鋼鐵行業氫冶金技術路線及發展現狀

張 穎，王 瑩，查松妍，朱曉光

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

目前，氣候環境變暖已然對人類生存和發展造成了一定影響，如何應對氣候環境變化帶來的挑戰成為全人類的共識［1－2］。聯合國制定了《聯合國氣候變化框架公約》等國際條約，并推動各國簽署《巴黎協定》等重要文件，以共同承擔減少溫室氣體排放的相關責任。2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯合國大會提出了力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和目標［3］，并在國內外重要會議上多次強調該目標落實的重要性。在十四五規劃中，“碳達峰” “碳中和”已成為我國污染防治攻堅戰的重要目標。鋼鐵行業深度脫碳是實現 “碳達峰”“碳中和”的必經之路，是應對氣候變化、緩解能源危機、推動綠色健康發展的重要戰略舉措。

中國鋼鐵行業是國民經濟的重要基礎產業，是資金、技術、能源密集型行業，同時也是中國制造業的碳排放巨頭。2022年，中國粗鋼產量約為10.13億噸，鋼鐵產業碳排放量約為18.23億噸。如果按照每生產1 t鋼需排放1.8 tCO2來計算連續三年鋼鐵行業的碳排放水平，那么，鋼鐵行業的碳排放量占全國碳排放總量的15%以上。由此可以看出，鋼鐵行業急需減少碳排放。氫能具有清潔無污染、來源廣泛、能源效率高以及用處范圍廣等諸多優點，因此世界各國將其作為減少碳排放、調整能源結構的有力武器。氫冶金技術可以實現無化石原料冶煉，從而達到零碳排放標準［4］，日益受到國內外高度重視。當前，德國、日本、韓國、瑞典等分別提出了氫冶金項目規劃［5－6］。氫冶金技術路線主要分為高爐富氫冶煉、氫基直接還原、氫基熔融還原3種模式。本文通過對國內外3種氫冶金技術路線的工藝研發、實施進展、應用現狀以及技術挑戰等方面進行歸納總結，以期能對鋼鐵行業減少碳排放提供借鑒與參考。

1 高爐富氫冶煉技術

高爐富氫是將含氫介質注入高爐中，從而減少煤/焦炭的使用和二氧化碳的排放的生產工藝。該工藝目前已在日本COURESE 50、德國蒂森克虜伯氫氣高爐、德國迪林根富氫高爐、寶武富氫碳循環高爐等初步應用。

1.1 日本高爐噴氫技術

日本COURSE50項目啟動于2008年，研究內容包括兩部分：一是以氫直接還原鐵礦石的高爐減排CO2技術，目標是實現10%的CO2減排；二是高爐煤氣中CO2分離和回收技術［7－8］，目標是減排20%的CO2。COURSE50項目技術路線如圖1所示。

項目的研發分為三個階段進行：2008年—2017年為第一階段，進行技術探索、優選，之后以小型試驗高爐為主體的“氫還原和CO2分離回收技術綜合開發”；2017年—2030年為第二階段，開展大型工業化試驗，最終確定項目技術；2030年—2050年左右為最后階段，實現技術推廣應用和普及。

項目采用的 COURSE50 高爐和 Super COURSE50高爐是在現有高爐基礎上改造而成，采用氫氣和DRI替代部分焦煤和鐵礦。傳統高爐向Super COURSE50高爐的技術演變如圖2所示。COURSE50高爐通過部分噴吹來自企業內部的氫氣（如焦爐煤氣），可實現30%減排量，其中，10% 來 自 氫 氣 作 用，20% 來 自 CCS。Super COURSE50高爐通過最大化地噴吹來自外部的氫氣，配合CCS/CCUS，來實現碳中和。COURSE50為日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的委托項目。

高爐噴吹氫氣存在的技術挑戰：①爐內溫度降低，因此噴吹大量氫氣時，須對氫氣進行預熱，相關技術仍有待開發；②爐內氣體的滲透性降低，爐內反應惡化，同時礦粉與高溫氣體的接觸減少，其不易熔化；③大型高爐還面臨氣體和熱量的均勻分布、礦石黏著和熔體流動等系列技術問題。

1.2 德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術

蒂森克虜伯鋼鐵杜伊斯堡廠采用長流程工藝，現有1＃3 844 m3、2＃4 769 m3、8＃1 303 m3和9＃1 833 m34座高爐。

2019年起，該廠實施向高爐噴氫技術，在正常運行的9＃高爐上完成氫氣利用相關測試，后續向9＃高爐全部28個風口噴入氫氣。該廠其他3座高爐從2022年開始利用氫氣進行冶煉，降低生產過程中高達20%的CO2排放。該廠通過液化氣公司位于萊茵—魯爾區全長200 km的管道確保穩定的氫氣供應。2020年，該廠和德國萊茵集團建立長期的氫能源合作伙伴關系。第一批氫氣將在2025年前后輸入該廠的高爐中，所用的氫來源于水電解，而水電解所需的電力來源于可再生能源。萊茵集團林格發電廠計劃建設1個100 MW 的電解槽，每小時可生產1.7 t氣態氫，相當于杜伊斯堡鋼鐵廠高爐所需氫氣量的70%左右，理論上可生產5萬噸左右的氣候中性鋼材。

1.3 德國迪林根－薩爾富氫高爐冶煉技術

迪林根－薩爾鋼鐵公司是德國第一家鋼鐵企業，該公司2020年8月在高爐正常運行條件下進行了噴吹富氫焦爐煤氣的試驗。上線的焦爐煤氣噴吹系統是迪林根－薩爾鋼鐵減少碳排放的關鍵技術，同時為實際使用綠氫創造了條件。該試驗的目的是進一步減少碳排放，同時獲得在鋼鐵生產中使用氫氣的經驗。該公司認為，在綠氫供應充足的條件下，高爐完全可以使用氫氣作為還原劑進行冶煉。在未來綠氫數量滿足需求、成本具有競爭力的條件下，該公司的鋼鐵生產將采用氫基直接還原鐵—電爐的技術路線。研究人員計劃在兩座高爐中進行使用純氫的試驗。同時，如果德國支持氫能源大力發展，到2035年碳排放量預計將減少40%［9］。

1.4 寶武富氫碳循環高爐冶煉技術

在富氫高爐煉鐵研究方面，中國寶武已于2019年1月15日與中核集團、清華大學簽訂《核能—制氫—冶金耦合技術戰略合作框架協議》，采用核能制氫技術實現氫冶金工藝，基本解決煉鐵燃煤限制問題，降低CO2排放30%，形成寶武特有的低碳煉鐵技術，其低碳冶金技術路線如圖3所示。

圖3 寶武低碳冶金技術路線Fig.3 Technical route of low carbon metallurgical technology for BAOWU

富氫碳循環高爐技術的關鍵是全氧。當高爐實現全氧鼓風時，由于N2減少，高爐煤氣可以很容易實現CO和CO2的分離。CO2回收利用后，剩下的高體積分數CO通過管道輸送到風口和爐身，實現CO和H2重新富集成高還原勢的煤氣，重新回用至高爐，用于還原鐵礦石，以達到碳循環的目的。煤氣的循環使用，不會浪費氫的化學能，氫氣也可以在高爐循環，從而降低高爐流程對化石能源的消耗。中國寶武在新疆八一鋼鐵廠不斷對富氫碳循環高爐技術進行探索，目前富氫碳循環高爐風口已成功噴吹焦爐煤氣，風口噴吹焦爐煤氣最大量為200 Nm3/t鐵，使得高爐可以在富氫的環境下進行冶煉，同時成功實現了50%高富氧、減碳15%的二期目標。三期的工業試驗于2022年7月6日正式展開，目標是減碳30%［10］。

亞洲的能源結構以“多煤少氣”為主，因此高爐煉鐵一直是亞洲鋼鐵企業的主要生產工藝。到2050年，仍然會有一半的鋼鐵產品由高爐工藝生產。寶武集團大膽創新，不斷改造富氫碳循環氧氣高爐技術，對鋼鐵行業碳減排具有一定意義。

2 氫基直接還原工藝

氫基直接還原是以富氫/全氫還原氣為能源和還原劑，在溫度還未達到鐵礦石軟化溫度時，將鐵礦石直接還原成固態海綿鐵的生產工藝。根據反應器的不同，該工藝主要分為氫基豎爐和氫基流化床直接還原工藝，其中氫基豎爐直接還原工藝占主導地位。

2.1 氫基豎爐直接還原工藝

（1）瑞典鋼鐵公司HYBRIT項目。瑞典鋼鐵公司（SSAB）、瑞典國有鐵礦石公司（LKAB）和瑞典大瀑布電力公司共同發起突破性氫能煉鐵技術項目（HYBRIT）［9］，項目研究采用氫與球團礦直接還原生產直接還原鐵［12］，而氫由非化石能源制備。HYBRIT新工藝和高爐工藝的對比如圖4所示。HYBRIT項目研究任務［7］包括：①研究可再生能源發電及其對電力系統的影響，尋找有效的可再生能源用于發電，為非化石能源冶煉提供能源，同時降低制氫成本；②建設制氫與存儲工藝及相關裝備，為HYBRIT項目提供低成本、可靠穩定的氫氣，并進行氫氣產業鏈布局；③研究氫基直接還原煉鐵工藝；④研究配套煉鋼工藝；⑤研究系統集成、過渡路徑和政策等。

圖4 HYBRIT新工藝和高爐工藝的對比Fig.4 Comparison between HYBRIT new process and blast furnace process

HYBRIT中試項目包括3個單元：①SSAB的呂勒奧Svarton廠區作為生產DRI、制氫的中試工廠，使用電解水制氫，用電和氫替代煤炭每年將需要大約15 TW 時電力。②LKAB公司Malmberge廠作為無化石球團生產中試工廠。在中試階段，將測試用生物燃料100%替代化石燃料，此舉可使Malmberge廠的CO2排放減少40%。③建設儲氫設施。2021年4月7日，HYBRIT項目宣布已經在呂勒奧無化石生產DRI中試工廠附近建設1座綠色氫巖洞儲存設施，預計將在2022年—2024年間投入運行。

2021年3月24 日，HYBRIT項目宣布從2023年開始在瑞典北部的耶利瓦勒建造無化石DRI示范工廠，并將于2025年投入運行，2026年實現商業化應用，計劃年產能為130萬噸。此外，還計劃到2030年在耶利瓦勒再建成1座無化石DRI示范工廠，使無化石DRI總年產能達到270萬噸。

（2）奧鋼聯H2FUTURE項目。2017年初，由奧鋼聯發起的H2FUTURE項目［12－13］，目的是通過研發突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術，降低鋼鐵生產碳排放，到2050年實現年減少80%的碳排放目標。H2FUTURE項目成員單位包括奧鋼聯、西門子、Verbund公司（奧地利領先的電力供應商，歐洲最大的水電商）、奧地利電網（APG）公司、奧地利K1-MET中心組等。該項目將建設世界最大的氫還原中試工廠［7］。西門子提供質子交換膜電解槽的技術，將為奧鋼聯林茨廠提供電解能力為6 MW、氫氣產量為1 200 m3/h、產氫效率為80%以上的電解槽；Verbund公司負責利用可再生能源發電，同時提供電網相關服務；奧地利電網公司負責提供穩定的電力供應；奧地利K1-MET中心組負責鋼鐵生產過程中氫氣替代碳基能源的工序研發，并對比研究電解槽系統與其他方案的技術可行性和經濟性，同時研究該項目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業的可復制性和大規模應用的潛力。2019年奧鋼聯位于奧地利林茨廠的全球最大的綠色氫氣生產的中試工廠成功投產。

（3）德國SALCOS直接還原技術。2019年4月，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司與Tenova公司展開合作，將繼續推進以氫氣為還原劑煉鐵，從而減少CO2排放的SALCOS項目。該項目旨在對鋼鐵生產工藝進行逐步改造，用氫氣氣基豎爐直接還原—電爐短流程取代碳密集型的高爐長流程工藝，同時將富余氫氣進行多用途利用。

2016年 4 月薩爾茨吉特正式啟動了GrInHy1.0（green industrial hydrogen，綠色工業制氫）項目，該項目采用固體氧化物電解工藝生產氫氣和氧氣，已于2018年1月完成了系統工業化環境運行，于2019年2月完成了GrInHy1.0項目，后續又開展了GrInHy2.0項目。該項目的技術路線是將鋼企產生的余熱資源生產水蒸氣，再將其與綠色可再生能源發電，結合高溫電解水法制氫。氫氣可用于直接還原鐵生產以及鋼鐵生產的后續工序［14］。

（4）河鋼ENERGIRON直接還原廠。2019年11月，河鋼與意大利特諾恩集團展開合作［11］，聯合中鋼國際等機構研發、建設120萬噸規模的氫冶金示范工程。2020年11月，河鋼與特諾恩集團簽訂 合 同，建 設 包 括 1 座 年 產 60 萬 噸ENERGIRON直接還原廠的高科技氫能源開發和利用工程。由于高體積分數的氫氣（含氫量約為70%），該廠以噸直接還原鐵僅產生250 kgCO2的指標，成為全球最綠色的直接還原廠。同時，產生的CO2還將進行選擇性回收，并可以在下游工藝進行再利用。因此，噸產品產生的最終凈排放僅為約125 kgCO2。

2021年5 月，宣鋼正式啟動建設120萬噸規模的氫冶金示范工程。項目采用ENERGIRON-ZR（零重整）技術，能夠完全替代傳統高爐冶煉工藝，預計每年可減少碳排放60%。項目將從分布式綠色能源、低成本制氫、焦爐煤氣凈化、氣體自重整、氫冶金、成品熱送、CO2脫除等全流程進行創新研發，探索出適合鋼鐵企業發展的低碳甚至零碳的最佳技術路線［15］。依據河鋼集團《低碳發展技術路線圖》（圖5），其實現低碳發展經過“碳達峰平臺期、穩步下降期及深度脫碳期”3個階段，其以實施六大技術路徑，建設兩大管理平臺為抓手，達到2025年碳排放量較峰值降低10%，2030年降低30%，2050年碳中和的低碳排放目標。

圖5 河鋼集團低碳路線Fig.5 Low-carbon route of Hegang group

（5）寶武湛江直接還原鐵技術。繼2020年中國河鋼建設第一座ENERGIRON直接還原廠后，寶鋼湛江鋼鐵于近日委托ENERGIRON?聯盟（特諾恩和達涅利）為其在中國湛江建設新的直接還原工廠。寶鋼湛江鋼鐵零碳示范工廠百萬噸級氫基豎爐工程已于2022年2月15日正式開工，建成之后將成為國內首座百萬噸級的氫基豎爐。項目建成后將配置電爐生產，投產后每年可減少CO2排放50萬噸以上［16］。該創新型工廠項目計劃于2024年初投產試車，采用ENERGIRON?ZR零重整器技術，使用天然氣、焦爐氣和高達100%的氫氣生產100萬噸年產量的優質直接還原鐵。

2.2 氫基流化床直接還原工藝

（1）FINMET工藝。2000年以后FIOR工藝正式停產，取而代之的是由奧鋼聯工程技術公司（VAI）和委內瑞拉FIOR公司合作開發的FINMET工藝。該工藝仍然使用FIOR工藝中的四級串聯流化床反應器作為主體還原裝置，其將天然氣重整得到的富氫氣作為還原氣。使用礦粉的粒度范圍為0.1～8.0 mm。各反應器操作溫度不相同，最高位置的反應器R4溫度約為550℃，而最低位置的反應器R1溫度約為800℃。反應器內的壓力在11～13 MPa的范圍內變化，金屬化率約為93.0%，含碳量為0.5%～3.0%，后續經過壓塊、冷卻得到最終產品。20世紀90年代，其在委內瑞拉、澳大利亞分別建成設計產能為200、250萬噸的FINMET工業化裝置，并成功投產。單套裝置的真實產量在2005年達到150萬噸。但該工藝由于操作復雜、后續投資費用高昂而不斷減產，于2010年后全線停產。FINMET工藝流程示意如圖6所示。

圖6 FINMET工藝流程示意Fig.6 schematic diagram of FINMET process flow

（2）普銳特HYFOR技術。2019年6月，普銳特冶金技術宣布正在開發1種不需要燒結或球團等任何預處理工序即可使用鐵精礦的直接還原工藝。該工藝借鑒了FINMET工藝開發和設備安裝的經驗，可采用所有類型的精礦，甚至是粒度小于0.15 mm的粉礦。新工藝使用氫氣作為主要還原劑，氫氣來自綠氫、傳統蒸汽重整爐的富氫氣體或者富氫廢氣。該工藝可顯著減少CO2排放，甚至減少到零。采用模塊化設計直接還原設備，每個模塊的設計產能為25萬噸/年，可適用于所有規模的鋼廠。普瑞特預計在10～15 a內將位于美國德克薩斯州目前使用天然氣的直接還原工廠（200萬噸/年）改為使用氫氣。

普銳特在奧鋼聯多納維茨鋼廠建立了中試廠，于2020年第二季度投入運行。中試廠設備由3個部分組成，包括預熱—氧化裝置、氣體處理設備和還原設備。精礦粉在預熱—氧化裝置中加熱到大約900℃進入還原設備；氫氣由氣體供應裝置通過導流柵提供；配套的廢氣余熱回收系統保證能源使用得到優化，干法除塵系統解決粉塵排放問題。生產的熱態直接還原鐵（HDRI）以大約600℃的溫度離開還原設備，供給電弧爐或生產熱壓塊鐵。奧鋼聯多納維茨鋼鐵公司試驗廠的首批HyFOR測試已成功使用100%氫氣作為還原劑，并將CO2排放減少到接近于零；接下來還將使用不同的精礦粉繼續進行測試，以收集充足的數據。

（3）POSCO公司HyREX工藝。HyREX工藝是在浦項制鐵自主研發的FINEX煉鐵工藝基礎上，利用流化床還原反應器，采用100%氫氣和鐵礦粉反應生成直接還原鐵，然后將直接還原鐵與電爐結合制造鐵水的方法。高爐、FINEX、HyREX以及豎爐直接還原工藝對比如圖7所示。

圖7 高爐、FINEX、HyREX以及豎爐直接還原工藝對比Fig.7 Com parison of direct reduction processes among blast furnace，FINEX，HyREX and shaft furnace

與傳統氣基豎爐工藝相比，HyREX工藝采用流化床反應器有以下區別：①原料不同。傳統氣基豎爐采用球團礦，而HyREX工藝采用的是鐵礦粉，原料無需加工。②原料與還原氣體接觸方式不同。傳統氣基豎爐中的氫氣從下至上穿過鐵礦石之間的空隙，發生還原反應。HyREX工藝使用流化床反應器，高溫還原氣體通過反應器底部的孔狀網格均勻分布，使鐵礦粉流化發生還原反應。③碳排放強度差異。豎爐還原工藝會有一定量的碳排放，而HyREX工藝則不會存在這樣的問題。

此外，HyREX工藝還具有其他兩個方面的優勢：首先在材料供應方面，隨著球團礦供應短缺問題的加劇，鐵礦粉比球團礦更容易確保供應穩定，且鐵礦粉不需要再加工，經濟效益相對較高；其次，在溫度控制方面，流化床擁有多個反應器且呈梯狀排列，可從外壁和底部注入額外的氧氣控制爐內溫度，相比較豎爐的單級還原爐能夠更好地地保持爐內溫度。

（4）鞍鋼綠氫零碳流化床高效煉鐵新技術。2021年7月，鞍鋼集團、鞍山鋼鐵與中科院過程所（負責流化床工藝）、中科院大化所（負責光伏發電和電解水）以及上海大學（配合氫冶金技術開發）合作并簽訂“綠色氫能冶金技術”五方聯合研發協議，技術路線采用“綠電”、“綠氫”，配合釩電池應用［10］。2021年12月29日，鞍鋼集團發布低碳冶金路線，持續發展低碳冶金技術，力爭成為我國鋼鐵行業首批實現碳中和的大型鋼鐵企業。2022年9月27日，鞍鋼研發的流態化氫基直接還原技術，具有完全自主知識產權的綠氫零碳流化床高效煉鐵新技術示范項目正式開工，意味著在低碳煉鐵領域實現了新突破，計劃于2023年投入運行，形成萬噸級流化床氫氣煉鐵工程示范。項目的不同之處在于采用能夠大幅度提高原料適應性和還原效率的鐵礦預改技術，采用能夠使鐵礦粉高效還原的傳熱傳質效果優良的流化床反應器，使用風力發電產生的綠電高效電解水提供綠氫用于鐵礦還原；并采用國際領先的堿水電解AWE技術。

3 氫基熔融還原工藝

氫基熔融還原是以富氫或純氫氣體作為還原劑，在高溫熔融狀態下進行鐵氧化物還原、渣鐵分離，生產鐵水的工藝方法。

2021年4 月，建龍集團氫基熔融還原法CISP工藝順利投產，該項目冶煉鑄造生鐵，一次性產量可達156 t。該項目設計產能30萬噸，總投資10.9億元，于2009年8月開工建設［10］。富氫熔融還原的賽思普（CISP）新工藝，是一種基于氫冶金的熔融還原冶金新工藝，取消了傳統高爐必不可少的燒結和焦化等工序，能夠減少38%的SO2和氮氧化物排放，89%的粉塵排放；CISP工藝在第一階段年用氫量將達到1萬噸，每年能夠減少11.2萬噸CO2排放量。CISP工藝包括3個階段：以煤＋焦爐煤氣熔融還原煉鐵工藝、純焦爐煤氣熔融還原煉鐵工藝、純氫熔融還原煉鐵工藝，最終實現等離子氫熔融還原煉鐵工藝。

4 結 語

氫冶金技術在理論和實踐中都仍處于起步階段，其在應用過程中面臨技術、成本、資金和政策等方面的挑戰。

（1）氫能產業鏈各個環節仍需要技術突破。制備環節需要突破電解水制氫技術以解決綠氫大規模供應問題；運輸環節需要解決“氫脆”問題；儲存環節需要解決當前低壓液態、高壓氣態及固態3種儲存方式中存在的要求高、成本高和難度大等問題；應用環節尚需氫冶金技術的突破。

（2）綠氫的未來與綠電電價息息相關。我國可再生能源發電制氫成本約為3美元/kg，而煤制氫僅為1美元/kg，可再生能源制氫成本雖呈下降趨勢，但仍然比傳統的煤制氫要高。此外，目前較成熟的液化或高壓儲存方式也增加了氫儲存和運輸的成本和能源消耗。

（3）政策對于氫能的應用普及至關重要。目前全球可再生能源制氫產業的規模較小、成本較高，雖然未來可再生能源制氫擴產和降本的潛力極大，但相應基礎設施和硬件投資是制氫技術能夠大規模發展的前提，這就需要政府以及各部門之間的政策支持。