国内外氢冶金发展现状及其展望

陈 龙 陈子波 曹凯琪

华北理工大学冶金与能源学院 河北 唐山 063210

钢铁产业是一个国家的支柱产业，是工业发展必不可少的组成部分。碳作为钢铁工业的还原剂，冶炼过程中能源消耗巨大，环境污染严重。近年来，各国政府为了阻止全球气候变暖，高度重视无碳和低碳能源的开发和利用。氢作为绿色、高效的二次能源，具有来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、可储能、利用形式多、安全性好等优良特性，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一。因此，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氢冶金工艺技术开始得到了研究及发展。

1 国外氢冶金发展现状

1.1 瑞典HYBRIT项目 瑞典HYBRIT项目，旨在联合开发用氢替代炼焦煤和焦炭的突破性炼铁技术。项目将研究采用氢的直接还原工艺，而氢则是利用非化石能源产生的。氢与球团矿发生反应，生成直接还原铁。将直接还原铁与废钢一起装入电炉，或者制成热压块铁储存或出售。瑞典钢铁公司计划于2026年向市场提供第一批无化石能源生产的钢铁产品。

1.2 安赛乐米塔尔开展纯氢炼铁技术研发 类似瑞典HYBRIT项目的思路，目前汉堡厂采用天然气生产直接还原铁，该项目的研究是采用氢来直接还原铁矿石。另外，研究采用变压吸附法从现有厂的炉顶煤气中分离氢气，使其纯度达到95%以上。氢直接还原铁矿石的试验首先采用煤气分离出的氢气，以实现经济运行。未来当有足够数量的来自可再生能源的氢时，采用“绿氢”进行生产。

1.3 德国蒂森克虏伯氢炼铁技术 蒂森克虏伯集团与液化空气公司合作，计划到2050年开发氢气大量喷入高炉的氢炼铁技术。2019年11月11日，蒂森克虏伯正式启动氢气注入杜伊斯堡9号高炉，进行氢炼铁试验。氢气通过其中一个风口注入了9号高炉，如果进展顺利，氢气的使用范围逐步扩展到9号高炉全部的28个风口。此外，蒂森克虏伯还计划从2022年开始，该地区其他3座高炉都使用氢气进行钢铁冶炼，从而降低生产过程中的二氧化碳排放，降幅可高达20%。

1.4 奥钢联绿氢项目 研究“绿氢”在工业生产中的应用，希望用氢替代钢铁生产过程中使用的化石燃料。目前，已建成世界上最大的电解槽，正在生产绿氢。奥钢联集团兴建混合燃料钢铁厂，5座高炉中的3座改为电炉，预计2030年建成。利用电能取代煤和焦炭等化石燃料高炉只是中间步骤，最终目标是利用氢能作为钢铁高温生产的所需能源。预计氢能制钢这一技术要在2035年以后才能实现。

1.5 萨尔茨吉特低二氧化碳炼钢项目 该项目核心是氢作为还原剂，减少钢铁生产过程中二氧化碳排放，使用的氢气应由可再生能源生产。目前，共同建造高温电解器，用于生产高效节能的“绿氢”。

1.6 日本COURSE50项目 日本COURSE50项目的研究内容包括氢还原工艺技术开发、从高炉煤气中 分离和回收二氧化碳以及该技术的实际应用。该项目于2008年启动，历时10年开发了关键技术，自2018年开始，进入实际应用的综合技术开发阶段。项目最终目标是实现炼铁工艺二氧化碳排放量减少30%，其中对于氢还原炼铁法二氧化碳减排目标为10%、从高炉煤气中分离回收二氧化碳技术的减排目标为20%，项目计划到2030年实现实际应用。

2 国内氢冶金发展现状

2.1 中国宝武集团核能利用项目 2018年10月，中国宝武、中核集团和清华大学三方启动了共同研究核能技术与冶金制造技术。如何协同以及创新技术链与产业链的工作。三方以“产学研”模式开展深度合作，共同打造世界领先的核冶金产业联盟，充分发挥核能的优势，拓展应用领域，带动核装备制造、材料研发等相关产业发展；结合中国宝武钢铁产业的发展需求，核能技术与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合，实现二氧化碳的超低排放。

2.2 河钢集团氢能利用项目 2019年3月，河钢集团与中国工程院战略咨询中心、中国钢研、东北大学签订合作协议，联合组建“氢能技术与产业创新中心”，打造氢能应用研究和科技成果转化平台。研究的领域包括制氢、储运、加氢等氢能利用领域。据悉，河钢在氢能利用方面还涉足发展氢能的合格气源和燃料电池汽车等领域。

2.3 建龙集团建建设年产30万吨富氢熔融还原高纯铸造生铁项目项目 内蒙古赛思普科技有限公司的富氢熔融还原法高纯铸造生铁项目于2020年9月底实现试生产，项目规模为年产30万吨。该项目运用富氢熔融还原新工艺，强化对焦炉煤气的综合利用，推动传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变。

3 国内外氢冶金发展展望

钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业，氢能具备帮助钢铁企业节能减排、完成转型的潜力，因此将绿色电力和氢气用于钢铁制造工艺是变革性技术研发的热点。当前，全球氢冶金项目研究可以分三步走:第一步，2025年前，建立中试装置研究大规模工业用氢能冶炼的可行性；第二步，到2030年，实现以焦炉煤气、化工等副产品中产生的氢气进行工业化生产；第三步，到2050年，实现绿色经济氢气的工业化生产，并进行钢铁高纯氢能冶炼，其中氢能以水电、风电及核电电解水为主。

而我国氢冶炼技术当前还处于研发起步阶段，多数企业仍处于项目规划，签订合作协议的阶段，只有少数企业设立了以清洁能源生产氢气作为冶炼能源的目标，多数企业还是以利用焦炉煤气、化工副产品等作为氢源冶炼为项目目标。我国氢冶炼技术的研发还需要以国家层面高度的规划和定位，确定可行的技术路线图，在政策支持下，实现氢能和钢铁冶炼产业合作共赢。要真正实现氢冶金的广泛应用，世界各国还有很长的一段路要走。