有色冶金領域氫冶金發展現狀及趨勢

董頂一｜文

本文簡要探討了國內氫冶金技術在有色金屬行業的運用現狀，探討氫冶金技術在有色金屬行業廣泛運用面臨的現實問題，并就氫冶金在有色金屬領域的發展趨勢進行展望。

據國家統計局數據，2023 年，有色金屬行業工業增加值同比增長7.5%，增幅較工業平均水平高2.9個百分點。十種有色金屬產量為7 469.8萬噸，按可比口徑計算比上年增長7.1%，首次突破7 000 萬噸。其中，精煉銅產量1 299 萬噸，同比增長13.5%；電解鋁產量4 159萬噸，同比增長3.7%。2023年，有色金屬進出口貿易總額3 315億美元，同比增長1.5%。進口方面，銅精礦、鋁土礦進口實物量分別為2 754萬噸、14 138 萬噸，同比增長9.1%、12.9%；出口方面，未鍛軋鋁及鋁材出口量567.5萬噸，同比下降13.9%，但降幅較前三季度收窄1.5個百分點。數據顯示，我國有色金屬行業呈現出良好的發展態勢。與此同時，由于多數有色金屬是通過火法提煉，不僅會加重碳排放，也會產生大量工業廢氣，對生態環境造成不可小覷的危害。為此,國家出臺了一系列政策，希望能夠促進氫能源在有色金屬冶煉領域的廣泛使用，避免走“先污染，后治理”的老路。但氫冶金技術作為一種新戰略能源，其在逐步推廣的過程中必然會面臨種種問題，唯有逐步突破瓶頸，才能踐行“既要金山銀山，又要綠水青山”的要求。

我國有色冶金領域氫冶金技術的應用現狀

氫冶金技術用于煉鐵過程已有比較長的歷史，20世紀五六十年代開展的高爐噴吹富氫焦爐煤氣、天然氣，利用重整天然氣的氣基直接還原等均是富氫冶金，屬于氫冶金的范疇。在全球低碳化應對氣候變化、“雙碳”目標背景下，氫冶金逐漸成為國內外研發和討論的熱點。

1.鋼鐵冶煉領域氫冶金技術應用現狀

（1）政策保障方面

鋼鐵行業作為我國國民經濟發展的基礎性產業之一，也是促進“雙碳”目標實現的主要陣地。2021 年10 月，國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》，要求積極探索開展氫冶金、二氧化碳捕集利用一體化等試點示范，助力碳達峰行動在工業領域的開展。2022年1月，工信部、國家發改委、生態環境部聯合印發《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》，計劃于2025年實現行業創新能力的提升，將行業研發投入強度提高到1.5%，實現氫冶金等低碳冶金技術的突破。鼓勵企業、高?；蜓邪l機構組建低碳冶金創新聯盟，提高低碳冶金技術的研發速度和應用。2022年2月，國家發改委、工信部、生態環境部、國家能源局聯合發布了《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南（2022年版）》，鋼鐵行業列入其中，提出重點圍繞副產焦爐煤氣或天然氣直接還原煉鐵、高爐大富氧或富氫冶煉、熔融還原、氫冶煉等低碳前沿技術，加大廢鋼資源回收利用，加強技術源頭整體性的基礎理論研究和產業創新發展，開展產業化試點示范。

伴隨著氫產能的不斷增加，包括鋼鐵行業在內的金屬行業成為氫能源應用的主要方向。2022年3月，國家發改委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035 年)》，要求開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發應用，探索氫能冶金示范應用。至此，國內有關氫冶金技術的研發不斷深入，部分有色金屬企業也開始積極規劃氫冶金戰略布局。

（2）技術研發與應用方面

近年來，各鋼鐵企業對氫冶金技術的關注度越來越高。如2018 年，中核集團、中國寶武集團、清華大學三方展開合作，啟動了核能技術與冶金技術的研發項目。在“產學研”的合作模式下，打造出世界領先的核冶金產業聯盟，將核能優勢拓展至多個金屬領域，促進核裝備制造、材料研發等相關產業的發展。在立足寶武鋼鐵產業發展的現實需求，實現了“核能技術+鋼鐵冶煉+煤化工工藝”的耦合，將排碳量降到了超低水平。

2020 年11 月，山西中升鋼鐵公司和上海大學合作開展了富氫低碳冶金項目，該項目建造了一種半工業化試驗系統——富氫低碳冶煉模擬科學中心裝置，主要用于高爐科學、低碳冶金、氫能利用研究。

2021年7月，鞍鋼集團、中科院過程工程研究所和中科院大連化學物理研究所聯合開展了綠色氫冶金技術研發項目，該項目采用“風電-光伏-電解水制氫-氫冶金”這一綠色冶金工藝，同時配套釩電池儲能調峰，確保冶金水平。

2021年8月到2022年，中國寶武集團先后開啟了富氫碳循環高爐項目和氫基豎爐，前者實現了目標減碳30%，后者形成短流程低碳冶金路線。

各企業與技術中心積極開展氫冶金技術的研發與應用，并進行相關的戰略布局，為國內眾多對氫冶金技術躍躍欲試的中小金屬冶煉提取企業形成了良好的榜樣示范作用。但是，目前我國有色金屬冶金領域對氫冶金技術的應用仍處于初步發展階段，距離氫冶金技術的廣泛使用和規?；l展還有一段距離。伴隨著國家相關政策的不斷完善以及氫冶金技術的不斷成熟，該技術不僅能夠助力于我國“雙碳”目標的圓滿成功，更能為我國有色金屬行業的發展帶來勃勃生機。

2.有色金屬冶煉領域氫冶金技術應用現狀

氫冶金技術在有色金屬還原中也已經實現了規?；瘧?，如鎢、鉬、鍺、多晶硅等還原均采用氫，其還原技術已比較成熟，針對還原尾氣氫回收循環利用在國內有了較為廣泛的應用。如在鎢粉的制造中，常用氫還原氧化鎢的方法制造鎢粉，雖然用碳還原氧化鎢也能制得鎢粉，但容易使金屬鎢變脆，不利于其進一步加工。通過較高的還原溫度、較高濕度的氫氣以及較低的供氫流量等工藝條件，適當添加堿金屬氧化物，能夠有效促使鎢粉顆粒變大，并通過球磨和洗滌，使其具備更好的流動性和容器填充性。

在多晶硅還原中，氫氣還原技術也已經發展成熟。目前，國內基本都采用改良西門子法生產多晶硅，在還原尾氣中含有大量有用成分，這部分還原尾氣均通過CDI法回收系統，經過冷凝、壓縮、吸收、脫吸、活性炭吸附等工序分別將氯硅烷、氯化氫、氫，分離提純后循環利用。針對再生氫氣的排廢處理，也會利用一種再生氫氣回收裝置，通過壓縮、深冷分離、變溫吸附、精脫氯、變壓吸附技術，將直排至廢氣處理工序的再生氫氣提純凈化后循環利用。還有鉬還原爐氫氣回收技術也已經發展成熟，利用一種鉬還原爐氫氣回收循環利用裝置，通過水封及阻火器實現防爆功能，并通過五次冷凝、兩次氣水分離去除氫氣中的雜質，并于干燥塔干燥后儲存于氫氣緩沖罐，這樣就實現了氫氣的循環利用，有效解決氫冶煉過程中氫能耗費巨大的現實問題，降低了生產成本。

我國有色冶金領域氫冶金技術的應用分析

1.優勢

（1）有助于綠色發展戰略目標的實現

氫氣在有色冶金行業中的使用以及其低碳、環保等特點，主要體現在金屬還原、氣體清洗和儲能利用三個方面。

首先，有色金屬行業主要生產的有色金屬和合金通常需要使用大量還原劑，傳統的還原劑不僅會增加碳排量，還會產生大量廢渣。將氫氣作為還原劑用于鋁、銅、鎂等有色金屬冶煉，不僅環保，還能減少加工時間和能源損耗，獲得高純度的有色金屬。其次，在冶煉有色金屬過程中，時常會產生二氧化硫和二氧化碳等氣體廢物，對環境造成污染。采用氫氣對氣體進行清洗，不僅能夠有效去除廢氣中的雜質，還能對氫氣進行回收，實現能源的循環利用。最后，有色金屬由于能源消耗巨大，需要不斷探索新的能源儲備和利用方式，才能確保冶煉工作有序開展。氫氣作為一種高效的儲能手段，對于有色金屬行業能源的循環利用具有很好的價值。在用水發電的過程中，產生的過剩電能可以被用于制取氫氣，儲存于氣體罐內，并可以隨時用于冶煉有色金屬。

（2）具有長遠性的經濟價值

傳統的有色金屬冶煉是以碳為還原劑，煤炭本身的價格不算昂貴，但在冶煉有色金屬的過程中卻需要耗費大量的碳，這就使得煤炭成為有色金屬冶煉工藝中所占成本比例最大的部分。目前，氫氣成本約為1元/標準立方米,雖然該成本的價格離成本平衡還存在一點距離，但在成本不斷提升下，相較于用碳做還原劑，其冶煉成本已經得到了有效縮減。且伴隨著政府對氫冶金技術研發的支持，我國制氫技術也在不斷發展，氫氣價格進一步降低也是必然結果。不論是在現在還是在今后，采用氫氣冶金都能夠縮小與平衡成本之間的差距，具有良好的經濟價值。

2.劣勢

（1）氫冶金技術在有色行業的應用工藝還不夠成熟

在我國，用氫氣取代煤炭用于有色金屬冶煉這一工藝起步較晚，且仍處于初步發展階段，因此很難大規模應用于有色金屬冶煉。具體體現在以下幾個方面：一是相關理論研究成果較少，不能很好地指導工藝生產實踐；二是氫冶金技術往往是在850℃以上的高溫環境中實施，面臨著高溫、易爆、易漏等現實問題，而國內相關研究較少，在耐高溫材料的使用和氫安全保障等實踐工作上欠缺理論指導；三是缺乏與氫冶金工藝配套的反應器結構設計和工藝控制技術；四是國內雖然已經建成一部分氫冶金示范工程并投產，但基本處于工業性試驗階段，現有的氫冶金距離廣泛的工業化應用還存在一定差距。

（2）短期內企業可能面臨著一定的成本壓力

有色金屬冶煉過程中需要用到大量的高純度氫氣，但目前的氫成本仍然略高于平衡成本，且在短期內氫氣的價格難以降低，這就使得大部分有色金屬企業仍是以煤炭作為還原劑進行冶金。一些大型有色金屬企業在利用氫冶金技術時，也會在短期內面臨著一定的成本壓力。目前，全球大多數的制氫方式都是通過天然氣、煤炭等化石能源，過程中不可避免地產生碳排放，在能源轉型以及“雙碳”目標下不能長期使用，需要通過可再生能源電解質水制氫技術才能達到減排的目的，但這種綠氫制造成本是高于化石能源制氫成本的，且遠高于企業有色金屬冶煉的平衡成本。

有色冶金領域氫冶金技術應用發展趨勢

在政府持續推進“雙碳”目標實現的背景下，有色金屬行業作為碳交易的主要市場，相關企業低碳轉型已是大勢所趨，氫冶金技術被廣泛應用于有色金屬冶煉也只是時間問題。在促進有色金屬冶煉“以氫代碳”的過程中，解決氫冶金技術工藝、降低制氫成本無疑是有色金屬行業實現低碳發展和能源變革的重要方向。一方面，政府應進一步完善頂層設計和政策支持，鼓勵各企業和科研中心不斷完善包括富氫還原高爐、氫冶金氣基豎爐、氫冶金熔融還原等關鍵技術的理論研究，同時進一步鼓勵各有色技術企業開展氫冶金技藝工業試驗，以實踐促進理論完善，進而更好地指導氫冶金技術實踐，促進我國氫冶金技術的發展。另一方面，積極探索低成本的綠氫制作工藝，尤其是電解水制氫工藝和核能制氫工藝，穩步推進“綠氫+冶煉”的有色金屬行業低碳路線，助力有色金屬行業的綠色可持續發展。與此同時，積極引進國外先進的氫冶金技藝相關配套設施，確保綠氫工藝能夠被有效運用于有色金屬冶煉。建議加強相關配套機制，如增加工業行業碳稅、提高工業行業氫氣價格補貼額度等，逐步推進有色金屬冶金領域中氫冶金技術的產業化和市場化。

在未來，我國的氫冶金技術將不斷進步，富氫還原高爐、氫冶金氣基豎爐、氫冶金熔融等技術將成為最核心的技術，制氫成本也會隨之降低，被有色金屬行業廣泛運用，促進“雙碳”目標的實現。

總結

氫冶金技術作為一種低碳、零污染的冶金技術，在有色金屬行業的應用越來越受到關注。鋼鐵行業領域的氫冶金技術已經進入到初步發展階段，但是在鎳、鈦、鎢、鉬等有色金屬冶金中仍處于實驗階段。我國一方面仍需進一步推動氫冶金技術在鋼鐵行業領域冶金的發展，不斷完善氫冶金技術和設備，探索更低成本的制氫方法；另一方面，要繼續加強氫冶金技術在鎳、鈦、鎢、鉬等有色金屬冶金方面的理論與技術研究，爭取將氫冶金技術全面運用于整個有色金屬行業，促進有色金屬冶金領域在整體上穩步前進與發展。