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氫冶金技術(shù)現狀

從國內外鋼鐵企業(yè)實(shí)踐來(lái)看，采用氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)的項目有瑞典HYBRIT項目、安賽樂(lè )米塔爾純氫冶煉技術(shù)、德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術(shù)、日本COURSE50項目，以及我國的中晉太行直接還原鐵項目、中國寶武湛江鋼鐵氫基豎爐項目和河鋼氫冶金項目。采用氫基流化床直接還原煉鐵技術(shù)的有魯奇公司Circored流化床直接還原項目和我國的鞍鋼氫冶金項目，采用高爐富氫冶煉技術(shù)的有德國蒂森克虜伯、迪林根—薩爾鋼兩家企業(yè)，以及我國的晉南鋼鐵和中國寶武寶鋼股份，采用富氫熔融還原煉鐵技術(shù)的有建龍集團CISP富氫熔融還原項目。從以上國內外企業(yè)的氫冶金項目所采用的技術(shù)路徑進(jìn)行分析，氫冶金主流技術(shù)路徑為高爐富氫冶煉和氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)，并且氫能來(lái)源基本以焦爐煤氣為主。

氫冶金技術(shù)減碳潛力分析

對行業(yè)內研究較多的氫基直接還原煉鐵技術(shù)和高爐富氫冶煉技術(shù)減碳潛力進(jìn)行分析。根據焦爐煤氣制直接還原鐵、全綠電綠氫制直接還原鐵和常規高爐煉鐵3種工藝流程，分別選擇3種工藝流程最接近實(shí)際情況的能源資源消耗進(jìn)行分析，測算碳排放，得到以下結果：“即全綠電綠氫制直接還原鐵碳排放最低，比常規高爐煉鐵碳排放低約78%，即每噸鐵可減排1.235噸二氧化碳；其次為焦爐煤氣制直接還原鐵，比常規高爐煉鐵碳排放低約44%，即每噸鐵可減排0.696噸二氧化碳。

對于高爐富氫冶煉技術(shù)，在無(wú)爐頂氣循環(huán)利用條件下，高爐通過(guò)噴吹富氫還原氣實(shí)現碳減排的潛力受到限制，一般認為高爐富氫還原的碳減排幅度能夠達到10%~20%。中國寶武開(kāi)發(fā)的富氫碳循環(huán)高爐技術(shù)，通過(guò)富氫、富氧以及爐頂煤氣循環(huán)等措施，降碳目標為30%。

氫冶金發(fā)展面臨的挑戰

其一，高品位鐵礦資源匱乏。

氫基直接還原要求鐵精粉品位達到68%以上，脈石含量低于4%，而我國鐵礦石是以低品位磁鐵礦為主，高品位鐵礦資源匱乏，難以支撐我國大規模開(kāi)展直接還原鐵生產(chǎn)。

其二，氫能資源少、利用成本高。

我國制氫規模雖然較大，但大部分均采用化石能源制氫，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇等產(chǎn)品，可用于氫冶金的氫能資源較少。鋼鐵企業(yè)只有配套建設焦化項目或周邊地區有焦化企業(yè)，才具有發(fā)展氫冶金的基礎。利用綠電—電解水制氫工藝，氫氣成本是焦爐煤氣制氫和天然氣制氫的2倍~3倍，用氫成本較高，難以和高爐—轉爐長(cháng)流程在成本上進(jìn)行競爭。

其三，技術(shù)研發(fā)難點(diǎn)多。

全氫直接還原煉鐵技術(shù)是對現有高爐—轉爐工藝的革新，在技術(shù)研發(fā)上具有較多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。一是氫還原為強吸熱反應，將影響到反應器內溫度場(chǎng)分布，而反應溫度的變化將影響氫氣利用效率。二是依照現有氣基豎爐工藝或流化床工藝，氫還原反應器內熱量均依靠高溫還原氣的物理熱帶入，解決熱量不足問(wèn)題將是未來(lái)研發(fā)重點(diǎn)。三是通過(guò)提高還原氣溫度和增加還原氣流量來(lái)補充熱量，將影響到氫氣在豎爐中的流速，進(jìn)一步影響氫氣還原率及利用效率，同時(shí)對氣體加熱爐裝備、反應器的耐高溫、耐高壓、防泄漏、耐氫蝕性等帶來(lái)巨大挑戰。四是全氫還原無(wú)滲碳條件，不含碳的直接還原鐵熔點(diǎn)高、極易再氧化、自燃，難以安全儲存和運輸。

其四，可再生能源制綠氫與冶金流程耦合難度大。

冶金工業(yè)是一種流程制造系統，生產(chǎn)基地由多個(gè)不可拆分的化工、冶金反應器組成，反應器內部高溫、高壓，伴有連續進(jìn)行的多相物質(zhì)相互轉化的化學(xué)反應，對系統的可靠性要求很高，必須長(cháng)期連續穩定運行。而可再生能源受制于風(fēng)或光等外部自然條件變化，波動(dòng)性較大，如何通過(guò)利用電網(wǎng)、儲能、儲氫等多種方式實(shí)現綠氫的穩定供應，是氫能與鋼鐵產(chǎn)業(yè)間相互耦合要解決的難題。

發(fā)展建議

其一，氫冶金是鋼鐵工業(yè)遠期實(shí)現碳中和的重要路徑。國家和行業(yè)應加快制訂鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)專(zhuān)項規劃和氫冶金發(fā)展規劃，明確氫冶金發(fā)展思路、技術(shù)路線(xiàn)圖及配套鼓勵性政策，支持低碳冶金園區、氫冶金示范項目建設。

其二，充分發(fā)揮綠色低碳類(lèi)投資基金和全球低碳冶金創(chuàng )新聯(lián)盟作用。集行業(yè)之力開(kāi)展氫冶金技術(shù)的研發(fā)與工程化示范，避免技術(shù)研發(fā)的重復投入和資源浪費。加大高效、低成本選礦技術(shù)研發(fā)力度，突破發(fā)展直接還原煉鐵的原料端環(huán)節限制。

其三，以《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃（2021年-2035年）》為引領(lǐng)，加強制氫、儲運技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新體系、清潔能源制氫及供應體系，支撐氫能在冶金行業(yè)的應用。

其四，鋼鐵企業(yè)開(kāi)展氫冶金示范項目建設，應組織專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員深入總結國內外氫冶金工程示范經(jīng)驗，開(kāi)展相關(guān)技術(shù)裝備調研、市場(chǎng)分析、技術(shù)經(jīng)濟性評估、氫能資源評估等前期準備工作，規避投資風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險。

來(lái)源：中國金屬學(xué)會(huì )