碳中和目標，鋼鐵產業要以節能高能效為基礎
，重點發展多產業協同的碳捕捉利用（CCU）技術，並輔以能源替代發展氫冶金
，致力解決鋼鐵產業碳中和重大共性難題。

　　一是在工藝優化
、強化冶煉、餘熱和資源高效循環利用、超低排放、係統節能、產品高質化基礎上，要研發應用低碳高爐
、轉爐高廢鋼比冶煉、高效連鑄、鑄zhu軋zha一yi體ti化hua等deng低di碳tan冶ye煉lian技ji術shu
，同tong時shi開kai發fa全quan流liu程cheng信xin息xi物wu理li係xi統tong，實shi現xian智zhi能neng化hua冶ye煉lian
，提ti高gao能neng源yuan利li用yong效xiao率lv，為wei碳tan中zhong和he奠dian定ding基ji礎chu。二er是shi研yan發fa應ying用yong鋼gang鐵tie—化工—氫能一體化網絡集成CCU技術，通過鋼鐵、化工協同
，為我國以高爐—轉爐長流程為主的鋼鐵產業實現碳淨零排放提供最合理、最徹底的解決方案。三是以氫能替代化石能源，發展氫基豎爐—電爐短流程新工藝技術，實現鋼鐵流程革新和能源結構優化，為無涉碳鋼鐵生產提供全新途徑。通過以上3個途徑，以期建立以全新鋼鐵產業為重要中樞節點的氫能—鋼鐵—化工協同新產業鏈。

　　氫在鋼鐵行業的應用

　　綠(lv)色(se)氫(qing)能(neng)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)無(wu)碳(tan)經(jing)濟(ji)的(de)關(guan)鍵(jian)之(zhi)鑰(yao)
，將(jiang)氫(qing)能(neng)應(ying)用(yong)於(yu)冶(ye)金(jin)是(shi)冶(ye)金(jin)行(xing)業(ye)低(di)碳(tan)綠(lv)色(se)化(hua)轉(zhuan)型(xing)的(de)有(you)效(xiao)途(tu)徑(jing)。氫(qing)氣(qi)密(mi)度(du)小(xiao)
，擴(kuo)散(san)能(neng)力(li)強(qiang)，導(dao)熱(re)係(xi)數(shu)大(da)
，易(yi)燃(ran)易(yi)爆(bao)，相(xiang)比(bi)於(yu)CO還原，氫還原產物為H2O，無CO2產生，還原速率快
，在還原過程中具有更高的抗黏結性能。國內外均對氫冶金開展了較多的研究與應用。

　　自20世紀80年代開始，蘇聯、北美多座高爐開始噴吹天然氣；20世紀90年代，美國埃德加—湯姆森鋼鐵廠3號高爐噴吹焦爐煤氣；2004年12月京濱2號高爐噴吹天然氣

，噸鐵噴吹量達50千克。早在20世紀50年代，HYL公司建成了一座擁有5個反應罐的直接還原廠，後發展為了HYL-Ⅲ豎爐，1966年MIDREX公司也開始氫冶金氣基豎爐直接還原工藝生產。近年來，日本、韓國
、歐盟、瑞典、德國、美國等均有氫冶金規劃，如日本COURSE50富氫還原高爐和氫基豎爐、歐盟ULCOS富氫氣基豎爐和氫氣還原煉鋼、美國AISI氫氣閃速熔煉
、瑞典HYBRIT全氫豎爐、韓國COOLSTAR、MIDREX H2

、H2FUTURE、SALCOS等。

　　20世紀60年代我國的重鋼進行了高爐噴吹天然氣試驗，並得到了良好的技術經濟指標。2008年前後，承鋼、濟鋼
、鞍鋼鮁魚圈等的高爐也進行了噴吹焦爐煤氣試驗。1973年

，中國科學院化工冶金研究所先後在河北滄州、山東棗莊建造噸級試驗裝置進行攀枝花釩鈦磁鐵礦氫氣流態化還原的半工業試驗；1975年，廣東韶關建成並試驗了5噸/天的水煤氣豎爐海綿鐵試驗裝置

；1979年，攀枝花建成5立方米氣基豎爐，開展天然氣還原釩鈦磁鐵礦的試驗；2006年，寶鋼
、鋼鐵研究總院、上海大學共同承擔了氫冶金熔融還原新工藝研發項目。近年來

，中晉太行、河鋼、寶鋼籌建氫基豎爐氫冶金生產線，產能為30萬噸/年~120萬噸/年。

　　氫在鋼鐵行業的應用

　　氫在鋼鐵行業的應用主要包括富氫還原高爐、氫冶金氣基豎爐
、氫冶金熔融還原工藝。其中，富氫還原高爐技術相對成熟，部分已實現工業化應用
，碳減排能力在10%~20%；氫冶金豎爐直接還原工藝的碳減排能力可達50%~98%，是當前的重點研發方向；氫冶金熔融還原多處於實驗室研究階段，工業化尚未成熟。

　　富氫還原高爐是指以純氫/富氫還原氣部分代替煤或焦炭，通過風口噴吹入高爐
，增加爐內煤氣含氫量
，強化氫在爐中上部參與間接還原
，減少CO2排放，實現低碳煉鐵。日本COURSE50計劃中高爐噴吹焦爐煤氣的內容
，目標在2050年將日本鋼鐵工業CO2排放減少30％，噸鋼CO2排放從1.64噸減至1.15噸。德國蒂森克虜伯tkH2Steel將氫氣代替煤作為還原劑，減少高爐煉鐵碳排放，預期碳減排幅度可達20%；韓國核能製氫+富氫還原高爐預計從氫還原煉鐵技術研發到12座高爐實際應用，投入4.8萬億韓元，以實現碳減排8.7%。中國寶武核能製氫+氫能冶金建設一台60萬千瓦高溫氣冷堆機組，可滿足180萬噸鋼生產對氫氣
、電力及部分氧氣的需求
，每年減排300萬噸CO2，減少能源消耗100萬噸標準煤。東北大學針對氫還原反應吸熱導致爐身溫降、對爐上部爐料還原粉化和強度影響、對爐缸熱狀態及回旋區燃燒行為影響等技術性問題進行了研究

，鑒於高爐冶煉特性，指出焦爐煤氣、天然氣適宜噴吹量分別在80立方米/噸鐵
、100立方米/噸(dun)鐵(tie)。總(zong)體(ti)來(lai)說(shuo)，高(gao)爐(lu)噴(pen)吹(chui)氫(qing)氣(qi)依(yi)賴(lai)於(yu)大(da)規(gui)模(mo)低(di)成(cheng)本(ben)製(zhi)氫(qing)技(ji)術(shu)以(yi)及(ji)高(gao)效(xiao)安(an)全(quan)的(de)氫(qing)氣(qi)儲(chu)運(yun)技(ji)術(shu)
，相(xiang)關(guan)技(ji)術(shu)仍(reng)在(zai)開(kai)發(fa)當(dang)中(zhong)。我(wo)國(guo)天(tian)然(ran)氣(qi)資(zi)源(yuan)相(xiang)對(dui)匱(kui)乏(fa)，價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui)

，高(gao)爐(lu)噴(pen)吹(chui)天(tian)然(ran)氣(qi)在(zai)經(jing)濟(ji)上(shang)有(you)待(dai)考(kao)量(liang)；焦爐煤氣相對富餘
，價格較為低廉，高爐噴吹焦爐煤氣是我國目前最有可能實現的富氫還原低碳煉鐵技術。

　　氫冶金一般是指入爐還原氣含氫高於55%（H2/CO大於1.5）條件下
，還原鐵礦石
、球團礦生產優質DRI的氣基豎爐直接還原。歐盟ULCOS氫基直接還原—電爐流程若考慮電力產生的碳排放，氫氣豎爐短流程噸鋼CO2排放僅有300千克，與高爐—轉爐長流程噸鋼CO2排放1850千克相比減少84%。瑞典氫能突破性煉鐵技術HYBRIT項目致力於鋼鐵冶煉過程以氫代煤，減少碳排放，預計使瑞典碳排放減少10%、芬蘭減7%；德國SALCOS項目將改變綜合煉鋼流程
，從碳密集型高爐—轉爐長流程向氫氣氣基豎爐—電爐短流程轉變，預計整個鋼鐵生產碳排放減少95%；MIDREX H2®工藝可實現碳減排80%。

　　中國也對富氫氣基豎爐氫冶金工藝開展了探索，中晉太行焦爐煤氣—豎爐直接還原項目已建設完成並於2021年6月正式出鐵
；河鋼將建設全球首例年產60萬噸DRI的氫氣氣基豎爐示範工程（第一期）；中國寶武於2016年nian啟qi動dong了le綠lv色se低di碳tan冶ye金jin創chuang新xin工gong程cheng
，主zhu要yao研yan究jiu了le以yi富fu氫qing碳tan循xun環huan高gao爐lu為wei核he心xin的de低di碳tan高gao爐lu工gong藝yi和he以yi氫qing還hai原yuan代dai替ti碳tan還hai原yuan的de氫qing冶ye金jin工gong藝yi
，將jiang采cai用yong焦jiao爐lu煤mei氣qi、天然氣和氫氣的混合氣，在湛江建設年產120萬噸DRI的氫冶金氣基豎爐線；東北大學籌建煤製氣—富氫氣基豎爐短流程示範工程
，並圍繞高品位鐵精礦製備
、高品質氧化球團生產、氫氣豎爐直接還原技術、氫冶金短流程生命周期評價等關鍵環節展開了係統研究。（作者係東北大學低碳鋼鐵前沿技術研究院院長）