儲滿生
在碳達峰與碳中和的背景下，我國鋼鐵行業(yè)碳減排壓力巨大，碳稅政策倒逼鋼鐵產(chǎn)業(yè)研發(fā)應用碳中和技術(shù)。將氫能應用于鋼鐵生產(chǎn)是鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色化轉(zhuǎn)型升級的有效途徑，全球研發(fā)熱點方向主要為富氫還原高爐和氫基豎爐。高爐噴吹含氫介質(zhì)富氫還原冶煉可經(jīng)濟性地實現(xiàn)碳減排10%~20%。相比高爐—轉(zhuǎn)爐長流程，豎爐—電爐短流程碳減排可達50%~95%，氣基豎爐更適宜發(fā)展氫冶金。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)和院校應協(xié)同開展符合中國國情的富氫氣基豎爐工程示范，推進氫冶金核心關(guān)鍵技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)化應用，助力于我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色創(chuàng)新發(fā)展。
建立氫能—鋼鐵—化工
協(xié)同新產(chǎn)業(yè)鏈的3個途徑
2019年，中國二氧化碳排放總量達到98.4億噸，仍處增長階段，人均二氧化碳排放量達6.8噸，超世界平均水平。2020年9月22日，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上向世界承諾，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。
我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的碳中和壓力。2019年我國粗鋼產(chǎn)量為9.96億噸，碳排放約為15億噸，占我國碳排放總量的16%左右。高爐—轉(zhuǎn)爐長流程的粗鋼產(chǎn)量占90%，由于高度依賴化石能源，導致高碳排放。碳稅政策將倒逼鋼鐵產(chǎn)業(yè)研發(fā)應用碳中和技術(shù)，實現(xiàn)低碳綠色化轉(zhuǎn)型升級。
面對碳達峰、碳中和目標，鋼鐵產(chǎn)業(yè)要以節(jié)能高能效為基礎，重點發(fā)展多產(chǎn)業(yè)協(xié)同的碳捕捉利用（CCU）技術(shù)，并輔以能源替代發(fā)展氫冶金，致力解決鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳中和重大共性難題。
一是在工藝優(yōu)化、強化冶煉、余熱和資源高效循環(huán)利用、超低排放、系統(tǒng)節(jié)能、產(chǎn)品高質(zhì)化基礎上，要研發(fā)應用低碳高爐、轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉、高效連鑄、鑄軋一體化等低碳冶煉技術(shù)，同時開發(fā)全流程信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化冶煉，提高能源利用效率，為碳中和奠定基礎。二是研發(fā)應用鋼鐵—化工—氫能一體化網(wǎng)絡集成CCU技術(shù)，通過鋼鐵、化工協(xié)同，為我國以高爐—轉(zhuǎn)爐長流程為主的鋼鐵產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)碳凈零排放提供最合理、最徹底的解決方案。三是以氫能替代化石能源，發(fā)展氫基豎爐—電爐短流程新工藝技術(shù)，實現(xiàn)鋼鐵流程革新和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為無涉碳鋼鐵生產(chǎn)提供全新途徑。通過以上3個途徑，以期建立以全新鋼鐵產(chǎn)業(yè)為重要中樞節(jié)點的氫能—鋼鐵—化工協(xié)同新產(chǎn)業(yè)鏈。
氫在鋼鐵行業(yè)的應用
綠色氫能被認為是無碳經(jīng)濟的關(guān)鍵之鑰，將氫能應用于冶金是冶金行業(yè)低碳綠色化轉(zhuǎn)型的有效途徑。氫氣密度小，擴散能力強，導熱系數(shù)大，易燃易爆，相比于CO還原，氫還原產(chǎn)物為H2O，無CO2產(chǎn)生，還原速率快，在還原過程中具有更高的抗黏結(jié)性能。國內(nèi)外均對氫冶金開展了較多的研究與應用。
自20世紀80年代開始，蘇聯(lián)、北美多座高爐開始噴吹天然氣；20世紀90年代，美國埃德加—湯姆森鋼鐵廠3號高爐噴吹焦爐煤氣；2004年12月京濱2號高爐噴吹天然氣，噸鐵噴吹量達50千克。早在20世紀50年代，HYL公司建成了一座擁有5個反應罐的直接還原廠，后發(fā)展為了HYL-Ⅲ豎爐，1966年MIDREX公司也開始氫冶金氣基豎爐直接還原工藝生產(chǎn)。近年來，日本、韓國、歐盟、瑞典、德國、美國等均有氫冶金規(guī)劃，如日本COURSE50富氫還原高爐和氫基豎爐、歐盟ULCOS富氫氣基豎爐和氫氣還原煉鋼、美國AISI氫氣閃速熔煉、瑞典HYBRIT全氫豎爐、韓國COOLSTAR、MIDREX H2、H2FUTURE、SALCOS等。
20世紀60年代我國的重鋼進行了高爐噴吹天然氣試驗，并得到了良好的技術(shù)經(jīng)濟指標。2008年前后，承鋼、濟鋼、鞍鋼鲅魚圈等的高爐也進行了噴吹焦爐煤氣試驗。1973年，中國科學院化工冶金研究所先后在河北滄州、山東棗莊建造噸級試驗裝置進行攀枝花釩鈦磁鐵礦氫氣流態(tài)化還原的半工業(yè)試驗；1975年，廣東韶關(guān)建成并試驗了5噸/天的水煤氣豎爐海綿鐵試驗裝置；1979年，攀枝花建成5立方米氣基豎爐，開展天然氣還原釩鈦磁鐵礦的試驗；2006年，寶鋼、鋼鐵研究總院、上海大學共同承擔了氫冶金熔融還原新工藝研發(fā)項目。近年來，中晉太行、河鋼、寶鋼籌建氫基豎爐氫冶金生產(chǎn)線，產(chǎn)能為30萬噸/年~120萬噸/年。
氫在鋼鐵行業(yè)的應用
氫在鋼鐵行業(yè)的應用主要包括富氫還原高爐、氫冶金氣基豎爐、氫冶金熔融還原工藝。其中，富氫還原高爐技術(shù)相對成熟，部分已實現(xiàn)工業(yè)化應用，碳減排能力在10%~20%；氫冶金豎爐直接還原工藝的碳減排能力可達50%~98%，是當前的重點研發(fā)方向；氫冶金熔融還原多處于實驗室研究階段，工業(yè)化尚未成熟。
富氫還原高爐是指以純氫/富氫還原氣部分代替煤或焦炭，通過風口噴吹入高爐，增加爐內(nèi)煤氣含氫量，強化氫在爐中上部參與間接還原，減少CO2排放，實現(xiàn)低碳煉鐵。日本COURSE50計劃中高爐噴吹焦爐煤氣的內(nèi)容，目標在2050年將日本鋼鐵工業(yè)CO2排放減少30％，噸鋼CO2排放從1.64噸減至1.15噸。德國蒂森克虜伯tkH2Steel將氫氣代替煤作為還原劑，減少高爐煉鐵碳排放，預期碳減排幅度可達20%；韓國核能制氫+富氫還原高爐預計從氫還原煉鐵技術(shù)研發(fā)到12座高爐實際應用，投入4.8萬億韓元，以實現(xiàn)碳減排8.7%。中國寶武核能制氫+氫能冶金建設一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組，可滿足180萬噸鋼生產(chǎn)對氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年減排300萬噸CO2，減少能源消耗100萬噸標準煤。東北大學針對氫還原反應吸熱導致爐身溫降、對爐上部爐料還原粉化和強度影響、對爐缸熱狀態(tài)及回旋區(qū)燃燒行為影響等技術(shù)性問題進行了研究，鑒于高爐冶煉特性，指出焦爐煤氣、天然氣適宜噴吹量分別在80立方米/噸鐵、100立方米/噸鐵。總體來說，高爐噴吹氫氣依賴于大規(guī)模低成本制氫技術(shù)以及高效安全的氫氣儲運技術(shù)，相關(guān)技術(shù)仍在開發(fā)當中。我國天然氣資源相對匱乏，價格昂貴，高爐噴吹天然氣在經(jīng)濟上有待考量；焦爐煤氣相對富余，價格較為低廉，高爐噴吹焦爐煤氣是我國目前最有可能實現(xiàn)的富氫還原低碳煉鐵技術(shù)。
氫冶金一般是指入爐還原氣含氫高于55%（H2/CO大于1.5）條件下，還原鐵礦石、球團礦生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI的氣基豎爐直接還原。歐盟ULCOS氫基直接還原—電爐流程若考慮電力產(chǎn)生的碳排放，氫氣豎爐短流程噸鋼CO2排放僅有300千克，與高爐—轉(zhuǎn)爐長流程噸鋼CO2排放1850千克相比減少84%。瑞典氫能突破性煉鐵技術(shù)HYBRIT項目致力于鋼鐵冶煉過程以氫代煤，減少碳排放，預計使瑞典碳排放減少10%、芬蘭減7%；德國SALCOS項目將改變綜合煉鋼流程，從碳密集型高爐—轉(zhuǎn)爐長流程向氫氣氣基豎爐—電爐短流程轉(zhuǎn)變，預計整個鋼鐵生產(chǎn)碳排放減少95%；MIDREX H2?工藝可實現(xiàn)碳減排80%。
中國也對富氫氣基豎爐氫冶金工藝開展了探索，中晉太行焦爐煤氣—豎爐直接還原項目已建設完成并于2021年6月正式出鐵；河鋼將建設全球首例年產(chǎn)60萬噸DRI的氫氣氣基豎爐示范工程（第一期）；中國寶武于2016年啟動了綠色低碳冶金創(chuàng)新工程，主要研究了以富氫碳循環(huán)高爐為核心的低碳高爐工藝和以氫還原代替碳還原的氫冶金工藝，將采用焦爐煤氣、天然氣和氫氣的混合氣，在湛江建設年產(chǎn)120萬噸DRI的氫冶金氣基豎爐線；東北大學籌建煤制氣—富氫氣基豎爐短流程示范工程，并圍繞高品位鐵精礦制備、高品質(zhì)氧化球團生產(chǎn)、氫氣豎爐直接還原技術(shù)、氫冶金短流程生命周期評價等關(guān)鍵環(huán)節(jié)展開了系統(tǒng)研究。（作者系東北大學低碳鋼鐵前沿技術(shù)研究院院長）
