儲滿生
在碳達峰與碳中和的背景下，我國鋼鐵行業碳減排壓力巨大，碳稅政策倒逼鋼鐵產業研發應用碳中和技術。將氫能應用于鋼鐵生產是鋼鐵產業低碳綠色化轉型升級的有效途徑，全球研發熱點方向主要為富氫還原高爐和氫基豎爐。高爐噴吹含氫介質富氫還原冶煉可經濟性地實現碳減排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%，氣基豎爐更適宜發展氫冶金。國內鋼鐵企業和院校應協同開展符合中國國情的富氫氣基豎爐工程示范，推進氫冶金核心關鍵技術的成熟和產業化應用，助力于我國鋼鐵產業低碳綠色創新發展。
建立氫能—鋼鐵—化工
協同新產業鏈的3個途徑
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，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。
我國鋼鐵產業面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%，由于高度依賴化石能源，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。
面對碳達峰、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，并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、余熱和資源高效循環利用、超低排放、系統節能、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、鑄軋一體化等低碳冶煉技術，同時開發全流程信息物理系統，實現智能化冶煉，提高能源利用效率，為碳中和奠定基礎。二是研發應用鋼鐵—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凈零排放提供最合理、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
綠色氫能被認為是無碳經濟的關鍵之鑰，將氫能應用于冶金是冶金行業低碳綠色化轉型的有效途徑。氫氣密度小，擴散能力強，導熱系數大，易燃易爆，相比于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，后發展為了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，并得到了良好的技術經濟指標。2008年前后，承鋼、濟鋼、鞍鋼鲅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后在河北滄州、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，廣東韶關建成并試驗了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于實驗室研究階段，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%；韓國核能制氫+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%。中國寶武核能制氫+氫能冶金建設一臺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，鑒于高爐冶煉特性，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/噸鐵。總體來說，高爐噴吹氫氣依賴于大規模低成本制氫技術以及高效安全的氫氣儲運技術，相關技術仍在開發當中。我國天然氣資源相對匱乏，價格昂貴，高爐噴吹天然氣在經濟上有待考量；焦爐煤氣相對富余，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于55%（H2/CO大于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項目致力于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并于2021年6月正式出鐵；河鋼將建設全球首例年產60萬噸DRI的氫氣氣基豎爐示范工程（第一期）；中國寶武于2016年啟動了綠色低碳冶金創新工程，主要研究了以富氫碳循環高爐為核心的低碳高爐工藝和以氫還原代替碳還原的氫冶金工藝，將采用焦爐煤氣、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；東北大學籌建煤制氣—富氫氣基豎爐短流程示范工程，并圍繞高品位鐵精礦制備、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系統研究。（作者系東北大學低碳鋼鐵前沿技術研究院院長）
