钢铁工业绿色工艺技术，钢铁绿色制造技术，钢铁工业工艺绿色技术研究

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    储满生

    在碳达峰与碳中和的大环境中，我国钢铁行业面临着巨大的碳减排压力，而碳税政策促使钢铁产业不得不去研发并应用碳中和技术。把氢能运用到钢铁生产当中，这是钢铁产业实现低碳绿色化转型升级的一个有效办法，在全球范围内，其研发热点方向主要是富氢还原高炉和氢基竖炉。通过高炉喷吹含氢介质进行富氢还原冶炼，能够在经济上实现 10%到 20%的碳减排。竖炉—电炉短流程相比高炉—转炉长流程，碳减排能达到 50%到 95%。气基竖炉更适合发展氢冶金。国内的钢铁企业和院校应当协同进行符合中国国情的富氢气基竖炉工程示范，推动氢冶金核心关键技术走向成熟并实现产业化应用，从而助力我国钢铁产业低碳绿色创新发展。

    建立氢能—钢铁—化工

    协同新产业链的3个途径

    2019 年，中国的二氧化碳排放总量达到了 98.4 亿吨，并且还处于增长的阶段。人均二氧化碳排放量达到了 6.8 吨，超过了世界平均水平。2020 年 9 月 22 日，中国在第七十五届联合国大会一般性辩论上向世界作出承诺，二氧化碳排放努力争取在 2030 年前达到峰值，并且要在 2060 年前实现碳中和。

    我国钢铁产业承受着极大的碳中和压力。2019 年我国粗钢产量达到 9.96 亿吨，其碳排放约为 15 亿吨，在我国碳排放总量中占比 16%左右。高炉—转炉长流程所产出的粗钢产量占 90%，因为高度依赖化石能源，所以会导致高碳排放。碳税政策将会促使钢铁产业去研发并应用碳中和技术，以实现低碳绿色化的转型升级。

   

    面对碳达峰、碳中和目标，钢铁产业需以节能高能效作为基础。要重点发展多产业协同的碳捕捉利用（CCU）技术，同时辅以能源替代来发展氢冶金。其目的在于致力解决钢铁产业碳中和的重大共性难题。

    六是要使产品高质化，研发应用低碳冶炼技术，同时开发全流程信息物理系统，实现智能化冶炼，提高能源利用效率，为碳中和奠定基础。三是用氢能去替代化石能源，大力发展氢基竖炉—电炉短流程的新工艺技术，以此实现钢铁流程的革新以及能源结构的优化，为没有涉及碳的钢铁生产提供全新的路径。通过以上 3 个途径，希望能够建立起一个新的产业链。这个新产业链以全新的钢铁产业作为重要的中枢节点，实现氢能、钢铁和化工的协同发展。

    氢在钢铁行业的应用

    绿色氢能被视为无碳经济的关键所在。氢能应用于冶金，是冶金行业实现低碳绿色化转型的有效方式。氢气具有密度小、扩散能力强、导热系数大等特点，同时易燃易爆。与 CO 还原相比，氢还原的产物是 H2O，不会产生 CO2，且还原速率较快，在还原过程中抗黏结性能更高。国内外都对氢冶金进行了较多的研究与应用。

    20 世纪 80 年代起，苏联以及北美有很多座高炉开始进行喷吹天然气的操作；20 世纪 90 年代，美国的埃德加—汤姆森钢铁厂的 3 号高炉开始喷吹焦炉煤气；在 2004 年 12 月，京滨的 2 号高炉喷吹了天然气，其吨铁的喷吹量达到了 50 千克。20 世纪 50 年代时，HYL 公司建成了一座直接还原厂，这座厂拥有 5 个反应罐。之后，该直接还原厂发展成为了 HYL - Ⅲ竖炉。在 1966 年，公司开始进行氢冶金气基竖炉直接还原工艺的生产。近年来，日本有氢冶金规划，如富氢还原高炉和氢基竖炉；欧盟有 ULCOS 富氢气基竖炉和氢气还原炼钢规划；美国有 AISI 氢气闪速熔炼规划；瑞典有全氢竖炉规划；韩国也有相关规划，如 H2 等。

    20 世纪 60 年代，我国重钢开展了高炉喷吹天然气的试验，并且取得了良好的技术经济指标。2008 年前后，承钢的高炉进行了喷吹焦炉煤气的试验，济钢的高炉也进行了喷吹焦炉煤气的试验，鞍钢鲅鱼圈的高炉同样进行了喷吹焦炉煤气的试验。1973 年，中国科学院化工冶金研究所于河北沧州、山东枣庄先后建造了吨级试验装置，用以进行攀枝花钒钛磁铁矿氢气流态化还原的半工业试验；1975 年，在广东韶关建成并对 5 吨/天的水煤气竖炉海绵铁试验装置进行了试验；1979 年，在攀枝花建成 5 立方米气基竖炉，开展了天然气还原钒钛磁铁矿的试验；2006 年，宝钢、钢铁研究总院、上海大学共同承担了氢冶金熔融还原新工艺的研发项目。近年来，中晋太行开始筹建氢基竖炉氢冶金生产线，其产能为 30 万吨/年至 120 万吨/年；河钢也筹建了氢基竖炉氢冶金生产线，产能同样为 30 万吨/年至 120 万吨/年；宝钢同样在筹建氢基竖炉氢冶金生产线，产能也是 30 万吨/年至 120 万吨/年。

    氢在钢铁行业的应用

   

    氢冶金熔融还原大多处于实验室研究阶段，尚未实现工业化成熟。

    富氢还原高炉，是以纯氢或富氢还原气来部分替代煤或焦炭，通过风口将其喷吹进高炉，以此增加炉内煤气的含氢量，强化氢在炉中上部参与间接还原的过程，能够减少 CO2 排放，实现低碳炼铁。日本计划中包含高炉喷吹焦炉煤气这一内容，其目标是在 2050 年把日本钢铁工业的 CO2 排放降低 30％，将吨钢的 CO2 排放从 1.64 吨减少到 1.15 吨。德国蒂森克虏伯用氢气来替代煤当作还原剂，以此减少高炉炼铁过程中的碳排放，预计碳减排的幅度能够达到 20%；韩国通过核能制氢并且结合富氢来还原高炉，预计从氢还原炼铁技术的研发开始，到 12 座高炉实际投入应用，总共要投入 4.8 万亿韩元，目的是实现碳减排 8.7%。中国宝武建造一台 60 万千瓦高温气冷堆机组用于核能制氢与氢能冶金。这台机组能够满足 180 万吨钢生产对氢气的需求。这台机组能够满足 180 万吨钢生产对电力的需求。这台机组能够满足 180 万吨钢生产对部分氧气的需求。每年通过此机组可减排 300 万吨 CO2。每年通过此机组可减少能源消耗 100 万吨标准煤。东北大学针对一些技术性问题进行了研究，这些问题包括氢还原反应吸热会导致炉身温降，会对炉上部炉料的还原粉化和强度产生影响，还会对炉缸热状态及回旋区燃烧行为产生影响。鉴于高炉的冶炼特性，指出焦炉煤气适宜的喷吹量在 80 立方米/吨铁，天然气适宜的喷吹量在 100 立方米/吨铁。总体而言，高炉喷吹氢气需要大规模且低成本的制氢技术，同时也需要高效安全的氢气储运技术，而这些相关技术目前仍在不断开发的过程中。我国的天然气资源比较匮乏，其价格较为昂贵，所以高炉喷吹天然气在经济方面还需要进行考量；焦炉煤气相对比较富余，价格也比较低廉，因此高炉喷吹焦炉煤气是我国目前最有希望实现的富氢还原低碳炼铁技术。

    氢冶金通常是指在入炉还原气含氢高于 55%（H2/CO 大于 1.5）的情况下，通过还原铁矿石、球团矿来生产优质 DRI 的气基竖炉直接还原。如果欧盟 ULCOS 氢基直接还原—电炉流程考虑电力产生的碳排放，那么氢气竖炉短流程每吨钢的 CO2 排放仅为 300 千克，而高炉—转炉长流程每吨钢的 CO2 排放为 1850 千克，相比之下减少了 84%。瑞典氢能突破性炼铁技术项目致力于在钢铁冶炼过程中用氢替代煤，以减少碳排放。预计该项目能使瑞典的碳排放减少 10%，能使芬兰的碳排放减少 7%。德国项目将会改变综合炼钢的流程，从碳密集型的高炉—转炉长流程转变为氢气气基竖炉—电炉短流程。预计整个钢铁生产的碳排放能减少 95%。H2®工艺能够实现 80%的碳减排。

    中国对富氢气基竖炉氢冶金工艺进行了探索。中晋太行的焦炉煤气—竖炉直接还原项目已建设完成，且在 2021 年 6 月正式出铁。河钢将建设全球首个年产 60 万吨 DRI 的氢气气基竖炉示范工程（第一期）。中国宝武于 2016 年启动了绿色低碳冶金创新工程，主要研究了以富氢碳循环高炉为核心的低碳高炉工艺以及以氢还原代替碳还原的氢冶金工艺，会采用焦炉煤气、天然气和氢气的混合气，在湛江建设年产 120 万吨 DRI 的氢冶金气基竖炉线。东北大学筹建煤制气—富氢气基竖炉短流程示范工程，围绕高品位铁精矿制备、高品质氧化球团生产、氢气竖炉直接还原技术、氢冶金短流程生命周期评价等关键环节展开了系统研究。（作者系东北大学低碳钢铁前沿技术研究院院长）