氢冶金在我国钢铁行业低碳发展中的作用及意义

季爱兵 巨世峰

摘要：本文介绍了氢冶金的定义和环保优势，并指出了未来我国钢铁行业实现“低碳”发展的意义和作用，简单分析了我国未来“氢冶金”发展的方向。

关键词：氢冶金;低碳发展;干重整

一、概述

根据国家统计局数据显示，2020年我国粗钢产量10.53亿吨、钢材产量13.2489亿吨、生铁产量8.8752亿吨[1];均超过世界钢铁产能的50%以上。我国钢铁产业（以长流程为主）的整个生产过程中均伴有CO2的排放;钢铁行业是碳排放的重要领域（约占7-9%），钢铁行业低碳减排对我国实现碳达峰的目标至关重要。

我国钢铁行业的低碳发展不仅为我国实现“碳达峰”和“碳中和”的目标至关重要，而且对全球实现“碳中和”目标举足轻重。

二、我国钢铁行业现状

目前我国钢铁行业的工艺流程以长流程冶炼为主，约占总产能的90%以上，相对于国外几个发达国家，短流程冶炼工序需进一步鼓励和发展。

我国长流程冶炼工艺存在的问题：

依赖焦炭：占炼铁成本 35%以上;

矿石进口： 对外依存度 90%以上;

能 耗 高：钢铁能耗占全国总能耗15%，炼铁工序能耗占钢铁全流程 69.7%;

污染严重：钢铁污染物排放占工业总排放 45.8%，炼铁工序占钢铁全流程CO2排放 73.1%。

钢铁工业低碳发展是应对全球气候变化的客观需要，也是实现高质量发展的内在要求。低碳转型已经成为钢铁工业高质量发展的重要抓手，制定务实的低碳发展战略规划，同时把握绿色低碳经济发展下的新机遇，通过低碳转型，为钢铁企业赢得更广阔的发展空间。

三、“氢冶金”在我国钢铁行业低碳发展的作用

氢能作为新兴的战略能源，具有零污染、零排放的优势，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一[4]。氢冶金通常是指入炉还原气含氢量大于55%条件下还原铁矿石生产DRI的以气基竖炉直接还原为主要代表的非高炉炼铁工艺;在全球低碳经济发展和“脱碳”大潮的背景下，以减少碳足迹、降低碳排放为中心的冶金工艺技术变革，业已成为钢铁行业绿色发展的新趋势;以“氢”代替“碳”是当前低碳发展、能源变革的重要方向，也被认为是钢铁行业绿色化的主要抓手。

氢冶金具有以下优势：（1）反应速率快。H2作为还原气，具有传质速率快、抗粘结性良好、速率常数大和还原产物绿色的优势。在高温条件下，H2的还原能力高于CO还原能力，且反应平衡浓度低于CO，在相同温度下，还原气氛中H2含量越高，还原反应速率越大。（2）产品清洁。从热力学看，除铁之外其他元素很难被氢还原，为纯净钢生产奠定基础。且氢还原不使用固体还原剂，带入的P、S等少，炼钢过程杂质少。（3）环境负荷小。氢冶金的产物为水，不仅可减少甚至避免CO2对大气污染，且还原产物易于脱除，能源和水资源可循环利用。

根据我国的“氢冶金”发展趋势以及富裕的焦炉煤气量综合测算，我国近期可实现“氢冶金+电炉流程”的产量10000万吨/年，每年可降低CO2排放量11200万吨。

四、中晋冶金科技有限公司“氢冶金”工艺技术简介

中晋冶金科技有限公司位于革命老区—左权县龙泉产业创新科创园;项目采用优质的铁精粉（左权-黎城铁精矿）和焦炉煤气（配套建设100万吨焦化）生产30万吨优质高纯还原铁项目，项目占地234亩，项目投资约7.5亿元;项目产品—高纯直接还原铁是优质钢、特种钢以及高纯粉末冶金的原料。

中晋冶金“氢冶金” 技术是通过消化、吸收国外氢基直接还原铁技术后进行自我创新;并根据我国国情联合研发的焦炉煤气干重整技术耦合（冶金+化工）而成;形成了完全具有自主知识产权的技术（命名为“CSDRI” 技术）。

作为全球首套焦炉煤气干重整项目既是钢铁行业实现低碳清洁冶炼的重要技术路径，也是山西省焦化行业焦炉煤气利用和钢焦高度融合的重要产业转型项目。

中晋冶金“氢冶金”工艺创新点：

1）100%采用焦化企业生产的焦炉煤气;无需天然气等优质气源。

2）采用“CO2干重整”技术生产还原气（CO+H2）;有效气体成分（H2+CO≥90%），H2/CO=1.2-2.0，可有效的调节竖炉所需工艺气中的H2/CO比;相对于传统重整工艺， CO2减排70%;

3）焦炉煤气重整炉（全国首台套）采用自主技术的重整工艺和新型催化剂可有效控制重整反应中积碳发生，保证了重整转化的作業率。

4）本项目100%采用国内自产铁精粉和项目自产球团，打破了对国外铁矿资源的依赖。

5）竖炉密封采用重整炉的烟气，既能增加炉顶循环气中的CO2比例，也能节约氮气，降低生产成本。

6）焦炉煤气净化、重整和氢气竖炉设备100%实现国产化。

7）试生产数据表明，利用干重整技术，30万吨直接还原铁每年减少约30万吨CO2排放。

8） “CSDRI”氢冶金技术已获得授权专利25项，受理中专利10项。

五、我国钢铁行业低碳发展的方向

钢铁工业（特别是铁前工序）低碳发展是应对全球气候变化的客观需要，也是我国实现高质量发展的内在要求。低碳转型已经成为钢铁工业高质量发展的重要抓手，制定务实的低碳发展战略规划，同时把握绿色低碳经济发展下的新机遇，通过低碳转型，为钢铁企业赢得更广阔的发展空间已成为当前最重要的任务。

我国钢铁行业将以“长、短流程”协调发展，并逐渐由“传统长流程炼钢模式”向“氢基直接还原铁+电炉炼钢等短流程炼钢模式”转型;促进我国钢铁行业低碳、绿色发展，发展模式如下图所示。

六、小结

综上所述，未来我国“氢冶金”发展的方向：

1）钢铁行业将以“长、短流程”协调发展，并逐渐由“传统长流程炼钢模式”向“氢基直接还原铁+电炉炼钢等短流程炼钢模式”转型;促进我国钢铁行业低碳、绿色发展;

2）未来随着我国氢能产业的发展，低成本制取“绿氢”、储氢和加氢等关键技术有所突破，氢能将逐渐在我国能源生产中有其一席之地，氢的新能源大规模使用以及成本的快速下降，将会是我国大规模发展氢冶金工艺的最佳时期。

3）直接还原工艺将以氢基竖炉冶金工艺为主，工艺技术、核心装备将会全面国产化，并形成我国100%氢基竖知识产权;

4）直接还原铁（HBI/HDRI）成本进一步降低;低端产品代替废钢、中端产品生产高端钢、高端产品生产粉末冶金、3D铁基打印材料。

参考文献：

[1]《电炉钢原料问题的再思考》翁宇庆;沙钢集团直接还原铁生产研讨会。

[2]《钢铁工业节能与CO2排放的现状及对策分析[J]》沙高原，刘颖昊，殷瑞钰，张春霞;冶金能源，2008（1）：3-5。