1 前言

為了應(yīng)對(duì)全球變暖，2015年世界主要國(guó)家簽署《巴黎協(xié)定》，我國(guó)制定了到2030年和2040年碳排放量相對(duì)1990年分別減少40%和60%的中長(zhǎng)期碳減排目標(biāo)。據(jù)國(guó)際能源署數(shù)據(jù)，2019年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量約330億噸，其中近14%是由鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生[1-2]。2019年我國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量9.96億噸，占全世界總產(chǎn)量的53.3%，而鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放量為22.27億噸，約占我國(guó)碳排放總量的16%，是碳排放量最多的行業(yè)之一。鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對(duì)支撐其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保障國(guó)家安全、提升國(guó)際地位具有極其重要的作用[3-4]。因此，鋼鐵工業(yè)有效降低碳排放強(qiáng)度成為碳減排計(jì)劃的重中之重，低碳綠色化是鋼鐵工業(yè)未來(lái)發(fā)展方向。

在應(yīng)對(duì)全球氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，各國(guó)都高度重視無(wú)碳和低碳能源的開(kāi)發(fā)利用。氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，由于具有?lái)源多樣、清潔低碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，被多國(guó)列入國(guó)家能源戰(zhàn)略部署。發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)新的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域，中國(guó)應(yīng)當(dāng)審時(shí)度勢(shì)，把建立取代化石能源的“氫經(jīng)濟(jì)”產(chǎn)業(yè)革命作為實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化、實(shí)現(xiàn)中國(guó)和平發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)[5-6]。將氫氣用于鋼鐵制造的氫冶金工藝為變革性技術(shù)，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、工藝流程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，徹底實(shí)現(xiàn)低碳綠色化可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。為此，1999年徐匡迪院士提出了鐵礦氫還原工藝設(shè)想，并在2002年再次提出了氫冶金的技術(shù)思想[7]。隨后，國(guó)外冶金界紛紛提出氫冶金的戰(zhàn)略規(guī)劃。2018年干勇院士指出“21世紀(jì)是氫時(shí)代，氫冶金就是氫代替碳還原生成水，不但沒(méi)有碳排放，而且反應(yīng)速度極快”。

當(dāng)前德國(guó)、日本、韓國(guó)、瑞典、奧地利等產(chǎn)鋼國(guó)分別提出了氫冶金項(xiàng)目，研發(fā)熱點(diǎn)主要有富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原。富氫還原高爐煉鐵項(xiàng)目主要有日本COURSE50、德國(guó)“以氫代煤”、韓國(guó)COOLSTAR、奧鋼聯(lián)H2FUTURE等；氫氣豎爐直接還原項(xiàng)目主要有歐盟ULCOS的ULCORED新型豎爐直接還原和氫氣豎爐直接還原煉鋼技術(shù)、瑞典HYBRIT、德國(guó)SALCOS、MIDREX H2等，并且各自提出了不同的碳減排目標(biāo)，有些甚至是碳近零排放的碳中和冶煉。當(dāng)前我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)以高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程占絕對(duì)主力，綠色發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境需求不匹配已成為鋼鐵工業(yè)面臨的主要矛盾。為了實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)，我國(guó)高度關(guān)注氫冶金前沿技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，中國(guó)寶武、河鋼和日照鋼鐵等企業(yè)分別提出了氫冶金規(guī)劃。針對(duì)我國(guó)的資源和能源供應(yīng)條件，合理選擇適合于我國(guó)國(guó)情的氫冶金工藝路線對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色、可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

本文首先概述了國(guó)內(nèi)外富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀，然后進(jìn)行了富氫高爐和氫氣氣基豎爐兩種冶煉工藝碳減排潛力的對(duì)比研究，得出氣基豎爐是開(kāi)展氫冶金的主導(dǎo)技術(shù)。隨后，剖析了發(fā)展全氫氣基豎爐工藝所涉及的若干制約問(wèn)題，認(rèn)為在今后一段時(shí)間內(nèi)我國(guó)氫冶金應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展富氫氣基豎爐，待相關(guān)條件成熟后再逐步發(fā)展全氫豎爐。

2 國(guó)內(nèi)外氫冶金工藝研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 高爐富氫還原煉鐵技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

2.1.1 日本COURSE50項(xiàng)目的高爐富氫還原煉鐵

日本環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目COURSE50（CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by innovative technology for cool Earth50）以“創(chuàng)新的煉鐵工藝”為主要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)開(kāi)發(fā)高爐富氫還原煉鐵技術(shù)和高爐爐頂煤氣CO2捕集儲(chǔ)存技術(shù)，將鋼鐵生產(chǎn)CO2排放減至最小，項(xiàng)目技術(shù)路線見(jiàn)圖1[8-9]。研發(fā)目標(biāo)是2050年日本鋼鐵工業(yè)噸鋼CO2排放量減少30％，屆時(shí)日本噸鋼CO2排放將從1.64噸減到1.15噸。項(xiàng)目研發(fā)分為三個(gè)階段：第一階段（2008~2017年），其中第一步（2008~2013年）進(jìn)行技術(shù)探索、優(yōu)選，第二步（2013~2017年）進(jìn)行以小型試驗(yàn)高爐為主體的“氫還原和CO2分離回收技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)”；（2）第二階段（2017~2030年），開(kāi)展大型工業(yè)化試驗(yàn)，最終確定項(xiàng)目技術(shù)；（3）最后階段（2050年左右），實(shí)現(xiàn)技術(shù)推廣應(yīng)用和普及。

高爐富氫還原煉鐵是利用焦?fàn)t煤氣或改質(zhì)焦?fàn)t煤氣替代部分焦炭，用來(lái)還原鐵礦石，該向技術(shù)的目標(biāo)是減少10%的碳排放，主要的支撐技術(shù)包括富氫還原鐵礦石技術(shù)、焦?fàn)t煤氣改質(zhì)技術(shù)和高強(qiáng)度高反應(yīng)性焦炭生產(chǎn)技術(shù)。焦?fàn)t煤氣改質(zhì)技術(shù)是通過(guò)催化裂解將焦?fàn)t煤氣中的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)變?yōu)闅錃?，改質(zhì)后的焦?fàn)t煤氣中的氫氣含量可達(dá)到60%以上。由于采用富氫煤氣作為還原劑，焦比會(huì)相應(yīng)降低，但焦炭還要承擔(dān)料柱骨架、保障爐內(nèi)煤氣順暢流動(dòng)的作用，高強(qiáng)度高反應(yīng)性焦炭的研發(fā)對(duì)氫還原煉鐵技術(shù)起到了重要的支撐作用。

2013年，在瑞典LKAB試驗(yàn)高爐上完成了焦?fàn)t煤氣噴吹的工業(yè)試驗(yàn)，目的是研究和評(píng)價(jià)使用普通焦?fàn)t煤氣或改質(zhì)焦?fàn)t煤氣置換焦炭和降低還原劑比的潛力。富氫改質(zhì)焦?fàn)t煤氣通過(guò)爐身下部3個(gè)噴吹口噴進(jìn)高爐，而普通焦?fàn)t煤氣通過(guò)爐缸風(fēng)口噴吹。研究表明，在爐身噴吹改質(zhì)焦?fàn)t煤氣能有效改善爐墻區(qū)域的透氣性和增加間接還原度。得到了改質(zhì)焦?fàn)t煤氣的理想噴吹條件：改質(zhì)焦?fàn)t煤氣噴吹量應(yīng)控制在200 m3/tHM以上，同時(shí)噴吹煤氣的比例達(dá)到20％以上。為了支持氫還原試驗(yàn)，日本在新日鐵住金君津廠建成試驗(yàn)高爐（12m3），試驗(yàn)高爐爐身上部安裝有噴吹口。2016年4月進(jìn)行了第一次試驗(yàn)操作，確立了氫還原效果最大化的操作技術(shù)，并對(duì)COURSE50項(xiàng)目第一階段的試驗(yàn)技術(shù)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，碳減排結(jié)果為9.4%，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)定的碳減排目標(biāo)。第二階段將進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)，逐步模擬4000~5000 m3的實(shí)際高爐，同時(shí)進(jìn)行富氫煤氣加壓噴吹和焦?fàn)t煤氣改質(zhì)整體裝備研發(fā)。該項(xiàng)目計(jì)劃于2030年在首座高爐實(shí)施富氫還原煉鐵，2050年實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在日本高爐的推廣普及。

圖1 COURSE50項(xiàng)目技術(shù)路線

2.1.3 韓國(guó)氫還原煉鐵

韓國(guó)政府將氫還原煉鐵指定為國(guó)家核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。早在2009年，韓國(guó)原子能研究院與POSCO等韓國(guó)國(guó)內(nèi)13家企業(yè)及機(jī)關(guān)共同簽署原子能氫氣合作協(xié)議，開(kāi)展核能制氫信息交流和技術(shù)研發(fā)。2010年5月，POSCO正式開(kāi)發(fā)著手開(kāi)發(fā)超高溫反應(yīng)堆（VHTR）和中小型核能反應(yīng)堆（SMART）。韓國(guó)政府曾計(jì)劃從2017年到2023年投入1500億韓元（約合9.15億元），以官民合作方式研發(fā)氫還原煉鐵法：第一步：從2025年開(kāi)始試驗(yàn)爐試運(yùn)行；第二步：從2030年開(kāi)始在2座高爐實(shí)際投入生產(chǎn)；第三步：到2040年12座高爐投入使用，從而完成氫還原煉鐵。從預(yù)計(jì)投入資金情況來(lái)看，從技術(shù)研發(fā)到在2座高爐上實(shí)際投入生產(chǎn)，需要投入8000億韓元（約合48.78億元）的資金，可減少1.6%的二氧化碳排放，在12座高爐實(shí)際投入生產(chǎn)，預(yù)計(jì)需要投入4.8萬(wàn)億韓元（約合292.68億元）資金，可減少8.7%的二氧化碳排放。

2017年12月開(kāi)始，韓國(guó)正式開(kāi)始?xì)溥€原煉鐵COOLSTAR項(xiàng)目[11]。作為一項(xiàng)政府課題，由韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部主導(dǎo)，韓國(guó)政府和民間計(jì)劃投入898億韓元用于相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)，其終極目標(biāo)是減排CO215%，同時(shí)確保技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。COOLSTAR項(xiàng)目主要包括“以高爐副生煤氣制備氫氣實(shí)現(xiàn)碳減排技術(shù)”和“替代型鐵原料電爐煉鋼技術(shù)”兩項(xiàng)子課題。項(xiàng)目的第一個(gè)子課題由浦項(xiàng)鋼鐵公司主導(dǎo)，依據(jù)歐洲和日本的技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和今后的發(fā)展方向，以利用煤為能源的傳統(tǒng)高爐為基礎(chǔ)，充分利用“灰氫”，這類(lèi)氫氣主要通過(guò)對(duì)鋼鐵廠產(chǎn)生的副產(chǎn)品煤氣進(jìn)行改質(zhì)精制而成，而非可再生能源產(chǎn)生的“綠氫”，由此實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)，并作為高爐和電爐的還原劑；第二個(gè)子課題是將氫氣作為還原劑生產(chǎn)DRI，逐步替代廢鋼，由此減少電爐煉鋼工序CO2排放，同時(shí)提高工序能效，最終目標(biāo)是向韓國(guó)電爐企業(yè)全面推廣。COOLSTAR項(xiàng)目計(jì)劃2017~2020年開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的技術(shù)研發(fā)，主要完成基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)；2021~2024年開(kāi)始中試規(guī)模的技術(shù)開(kāi)發(fā)，完成中試技術(shù)驗(yàn)證，到2024年11月前完成氫還原煉鐵工藝的中試開(kāi)發(fā)，并對(duì)具有經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)大規(guī)模的試驗(yàn)；2024~2030年完成商業(yè)應(yīng)用的前期準(zhǔn)備；2030年以后篩選出真正可行的技術(shù)并投入實(shí)際應(yīng)用研究；2050年前后實(shí)現(xiàn)商用化應(yīng)用。

目前，浦項(xiàng)鋼鐵公司浦項(xiàng)廠已將還原性副產(chǎn)氣體作為還原劑進(jìn)行應(yīng)用，這類(lèi)副產(chǎn)氣體由發(fā)電站供應(yīng)；現(xiàn)代鋼鐵公司利用生物質(zhì)替代煤炭，由此實(shí)現(xiàn)煉鐵工序CO2減排；浦項(xiàng)工科大學(xué)開(kāi)發(fā)了高溫固體氧化物電解電池系統(tǒng)，催化還原CO2，并通過(guò)間接去除技術(shù)，減少尾氣中的CO2；延世大學(xué)開(kāi)發(fā)的吸附工藝，從焦?fàn)t煤氣中回收氫氣，同時(shí)對(duì)甲烷進(jìn)行濃縮；韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院從焦?fàn)t煤氣中生產(chǎn)氫氣，并試圖通過(guò)水蒸氣改質(zhì)工藝研究，擴(kuò)大氫氣的產(chǎn)量；釜慶大學(xué)利用煉鐵副產(chǎn)煤氣，制備高碳、高金屬化率的DRI。

2.1.4 中國(guó)寶武的核能-制氫-冶金耦合技術(shù)

中國(guó)寶武的低碳冶金技術(shù)路線圖[12]見(jiàn)圖3。2019年1月15日，中國(guó)寶武與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將合作共同打造世界領(lǐng)先的核氫冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。以世界領(lǐng)先的第四代高溫氣冷堆核電技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展超高溫氣冷堆核能制氫技術(shù)的研發(fā)，并與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，依托中國(guó)寶武產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的二氧化碳超低排放和綠色制造。其中核能制氫是將核反應(yīng)堆與采用先進(jìn)制氫工藝的制氫廠耦合，進(jìn)行大規(guī)模H2生產(chǎn)。經(jīng)初步計(jì)算，一臺(tái)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆機(jī)組可滿足180萬(wàn)噸鋼對(duì)氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬(wàn)噸二氧化碳，減少能源消費(fèi)約100萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，將有效緩解我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的碳減排壓力。

2.1.5 奧鋼聯(lián)H2FUTURE項(xiàng)目

2017年初，由奧鋼聯(lián)發(fā)起的H2FUTURE項(xiàng)目，旨在通過(guò)研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術(shù)，降低鋼鐵生產(chǎn)的CO?排放，最終目標(biāo)是到2050年減少80%的CO?排放[13-15]。H2FUTURE項(xiàng)目的成員單位包括奧鋼聯(lián)、西門(mén)子、Verbund（奧地利領(lǐng)先的電力供應(yīng)商，歐洲最大的水電商）公司、奧地利電網(wǎng)（APG）公司、奧地利K1-MET中心組等。該項(xiàng)目將建設(shè)世界最大的氫還原中試工廠。西門(mén)子作為質(zhì)子交換膜電解槽的技術(shù)提供方；Verbund公司作為項(xiàng)目協(xié)調(diào)方，將利用可再生能源發(fā)電，同時(shí)提供電網(wǎng)相關(guān)服務(wù)；奧地利電網(wǎng)公司的主要任務(wù)是確保電力平衡供應(yīng)，保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定；奧地利K1-MET中心組將負(fù)責(zé)研發(fā)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中氫氣可替代碳或碳基能源的工序，定量對(duì)比研究電解槽系統(tǒng)與其他方案在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)研究該項(xiàng)目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業(yè)的可復(fù)制性和大規(guī)模應(yīng)用的潛力。圖4給出了H2FUTURE項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)鏈。

H2FUTURE項(xiàng)目計(jì)劃在奧地利林茨的奧鋼聯(lián)阿爾卑斯基地建造一個(gè)6MW聚合物電解質(zhì)膜（PEM）電解槽，氫氣產(chǎn)量為1200 Nm3/h，目標(biāo)電解水產(chǎn)氫效率為80%以上。中試裝置投入使用后，電解槽將進(jìn)行為期26個(gè)月的示范運(yùn)行，示范期分為5個(gè)中試化和半商業(yè)化運(yùn)行，用于證明PEM電解槽能夠從可再生電力中生產(chǎn)綠色氫，并提供電網(wǎng)服務(wù)。隨后，將在歐盟28國(guó)對(duì)鋼鐵行業(yè)和其他氫密集型行業(yè)進(jìn)行更大規(guī)模的復(fù)制性研究。最終，提出政策和監(jiān)管建議以促進(jìn)在鋼鐵和化肥行業(yè)的部署。2019年11月11日，計(jì)劃中的奧地利林茨奧鋼聯(lián)鋼廠6 MW電解制氫裝置投產(chǎn)，氫能冶金時(shí)代正式開(kāi)啟。

 
圖4 H2FUTURE項(xiàng)目的氫能產(chǎn)業(yè)鏈

2.2 氫氣豎爐直接還原工藝研發(fā)現(xiàn)狀

2.2.1 歐洲ULCOS項(xiàng)目的新型豎爐直接還原和氫氣豎爐直接還原煉鋼

ULCOS（Ultra Low CO2 steelmaking）是由15個(gè)歐洲國(guó)家及48家企業(yè)和機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起的超低CO2煉鋼項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)噸鋼CO2排放量降低50%或更多[16-18]。ULCOS項(xiàng)目主推四條工藝路線：爐頂煤氣循環(huán)氧氣高爐工藝TGR-BF、直接還原工藝ULCORED、熔融還原工藝HISARNA、電解鐵礦石工藝ULCOWIN/ULCOLYSIS。

ULCORED工藝（見(jiàn)圖5）主要采用氣基豎爐作為還原反應(yīng)器，用煤制氣或天然氣取代傳統(tǒng)的還原劑焦炭，并且通過(guò)豎爐爐頂煤氣循環(huán)和預(yù)熱，減少了天然氣消耗，降低工藝成本。此外，天然氣部分氧化技術(shù)的應(yīng)用使該工藝不再需要重整設(shè)備，大幅降低設(shè)備投資。以天然氣ULCORED為例，含鐵爐料從氣基豎爐頂部裝入，凈化后的豎爐爐頂煤氣和天然氣混合噴入氣基豎爐并還原含鐵爐料，而直接還原鐵產(chǎn)品從豎爐底部排出，送入電弧爐煉鋼。新工藝豎爐爐頂煤氣中的CO2可通過(guò)CCS技術(shù)捕集儲(chǔ)存。與歐洲高爐碳排放的均值相比，ULCORED工藝與CCS技術(shù)結(jié)合，將使CO2排放降低70%。

在ULCORED基礎(chǔ)上，ULCOS提出了氫氣直接還原煉鋼技術(shù)（hydrogen-based steelmaking），工藝流程見(jiàn)圖6。采用H2作為還原劑，氫氣來(lái)源于電解水，還原尾氣產(chǎn)物只有水，可大幅降低CO2排放量。在該流程中，氫氣豎爐直接還原的碳排放幾乎為零，若考慮電力產(chǎn)生的碳排放，全流程CO2排放量?jī)H有300 kg/噸鋼，與傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐流程1850 kg/噸鋼的CO2排放相比減少84%。氫氣直接還原煉鋼技術(shù)促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，但該工藝的未來(lái)發(fā)展很大程度上取決于氫氣大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)、綠色制取與儲(chǔ)運(yùn)。

 

2.2.2 瑞典HYBRIT突破性氫能煉鐵項(xiàng)目

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