在碳達(dá)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(yīng)用碳中和技術(shù)。將氫能應(yīng)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(diǎn)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(jì)性地實(shí)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(dá)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(yīng)協(xié)同開展符合中國國情的富氫氣基豎爐工程示范，推進(jìn)氫冶金核心關(guān)鍵技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(gè)途徑
2019年，中國二氧化碳排放總量達(dá)到98.4億噸，仍處增長階段，人均二氧化碳排放量達(dá)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)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(dǎo)致高碳排放。碳稅政策將倒逼鋼鐵產(chǎn)業(yè)研發(fā)應(yīng)用碳中和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低碳綠色化轉(zhuǎn)型升級。
面對碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，鋼鐵產(chǎn)業(yè)要以節(jié)能高能效為基礎(chǔ)，重點(diǎn)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(qiáng)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(chǔ)上，要研發(fā)應(yīng)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(shí)開發(fā)全流程信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化冶煉，提高能源利用效率，為碳中和奠定基礎(chǔ)。二是研發(fā)應(yīng)用鋼鐵—化工—?dú)淠芤惑w化網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(shí)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(gè)途徑，以期建立以全新鋼鐵產(chǎn)業(yè)為重要中樞節(jié)點(diǎn)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(yīng)用
綠色氫能被認(rèn)為是無碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵之鑰，將氫能應(yīng)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(kuò)散能力強(qiáng)，導(dǎo)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(yīng)用。
自20世紀(jì)80年代開始，蘇聯(lián)、北美多座高爐開始噴吹天然氣；20世紀(jì)90年代，美國埃德加—湯姆森鋼鐵廠3號高爐噴吹焦?fàn)t煤氣；2004年12月京濱2號高爐噴吹天然氣，噸鐵噴吹量達(dá)50千克。早在20世紀(jì)50年代，HYL公司建成了一座擁有5個(gè)反應(yīng)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?xì)湟苯饸饣Q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(jì)60年代我國的重鋼進(jìn)行了高爐噴吹天然氣試驗(yàn)，并得到了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。2008年前后，承鋼、濟(jì)鋼、鞍鋼鲅魚圈等的高爐也進(jìn)行了噴吹焦?fàn)t煤氣試驗(yàn)。1973年，中國科學(xué)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(yàn)裝置進(jìn)行攀枝花釩鈦磁鐵礦氫氣流態(tài)化還原的半工業(yè)試驗(yàn)；1975年，廣東韶關(guān)建成并試驗(yàn)了5噸/天的水煤氣豎爐海綿鐵試驗(yàn)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(yàn)；2006年，寶鋼、鋼鐵研究總院、上海大學(xué)共同承擔(dān)了氫冶金熔融還原新工藝研發(fā)項(xiàng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)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(dá)50%~98%，是當(dāng)前的重點(diǎn)研發(fā)方向；氫冶金熔融還原多處于實(shí)驗(yàn)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(fēng)口噴吹入高爐，增加爐內(nèi)煤氣含氫量，強(qiáng)化氫在爐中上部參與間接還原，減少CO2排放，實(shí)現(xiàn)低碳煉鐵。日本COURSE50計(jì)劃中高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的內(nèi)容，目標(biāo)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(yù)期碳減排幅度可達(dá)20%；韓國核能制氫 富氫還原高爐預(yù)計(jì)從氫還原煉鐵技術(shù)研發(fā)到12座高爐實(shí)際應(yīng)用，投入4.8萬億韓元，以實(shí)現(xiàn)碳減排8.7%。中國寶武核能制氫 氫能冶金建設(shè)一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機(jī)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(biāo)準(zhǔn)煤。東北大學(xué)針對氫還原反應(yīng)吸熱導(dǎo)致爐身溫降、對爐上部爐料還原粉化和強(qiáng)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(jìn)行了研究，鑒于高爐冶煉特性，指出焦?fàn)t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?？傮w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(yùn)技術(shù)，相關(guān)技術(shù)仍在開發(fā)當(dāng)中。我國天然氣資源相對匱乏，價(jià)格昂貴，高爐噴吹天然氣在經(jīng)濟(jì)上有待考量；焦?fàn)t煤氣相對富余，價(jià)格較為低廉，高爐噴吹焦?fàn)t煤氣是我國目前最有可能實(shí)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(tuán)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(xiàng)目致力于鋼鐵冶煉過程以氫代煤，減少碳排放，預(yù)計(jì)使瑞典碳排放減少10%、芬蘭減7%；德國SALCOS項(xiàng)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(yù)計(jì)整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)碳排放減少95%；MIDREX H2？工藝可實(shí)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?fàn)t煤氣—豎爐直接還原項(xiàng)目已建設(shè)完成并于2021年6月正式出鐵；河鋼將建設(shè)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(dòng)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?fàn)t煤氣、天然氣和氫氣的混合氣，在湛江建設(shè)年產(chǎn)120萬噸DRI的氫冶金氣基豎爐線；東北大學(xué)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(tuán)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(jià)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)展開了系統(tǒng)研究。
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