世界氢冶金技术发展现状分析

王婷婷

随着全球资源约束趋紧和环保政策日趋严格，钢铁行业面临着越来越大的碳减排压力。过去十年间，世界主要产钢国致力于开发能够显著降低CO2排放的突破性低碳炼钢技术，积极开发利用无碳或低碳能源。氢能以其来源多样、低碳排放、高效、应用范围广等特点，被许多国家列为21世纪最具发展前景的清洁能源。以氢代替碳是当前低碳发展、能源变革的重要方向，成为钢铁行业共认的节能减排理想方案之一。为推进氢冶金的产业化，世界各国在氢冶金技术方面进行了积极的探索。

一、欧洲主要国家氢冶金技术发展现状

随着欧盟“2030年气候和能源政策目标”的发布，欧盟各国都推出了更为严格的环保法规和排放标准；欧盟排放权交易体系(EU-ETS)的建立，使各行业碳排放成本大大增加。在此背景下，欧洲钢铁行业将节能减排提升至与利润增长同等重要的高度来对待。欧盟于2020年7月宣布，计划到2050年向氢产业投资4700亿欧元，重点支持欧洲钢铁行业开发氢还原炼铁工艺技术开发和相应的工厂建设。15个欧洲国家和48家企业联合发起了超低二氧化碳炼钢（ULCOS）项目，旨在实现至少50%的二氧化碳减排。ULCOS主要推广五种工艺：高炉顶煤气循环（TGR-BF）、直接还原（ULCORED）、熔炼还原（HISARNA）、电解铁矿石工艺（ULCOWIN/ULCOLYSIS）和氢基炼钢。目前欧洲的主要氢冶金项目有：

1.安赛乐米塔尔集团纯氢炼铁示范工厂

2019年，安赛乐米塔尔宣布在汉堡工厂设计示范工厂，用氢气生产钢铁，示范大规模制成氢气并使用100%氢气作为还原剂生产直接还原铁。该工厂最初使用天然气中的灰色氢气，一旦由可再生能源制备的绿色氢气能够以经济的成本足量获得，就可以绿色氢气取代灰色氢气。未来，该示范工厂每年将生产约10万吨直接还原铁，成为世界上第一个以氢气为动力的工业规模直接还原铁生产工厂。

2.瑞典钢铁HYBRIT 项目

该项目研究采用氢与球团矿生产直接还原铁，所用的氢由非化石能源制备。该项目的核心概念是通过水电解产生氢气直接减排，其目标是在瑞典和芬兰分别减少10%和7%的二氧化碳排放量。HYBRIT的新工艺类似于现有竖炉直接还原，但使用100%氢气作为还原剂。该项目电解制氢使瑞典电力消耗增加的15kW·h，可通过风力发电和太阳能发电来满足。该项目将建设三个试点工厂：一个制氢-直接氢还原炼钢厂（位于卢利亚）、一个非化石球团厂（位于马尔姆堡和卢利亚）和一个储氢厂（位于卢利亚）。

2018年6月，HYBRIT项目在瑞典Lulea建设中试厂， 2021-2024年运行后，每年可生产50万吨直接还原铁。该中试厂可方便利用瑞典钢铁公司现有炼钢设施和Norrbotten铁矿。到2024年，该中试厂的建造和运营成本预计为10-20亿瑞典克朗，目标是在2035年之前形成无碳解决方案。

3.萨尔茨吉特SALCOS 项目

2016年4月，萨尔茨吉特正式启动GrInHy 1.0（绿色工业制氢）项目，采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，并将多余的氢气储存起来。当风能（或其他可再生能源）波动时，电解槽可转变成燃料电池，向电网供电，以平衡电力供需。SALCOS项目旨在对原有的高炉-转炉工艺进行逐步改造，把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线，同时实现富余氢气的多用途利用。

2019年1月，GrInHy 1.0项目完成连续2000个小时系统测试后，萨尔茨吉特开展了GrInHy 2.0项目。该项目的显著特点是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气，用水蒸气与绿色再生能源发电，然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产，也可用于钢铁生产的后道工序，如作为冷轧退火的还原气体。

4.奥钢联H2FUTURE 项目

2017年初，奥钢联发起H2FUTURE项目，旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术，降低钢铁生产中的CO2排放，最终目标是到2050年减少80%的CO2排放。H2FUTURE项目的成员单位包括奥钢联、西门子、Verbund（奥地利领先的电力供应商，欧洲最大的水电商）公司、奥地利电网（APG）公司、奥地利K1-MET中心组等。该项目将建设世界最大的氢还原中试工厂。西门子作为质子交换膜电解槽的技术提供方，将为奥钢联林茨厂提供电解能力为6兆瓦的电解槽，氢气产量为1200m³/小时，电解水产氢效率目标为80%以上；Verbund公司作为项目协调方，将利用可再生能源发电，同时提供电网相关服务；奥地利电网公司的主要任务是确保电力平衡供应，保障电网频率稳定；奥地利K1-MET中心组将负责研发钢铁生产过程中氢气替代碳或碳基能源的工序，定量对比研究电解槽系统与其他方案在钢铁行业应用的技术可行性和经济性，同时研究该项目在欧洲甚至是全球钢铁行业的可复制性和大规模应用的潜力。

5.迪林根和萨尔钢公司富氢炼铁技术

德国主要钢铁企业迪林根（Dillinger）和萨尔钢公司（Saarstahl）计划投资1400万欧元，研究将联合钢铁企业产生的富氢焦炉煤气输入萨尔炼铁公司的两座高炉中，用焦炉煤气中的氢取代部分碳作为还原剂的工艺技术，以减少煤粉和冶金焦的使用量，从而降低高炉内的碳强度和整个炼铁过程中的碳足迹。这一应用将是未来氢基炼铁的大胆一步。根据工程进度计划，2020年夏季，该公司5号高炉风口总数的一半开始喷入焦炉煤气；到2020年底，两炉的所有风口都永久喷入焦炉煤气。

6.德国蒂森克虏伯氢炼铁技术

蒂森克虏伯-斯塔尔股份公司启动了一个项目，涉及用氢气替代煤作为还原剂，减少或完全避免钢铁生产中二氧化碳的排放。蒂森克虏伯已经完成了向杜伊斯堡工厂9号高炉28个风口之一注入氢气的测试，目的是减少冶金煤的使用，到2030年将二氧化碳排放量减少30%。基于第一阶段成功试验结果，蒂森克虏伯将在2022年开始的第二阶段中向所有28个风口注入氢气。该计划完成后，蒂森克虏伯将在杜伊斯堡开始建设年产能120万吨的氢基直接还原铁厂，并将全部使用绿色氢气运行，预计2025年完成。

7.普锐特冶金技术公司的无碳氢基铁矿粉直接还原技术

2019年6月，普锐特宣布正在开发一种不需要烧结或球团等任何预处理工序即可使用铁精矿的直接还原工艺。该工艺借鉴了Finmet工艺开发和设备安装的经验，可采用所有类型的精矿，甚至是粒度小于0.15毫米的粉矿。新工艺使用绿色氢气、传统蒸汽重整炉的富氢气体或者富氢废气作为还原剂，将显著减少CO2排放，甚至零排放。直接还原设备采用模块化设计，每个模块的设计产能为25万吨/年，可适用于所有规模的钢厂。

此外，作为全球领先的冶金设备供应商，德国西马克正在与意大利达涅利联合开发氢基炼铁工艺。

二、亚洲氢冶金技术发展现状

1.日本Course50 低碳冶金项目

日本的氢还原炼铁course50包括两项主要技术：富氢还原和从高炉废气中捕获并回收二氧化碳，以减少二氧化碳排放。新日铁建设了一座生产能力为35t/d的12m3实验性高炉，确定了氢还原炼铁减排10%、二氧化碳回收减排20%、总体减排30%的项目减排目标。在氢还原炼铁中，用氢气代替部分焦炭以减少高炉生产中的二氧化碳排放。由于氢的密度小，加上氢还原反应的吸热性，为了保证还原性能的最大化和炉内温度的稳定，试验中对高炉炉身和滚道的位置进行了调整，并在喷吹前对氢气进行了预热。2014-2016年进行的第一阶段高炉喷氢试验表明，与不喷氢相比，碳排放减少了9.4%。第二阶段进行扩大试验，逐步模拟4000m3～5000m3的实际高炉，到2030年，将在第一座高炉进行氢气还原，到2050年，该技术将在日本投入使用。

C O U R S E 50 项目也被开发用于从焦炉煤气（COG）中生产氢气。当焦炉煤气离开炭化室时，温度达到800℃，可最大限度地利用显热催化裂解焦油和烃类物质，从而产生氢气。采用这种技术，焦炉煤气中的氢气含量从55vol%增加到63vol%～67vol%，气体体积增加一倍。该技术已完成工业试验。

course50项目只是日本低碳冶金的第一步。包括高炉氢气还原（内氢气和外氢气）、无高炉氢气还原、二氧化碳捕集与储存（CCS）和二氧化碳捕集利用（CCU）在内的一系列相关的氢冶金技术已经在日本开发或计划中。

2.韩国的COOLSTAR 项目

根据韩国政府2019年10月修订的《2030年国家温室气体减排路线图》，韩国钢铁工业2030年二氧化碳排放量目标将从最初的1.357亿吨降至1.271亿吨。因此，韩国高炉钢企迫切需要开发氢还原炼铁技术，同时需要大量廉价氢气。

从2017年12月开始，韩国正式启动氢还原炼铁工艺研究。该项目作为一项政府课题，由韩国产业通商资源部主导，韩国政府和民间计划投入898亿韩元用于相关技术开发，其中，政府资金600亿韩元，民间资金298亿韩元。该项目正式名称为COOLSTAR（CO2Low Emission Technology ofSTeelmaking and Hydrogen Reduction），主要包括“高炉二氧化碳减排混合炼铁技术”和“替代型铁原料电炉炼钢技术”两项子课题。2017-2020年是该项目实验室规模的技术研发阶段，主要完成基础技术开发；2021-2024年是中试规模的技术开发阶段，主要完成中试技术验证，到2024年11月前完成氢还原炼铁工艺的中试开发，并对具有经济性的技术进行扩大规模的试验；2024-2030年完成商业应用的前期准备研究；2030年以后筛选出真正可行的技术并投入实际应用研究；到2050年前后实现商用化应用。项目的终极目标是减排二氧化碳15%，同时确保技术经济性。COOLSTAR项目的第一部分课题由浦项钢铁公司主导，依据欧洲和日本的技术开发经验和今后的发展方向，以利用煤为能源的传统高炉为基础，充分利用由钢铁厂产生的副产煤气改质精制而成的灰色氢气，从而实现氢气的大规模生产，并作为高炉和电炉的还原剂；第二部分课题是将氢气作为还原剂，通过制备DRI（直接还原铁）逐步替代废钢，由此减少电炉炼钢工序二氧化碳排放，同时提高工序能效，最终目标是向韩国电炉企业全面推广。

目前，浦项钢铁公司浦项厂已将还原性副产气体作为还原剂进行应用，这类副产气体由发电站供应。现代钢铁公司利用生物质替代煤炭，由此实现炼铁工序二氧化碳减排。浦项工科大学开发了高温固体氧化物电解电池系统，可以还原二氧化碳，并通过间接去除技术，减少尾气中的二氧化碳。延世大学开发的吸附工艺可从焦炉煤气中回收氢气，同时对甲烷进行浓缩。韩国科学技术院（KAIST）从焦炉煤气中生产氢气，并试图通过水蒸气改质工艺研究，扩大氢气的产量。釜庆大学利用炼铁副产煤气，制备高碳、高金属化率的DRI。

三、美国低碳炼钢技术发展现状

美国的低碳炼钢研究由美国能源部和美国钢铁协会共同出资，由冶金领域顶尖的高校牵头实施，旨在开发能显著降低钢铁生产中CO2排放的新技术，包括在钢铁生产中使用清洁能源和开发CO2分离／捕集技术，如高温电解还原炼铁、氢气还原炼铁、矿物分离和石灰吸收电炉尾气CO2。其中有两项技术抑制CO2排放效果最好：一是熔融氧化电解（moltem oxide electrolysis，简称MOE），通过电解还原铁矿；二是氢气闪熔，用氢气作为还原剂炼铁。

美国的氢气闪熔是一种新型的闪速炼铁技术，将铁精矿在悬浮状态下还原成金属化率高的直接还原铁，还原气体可以是H2、CH4或其他气体。该工艺是适应美国铁矿石资源状况发展起来的，美国60%的铁矿石是铁燧岩，其粒径小于25～38μm。在该工艺中，直接使用氧化铁精矿，无需造粒或烧结。美国犹他大学进行了大规模的测试，采用安赛乐米塔尔和Ternium公司的铁精矿和内径为20.3厘米、长度为244厘米的竖炉，在1200℃～1400℃的温度下，1～7s内可迅速获得90%～99%的还原度。通过数学计算，比较了含H2、CH4和煤的高炉流程和FIT（美国享受税收补贴的新能源技术）流程的能耗，FIT工艺的能耗明显低于高炉工艺。对于1吨铁，当氢气、CH4和煤被适当利用时，CO2排放量分别为71kg、650kg和1145 kg。相比之下，常规高炉的排放量高达1671kg。即使以煤为燃料，FIT的CO2排放量也明显低于高炉工艺。

四、世界氢冶金技术发展对我国的启示

1.氢冶金技术发展需要顶层设计

与国外氢冶金的发展对比，目前我国氢冶金配套的专项规划、政策体系、标准体系、安全规范还缺乏顶层设计。涉及氢能产业的政策主要体现在交通领域，例如新能源汽车、加氢站、氢储存、运输和燃料电池等方面。氢能在工业领域的应用还处于政策制定和规划之中，我国氢冶金顶层设计和政策引导还有待加强。

2.氢冶金技术发展应当逐步推进

氢是一种昂贵的二次能源，氢冶金的主要挑战是制氢和储氢环节的经济性和低碳性。国外氢冶金技术研究多采用竖炉做实验，纯氢竖炉的成本，包括设备、投资和维护费用几乎是目前煤气化-煤气竖炉的两倍，到目前纯氢竖炉直接还原铁还难以实现盈利和商业化生产。制氢和储氢的规模化、零排放和经济产业化将推动全氢竖炉的进一步发展。在中国，使用富氢竖炉比使用纯氢竖炉更容易成功。我国应充分利用现有成熟的竖炉设计产业化和生产运行经验，改进关键设备，优化竖炉还原工艺参数，最大限度地发挥富氢竖炉的优势，获得适当的产能和低能耗。同时，随着以太阳能、风能、水能、海洋能、地热能为基础的零排放、经济化、规模化制氢的发展和实践，以及储氢装置和储氢技术的开发和产业化，应积极发展纯氢冶金。

3.氢冶金技术发展需要协同推进

氢冶金技术的发展需要从产氢和用氢两端协同推进。我国氢能行业和氢冶金目前都处于起步阶段，不仅需要努力发展技术，也需要更多的资金和人才支持。如果氢能和钢铁产业的合作形成了互补，将有良好的示范效应，就能吸引更多行业涉足氢能，一定会有双赢的结果。

参考文献略