儲滿生 徐萬仁 王國棟 周渝生 畢傳光等
摘要：
21世紀人類社會將邁入氫能社會和碳中和社會，氫能對我國能源結構和消費體系產生革命性影響，而氫冶金是高碳排放的鋼鐵產業實現低碳綠色化轉型升級的有效途徑之一。本文在概述國內外氫冶金技術研發現狀的基礎上，對比研究富氫還原高爐和氫氣氣基豎爐直接還原兩種工藝的碳減排潛力，得出氣基豎爐是更適宜開展氫冶金的工藝路線。進而，分析全氫氣基豎爐面臨的諸多難題，建議當前我國氫冶金應重點發展富氫氣基豎爐。
關鍵詞：
氫冶金，低碳減排，高爐，氣基豎爐
1 前言
為了應對全球變暖，2015年世界主要國家籤署《巴黎協定》，我國制定了到2030年和2040年碳排放量相對1990年分別減少40%和60%的中長期碳減排目標。據國際能源署數據，2019年全球與能源相關的二氧化碳排放量約330億噸，其中近14%是由鋼鐵工業產生[1-2]。2019年我國鋼鐵總產量9.96億噸，佔全世界總產量的53.3%，而鋼鐵產業CO2排放量為22.27億噸，約佔我國碳排放總量的16%，是碳排放量最多的行業之一。鋼鐵工業是國民經濟的基礎產業，對支撐其他產業發展、保障國家安全、提升國際地位具有極其重要的作用[3-4]。因此，鋼鐵工業有效降低碳排放強度成為碳減排計劃的重中之重，低碳綠色化是鋼鐵工業未來發展方向。
在應對全球氣候變化和能源轉型的背景下，各國都高度重視無碳和低碳能源的開發利用。氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，由於具有來源多樣、清潔低碳、靈活高效、應用場景豐富等諸多優點，被多國列入國家能源戰略部署。發展氫經濟是21世紀世界經濟新的競爭領域，中國應當審時度勢，把建立取代化石能源的「氫經濟」產業革命作為實現新型工業化、實現中國和平發展的重要戰略目標[5-6]。將氫氣用於鋼鐵製造的氫冶金工藝為變革性技術，是鋼鐵產業優化能源結構、工藝流程和產業結構，徹底實現低碳綠色化可持續發展的有效途徑之一。為此，1999年徐匡迪院士提出了鐵礦氫還原工藝設想，並在2002年再次提出了氫冶金的技術思想[7]。隨後，國外冶金界紛紛提出氫冶金的戰略規劃。2018年幹勇院士指出「21世紀是氫時代，氫冶金就是氫代替碳還原生成水，不但沒有碳排放，而且反應速度極快」。
當前德國、日本、韓國、瑞典、奧地利等產鋼國分別提出了氫冶金項目，研發熱點主要有富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原。富氫還原高爐煉鐵項目主要有日本COURSE50、德國「以氫代煤」、韓國COOLSTAR、奧鋼聯H2FUTURE等；氫氣豎爐直接還原項目主要有歐盟ULCOS的ULCORED新型豎爐直接還原和氫氣豎爐直接還原煉鋼技術、瑞典HYBRIT、德國SALCOS、MIDREX H2等，並且各自提出了不同的碳減排目標，有些甚至是碳近零排放的碳中和冶煉。當前我國鋼鐵生產以高爐-轉爐長流程佔絕對主力，綠色發展水平與生態環境需求不匹配已成為鋼鐵工業面臨的主要矛盾。為了實現鋼鐵產業低碳綠色轉型升級，我國高度關注氫冶金前沿技術的研發和應用，中國寶武、河鋼和日照鋼鐵等企業分別提出了氫冶金規劃。針對我國的資源和能源供應條件，合理選擇適合於我國國情的氫冶金工藝路線對實現鋼鐵產業低碳綠色、可持續發展至關重要。
本文首先概述了國內外富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原技術的研發現狀，然後進行了富氫高爐和氫氣氣基豎爐兩種冶煉工藝碳減排潛力的對比研究，得出氣基豎爐是開展氫冶金的主導技術。隨後，剖析了發展全氫氣基豎爐工藝所涉及的若干制約問題，認為在今後一段時間內我國氫冶金應重點發展富氫氣基豎爐，待相關條件成熟後再逐步發展全氫豎爐。
2 國內外氫冶金工藝研發現狀
2.1 高爐富氫還原煉鐵技術研發現狀
2.1.1 日本COURSE50項目的高爐富氫還原煉鐵
日本環境和諧型煉鐵工藝技術開發項目COURSE50（CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by innovative technology for cool Earth50）以「創新的煉鐵工藝」為主要研究內容，通過開發高爐富氫還原煉鐵技術和高爐爐頂煤氣CO2捕集儲存技術，將鋼鐵生產CO2排放減至最小，項目技術路線見圖1[8-9]。研發目標是2050年日本鋼鐵工業噸鋼CO2排放量減少30％，屆時日本噸鋼CO2排放將從1.64噸減到1.15噸。項目研發分為三個階段：第一階段（2008~2017年），其中第一步（2008~2013年）進行技術探索、優選，第二步（2013~2017年）進行以小型試驗高爐為主體的「氫還原和CO2分離回收技術綜合開發」；（2）第二階段（2017~2030年），開展大型工業化試驗，最終確定項目技術；（3）最後階段（2050年左右），實現技術推廣應用和普及。
高爐富氫還原煉鐵是利用焦爐煤氣或改質焦爐煤氣替代部分焦炭，用來還原鐵礦石，該向技術的目標是減少10%的碳排放，主要的支撐技術包括富氫還原鐵礦石技術、焦爐煤氣改質技術和高強度高反應性焦炭生產技術。焦爐煤氣改質技術是通過催化裂解將焦爐煤氣中的碳氫化合物轉變為氫氣，改質後的焦爐煤氣中的氫氣含量可達到60%以上。由於採用富氫煤氣作為還原劑，焦比會相應降低，但焦炭還要承擔料柱骨架、保障爐內煤氣順暢流動的作用，高強度高反應性焦炭的研發對氫還原煉鐵技術起到了重要的支撐作用。
2013年，在瑞典LKAB試驗高爐上完成了焦爐煤氣噴吹的工業試驗，目的是研究和評價使用普通焦爐煤氣或改質焦爐煤氣置換焦炭和降低還原劑比的潛力。富氫改質焦爐煤氣通過爐身下部3個噴吹口噴進高爐，而普通焦爐煤氣通過爐缸風口噴吹。研究表明，在爐身噴吹改質焦爐煤氣能有效改善爐牆區域的透氣性和增加間接還原度。得到了改質焦爐煤氣的理想噴吹條件：改質焦爐煤氣噴吹量應控制在200 m3/tHM以上，同時噴吹煤氣的比例達到20％以上。為了支持氫還原試驗，日本在新日鐵住金君津廠建成試驗高爐（12m3），試驗高爐爐身上部安裝有噴吹口。2016年4月進行了第一次試驗操作，確立了氫還原效果最大化的操作技術，並對COURSE50項目第一階段的試驗技術的有效性進行了驗證。結果表明，碳減排結果為9.4%，基本實現預定的碳減排目標。第二階段將進行擴大試驗，逐步模擬4000~5000 m3的實際高爐，同時進行富氫煤氣加壓噴吹和焦爐煤氣改質整體裝備研發。該項目計劃於2030年在首座高爐實施富氫還原煉鐵，2050年實現該技術在日本高爐的推廣普及。
▲圖1 COURSE50項目技術路線
2.1.2 德國蒂森克虜伯高爐「以氫代煤」煉鐵
德國蒂森克虜伯集團與液化空氣公司合作，計劃到2050年投資100億歐元，開展「以氫代煤」高爐煉鐵項目[10]。「以氫代煤」目的是將H2代替煤作為還原劑，以減少鋼鐵生產的CO2排放。2019年11月11日，在杜伊斯堡的蒂森克虜伯鋼廠，H2被噴吹入9號高爐的一個風口（見圖2），進行富氫還原煉鐵試驗，目的是證明噴吹純氫低碳冶煉技術的可行性和安全性。若進展順利，計劃逐步將H2使用範圍擴展到該高爐的全部28個風口。此外，蒂森克虜伯還計劃從2022年開始，該地區其他三座高爐都將使用H2代替煤進行冶煉，從而降低鋼鐵生產CO2排放，降幅可達20%。
▲圖2 蒂森克虜伯高爐噴吹氫氣試驗
2.1.3 韓國氫還原煉鐵
韓國政府將氫還原煉鐵指定為國家核心產業技術進行開發。早在2009年，韓國原子能研究院與POSCO等韓國國內13家企業及機關共同籤署原子能氫氣合作協議，開展核能制氫信息交流和技術研發。2010年5月，POSCO正式開發著手開發超高溫反應堆（VHTR）和中小型核能反應堆（SMART）。韓國政府曾計劃從2017年到2023年投入1500億韓元（約合9.15億元），以官民合作方式研發氫還原煉鐵法：第一步：從2025年開始試驗爐試運行；第二步：從2030年開始在2座高爐實際投入生產；第三步：到2040年12座高爐投入使用，從而完成氫還原煉鐵。從預計投入資金情況來看，從技術研發到在2座高爐上實際投入生產，需要投入8000億韓元（約合48.78億元）的資金，可減少1.6%的二氧化碳排放，在12座高爐實際投入生產，預計需要投入4.8萬億韓元（約合292.68億元）資金，可減少8.7%的二氧化碳排放。
2017年12月開始，韓國正式開始氫還原煉鐵COOLSTAR項目[11]。作為一項政府課題，由韓國產業通商資源部主導，韓國政府和民間計劃投入898億韓元用於相關技術開發，其終極目標是減排CO2 15%，同時確保技術經濟性。COOLSTAR項目主要包括「以高爐副生煤氣製備氫氣實現碳減排技術」和「替代型鐵原料電爐煉鋼技術」兩項子課題。項目的第一個子課題由浦項鋼鐵公司主導，依據歐洲和日本的技術開發經驗和今後的發展方向，以利用煤為能源的傳統高爐為基礎，充分利用「灰氫」，這類氫氣主要通過對鋼鐵廠產生的副產品煤氣進行改質精製而成，而非可再生能源產生的「綠氫」，由此實現氫氣的大規模生產，並作為高爐和電爐的還原劑；第二個子課題是將氫氣作為還原劑生產DRI，逐步替代廢鋼，由此減少電爐煉鋼工序CO2排放，同時提高工序能效，最終目標是向韓國電爐企業全面推廣。COOLSTAR項目計劃2017~2020年開展實驗室規模的技術研發，主要完成基礎技術開發；2021~2024年開始中試規模的技術開發，完成中試技術驗證，到2024年11月前完成氫還原煉鐵工藝的中試開發，並對具有經濟性的技術進行擴大規模的試驗；2024~2030年完成商業應用的前期準備；2030年以後篩選出真正可行的技術並投入實際應用研究；2050年前後實現商用化應用。
目前，浦項鋼鐵公司浦項廠已將還原性副產氣體作為還原劑進行應用，這類副產氣體由發電站供應；現代鋼鐵公司利用生物質替代煤炭，由此實現煉鐵工序CO2減排；浦項工科大學開發了高溫固體氧化物電解電池系統，催化還原CO2，並通過間接去除技術，減少尾氣中的CO2；延世大學開發的吸附工藝，從焦爐煤氣中回收氫氣，同時對甲烷進行濃縮；韓國科學技術院從焦爐煤氣中生產氫氣，並試圖通過水蒸氣改質工藝研究，擴大氫氣的產量；釜慶大學利用煉鐵副產煤氣，製備高碳、高金屬化率的DRI。
2.1.4 中國寶武的核能-制氫-冶金耦合技術
中國寶武的低碳冶金技術路線圖[12]見圖3。2019年1月15日，中國寶武與中核集團、清華大學籤訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰略合作框架協議》，三方將合作共同打造世界領先的核氫冶金產業聯盟。以世界領先的第四代高溫氣冷堆核電技術為基礎，開展超高溫氣冷堆核能制氫技術的研發，並與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，依託中國寶武產業發展需求，實現鋼鐵行業的二氧化碳超低排放和綠色製造。其中核能制氫是將核反應堆與採用先進位氫工藝的制氫廠耦合，進行大規模H2生產。經初步計算，一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬噸二氧化碳，減少能源消費約100萬噸標準煤，將有效緩解我國鋼鐵生產的碳減排壓力。
▲圖3 中國寶武低碳冶金技術路線圖
2.1.5 奧鋼聯H2FUTURE項目
2017年初，由奧鋼聯發起的H2FUTURE項目，旨在通過研發突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術，降低鋼鐵生產的CO 排放，最終目標是到2050年減少80%的CO 排放[13-15]。H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯、西門子、Verbund（奧地利領先的電力供應商，歐洲最大的水電商）公司、奧地利電網（APG）公司、奧地利K1-MET中心組等。該項目將建設世界最大的氫還原中試工廠。西門子作為質子交換膜電解槽的技術提供方；Verbund公司作為項目協調方，將利用可再生能源發電，同時提供電網相關服務；奧地利電網公司的主要任務是確保電力平衡供應，保障電網頻率穩定；奧地利K1-MET中心組將負責研發鋼鐵生產過程中氫氣可替代碳或碳基能源的工序，定量對比研究電解槽系統與其他方案在鋼鐵行業應用的技術可行性和經濟性，同時研究該項目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業的可複製性和大規模應用的潛力。圖4給出了H2FUTURE項目的產業鏈。
H2FUTURE項目計劃在奧地利林茨的奧鋼聯阿爾卑斯基地建造一個6MW聚合物電解質膜（PEM）電解槽，氫氣產量為1200 Nm3/h，目標電解水產氫效率為80%以上。中試裝置投入使用後，電解槽將進行為期26個月的示範運行，示範期分為5個中試化和半商業化運行，用於證明PEM電解槽能夠從可再生電力中生產綠色氫，並提供電網服務。隨後，將在歐盟28國對鋼鐵行業和其他氫密集型行業進行更大規模的複製性研究。最終，提出政策和監管建議以促進在鋼鐵和化肥行業的部署。2019年11月11日，計劃中的奧地利林茨奧鋼聯鋼廠6 MW電解制氫裝置投產，氫能冶金時代正式開啟。
▲圖4 H2FUTURE項目的氫能產業鏈
2.2 氫氣豎爐直接還原工藝研發現狀
2.2.1 歐洲ULCOS項目的新型豎爐直接還原和氫氣豎爐直接還原煉鋼
ULCOS（Ultra Low CO2 steelmaking）是由15個歐洲國家及48家企業和機構聯合發起的超低CO2煉鋼項目，旨在實現噸鋼CO2排放量降低50%或更多[16-18]。ULCOS項目主推四條工藝路線：爐頂煤氣循環氧氣高爐工藝TGR-BF、直接還原工藝ULCORED、熔融還原工藝HISARNA、電解鐵礦石工藝ULCOWIN/ULCOLYSIS。
ULCORED工藝（見圖5）主要採用氣基豎爐作為還原反應器，用煤制氣或天然氣取代傳統的還原劑焦炭，並且通過豎爐爐頂煤氣循環和預熱，減少了天然氣消耗，降低工藝成本。此外，天然氣部分氧化技術的應用使該工藝不再需要重整設備，大幅降低設備投資。以天然氣ULCORED為例，含鐵爐料從氣基豎爐頂部裝入，淨化後的豎爐爐頂煤氣和天然氣混合噴入氣基豎爐並還原含鐵爐料，而直接還原鐵產品從豎爐底部排出，送入電弧爐煉鋼。新工藝豎爐爐頂煤氣中的CO2可通過CCS技術捕集儲存。與歐洲高爐碳排放的均值相比，ULCORED工藝與CCS技術結合，將使CO2排放降低70%。
在ULCORED基礎上，ULCOS提出了氫氣直接還原煉鋼技術（hydrogen-based steelmaking），工藝流程見圖6。採用H2作為還原劑，氫氣來源於電解水，還原尾氣產物只有水，可大幅降低CO2排放量。在該流程中，氫氣豎爐直接還原的碳排放幾乎為零，若考慮電力產生的碳排放，全流程CO2排放量僅有300 kg/噸鋼，與傳統高爐-轉爐流程1850 kg/噸鋼的CO2排放相比減少84%。氫氣直接還原煉鋼技術促進鋼鐵產業的可持續發展，但該工藝的未來發展很大程度上取決於氫氣大規模、經濟、綠色製取與儲運。
（a）煤制氣ULCORED
（b）天然氣ULCORED
▲圖5 ULCORED富氫豎爐直接還原工藝
▲圖6 ULCOS氫氣豎爐直接還原煉鋼新工藝
2.2.2 瑞典HYBRIT突破性氫能煉鐵項目
2016年4月，瑞典鋼鐵公司（SSAB）、瑞典大瀑布電力公司（Vattenfall）和瑞典礦業公司（LKAB）聯合開展突破性氫能煉鐵技術HYBRIT（Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology）項目[19]，核心概念是採用可再生能源發電、電解水制氫、氫氣直接還原鐵礦石生產直接還原鐵，不使用焦炭和煤等化石能源，達到碳減排的目的。項目2016-2017年進行初步可行性研究；2018-2024年進行全面可行性研究，建設中試廠進行試驗；2025-2035年，建設示範廠並試運行；在2035年之前擁有一個無碳煉鐵解決方案，以氫氣氣基豎爐-電爐短流程替代傳統高爐-轉爐流程，屆時有望使瑞典CO2排放降低10%，芬蘭CO2排放降低7%。
圖7給出了HYBRIT新工藝和傳統高爐工藝的對比。HYBRIT新工藝的能源主要來自非化石燃料和可再生能源。以氧化球團為原料，採用氣基豎爐為還原反應器，還原氣是由可再生電力生產的純氫，還原產物是水。基於瑞典生產數據，以噸鋼為計算單位，HYBRIT新工藝二氧化碳排放、可再生能源消耗、化石能源消耗、電力消耗分別為25 kg、560 kWh、42 kWh、3488 kWh，能源消耗總計4090 kWh（含可再生能源560 kWh）。與高爐流程相比，HYBRIT新工藝二氧化碳排放降低1575 kg，降低了98.44%；能源消耗減少1376 kWh，減少了36.19%。
▲圖7 HYBRIT新工藝和高爐工藝的對比
2.2.3 德國SALCOS氫氣豎爐直接還原技術
2019年4月，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司與Tenova公司籤署了諒解備忘錄，旨在繼續推進以氫氣為還原劑煉鐵，從而減少二氧化碳排放的SALCOS項目。該項目的設想如圖8所示，旨在對鋼鐵生產工藝進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型長流程逐步轉變為氫氣氣基豎爐直接還原-電爐短流程，同時實現富餘氫氣的多用途利用。
▲圖8 SALCOS項目工藝設想
薩爾茨吉特於2016年4月正式啟動了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，綠色工業制氫）項目[20]，採用固體氧化物電解工藝生產氫氣和氧氣，於2018年1月完成了系統工業化環境運行，2019年2月，GrInHy1.0項目完成。之後又開展了GrInHy2.0項目，其理念是通過鋼企產生的餘熱資源生產水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發電，然後採用高溫電解水法生產氫氣。氫氣既可用於直接還原鐵生產，也可用於鋼鐵生產的後續工序。
2.2.4 MIDREX H2工藝
富氫煤氣豎爐直接還原技術早在20世紀中葉實現了工業化應用。目前世界上正在運行的以天然氣或煤制合成氣生產DRI的MIDREX、HYL豎爐達幾十座，多數豎爐入爐煤氣的氫氣含量已達到55%-80%。以MIDREX工藝為例，大多數豎爐入爐還原氣的H2和CO含量一般為55%和36%（H2/CO=1.50，摩爾比）；委內瑞拉FMO MIDREX工廠由於使用水蒸氣重整技術，H2/CO在3.3-3.8；某些豎爐由於採用煤制氣技術獲取還原氣，H2/CO在0.37-0.38。也即，目前已成功工業化的MIDREX氣基豎爐直接還原工藝的還原氣H2/CO值為0.37-3.8。在此基礎上，發展MIDREX氫氣豎爐（MIDREX-H2）具有可能性。
▲圖9 MIDREX-H2工藝流程
MIDREX H2工藝是指100%採用氫氣作為入爐還原氣，技術路線如圖9所示[21-22]。將外部生成的氫氣引入常規MIDREX生產系統，無需重整裝置，利用氣體加熱裝置將氫氣加熱到所需溫度。但為了控制爐溫和增碳，實際生產時入爐還原氣中的氫氣含量約為90%，其他為CO、CO2、H2O和CH4，這些成分是由於採用天然氣進行爐溫控制和DRI滲碳時引入的。此外，由於豎爐內存在水煤氣反應，還原氣中的CO2和CO可保持平衡，因此系統內不需要CO2脫除裝置。根據計算，生產每噸DRI的氫氣消耗量約為550 Nm3，另外還需250 Nm3的H2作為入爐煤氣加熱爐的燃料。與高爐流程相比，該工藝可將CO2排放量降低80%左右。
2.2.5 我國的氣基豎爐直接還原探索和氫冶金項目
與煤基直接還原工藝相比，氣基豎爐直接還原因產品純淨、汙染物排放少、能耗低、自動化程度高、可大型化等優勢，被認為是後高爐時代的首選工藝技術，一直受到我國鋼鐵界的關注。20世紀70年代，我國自行設計、建設了處理釩鈦磁鐵礦球團的5m3氣基豎爐，試驗順利成功，但因天然氣資源問題被迫終止。到70年代後期，在韶鋼建成以水煤氣為還原氣，氣基豎爐工業化試驗生產線，進行了長達3年的試生產，但因缺乏高品位鐵礦石、水煤氣制氣單機生產能力過小等原因未實現工業化生產。80年代，寶鋼開展了BL法煤制氣—豎爐生產直接還原鐵半工業化試驗研究，試驗是成功的，但因當時的高品位鐵原料及制氣成本問題，未能進一步開發。自2005年，遼寧、吉林、內蒙、安徽、山西等地，均有籌建氣基豎爐直接還原生產線的規劃。目前，中晉太行已經建成年產30萬噸DRI的焦爐煤氣-豎爐直接還原項目，以乾重整焦爐煤氣為還原氣，目標二氧化碳排放減少28%，計劃於2020年9月點火運行。以上關於氣基豎爐直接還原工業化試驗或工程探索工作，為我國發展氣基豎爐直接還原和氫冶金奠定了一定的基礎。
2019年11月22日，河鋼集團與義大利特諾恩集團籤署諒解備忘錄，商定雙方在氫冶金技術方面開展深入合作，利用世界最先進的制氫和氫還原技術，並聯手中冶京誠，共同研發、建設全球首例120萬噸規模的氫冶金示範工程，應用於河鋼宣鋼轉型升級項目。項目將從分布式綠色能源、低成本制氫、焦爐煤氣淨化、氣體自重整、氫冶金、成品熱送、CO2脫除等全流程進行創新研發，探索出一條鋼鐵工業發展低碳、甚至「零碳」經濟的最佳途徑。從改變能源消耗結構入手，徹底解決鋼鐵生產的環境汙染和碳排放問題，從而引領鋼鐵生產工藝變革。
2020年5月8日，京華日鋼控股集團有限公司與中國鋼研籤訂了《年產50萬噸氫冶金及高端鋼材製造項目合作協議》。本項目以氫冶金全新工藝-裝備-品種-用戶應用為目標，進行系統性、全鏈條的創新開發，通過現代化工、冶金聯產循環經濟的方式，建設具有我國自主智慧財產權的首臺套年產50萬噸氫冶金及高端鋼材製造產線。
3 富氫還原高爐與富氫氣基豎爐的碳減排潛力對比
縱觀國內外近年來氫冶金前沿技術的研發熱點，主要的工藝路線有富氫還原高爐和氣基直接還原豎爐。下面通過對比分析兩者的碳減排潛力，分析討論我國發展氫冶金的適宜工藝路線。
3.1高爐富氫還原煉鐵的碳減排潛力
高爐實現富氫還原冶煉的主要途徑是噴吹H2和天然氣、焦爐煤氣等含氫介質。利用多流體高爐數學模型，分別對高爐噴吹H2、天然氣、焦爐煤氣冶煉進行了數值模擬研究，部分研究結果見圖10-圖12。
在正常噴煤的高爐噴吹常溫H2或富氫氣體時，可通過增大鼓風富氧率進行熱補償，以維持穩定的風口迴旋區理論燃燒溫度和高爐下部良好的熱量條件。在同時噴煤的條件下，噴吹富氫氣體後，高爐生鐵產量增加，焦比和總還原劑比降低，碳排放量減少。模擬研究結果表明，當不同高爐分別噴吹120 Nm3/tHM氫氣（煤比不變，氫代焦）、100 Nm3/tHM天然氣（氫同時代煤和焦）、50 Nm3/tHM焦爐煤氣（煤比不變，氫代焦）時，焦比分別降低12.87%、17.27%、14.53%，高爐碳排放分別降低10.58%、20.84%、8.05%。雖然這些高爐爐容、操作條件和富氫方案不同，貢獻的技術經濟指標改善幅度也不同，但有一個變化趨勢是共同的，也即：隨著高爐噴吹富氫氣體量的不斷增大，爐頂煤氣CO利用率增加，但H2利用率逐漸降低。以高爐噴吹H2為例，爐頂煤氣氣體利用率以及碳排放的變化趨勢見圖10（b）。當高爐氫氣噴吹量由0增至120 Nm3/tHM，爐頂煤氣H2利用率由41.30%降至29.26%，昂貴的氫氣未得到有效利用。這主要是因為高爐內CO和H2除了參與鐵氧化物的間接還原反應之外，主要參與如下三個反應：（1）碳氣化溶損反應CO2+C2CO（ΔHθ 298=165.3 kJ/mol）；（2）水煤氣反應H2O+CCO+H2（ΔHθ 298=124.2 kJ/mol）；（3）水煤氣轉換反應CO+H2OCO2+H2（ΔHθ 298= -41.2 kJ/mol）。反應（3）在高爐內屬於可逆反應，當反應向右進行時，CO利用增大，H2利用率降低；當反應向左進行時，CO利用降低，H2利用率增大。隨著高爐氫氣噴吹量的增加，氫參與間接還原反應比例增加，向爐上部上升的煤氣流中水蒸氣分壓增大，而且爐內溫度大於1000℃的高溫區和軟熔帶下移，也即中上部中低溫區域變大，因此反應（3）將更多地向右進行，導致爐頂煤氣H2利用率降低。通過數學模擬計算還發現，當噴吹120 Nm3/tHM H2時，高爐爐頂煤氣中近70%的CO2由反應（3）產生，這進一步說明噴吹更多氫氣時爐內中上部反應（3）向右進行，這將導致爐頂煤氣H2利用率降低，從而影響高爐噴吹H2或富氫氣體冶煉的綜合經濟效益。綜合考慮成本效益、增產效益、碳稅效益，在同時噴吹煤粉而且爐頂煤氣不循環利用的情況下，焦爐煤氣的適宜噴吹量為50 Nm3/tHM左右，而天然氣的適宜噴吹量為100 Nm3/tHM左右。H2同樣也有一個適宜的噴吹量，相關研究正在開展。
綜上，高爐噴吹H2或富氫氣體有助於增加生鐵產量，並在一定程度上實現節焦或節煤，降低碳排放。但由於噴吹H2或富氫氣體後，爐頂煤氣H2利用率不斷降低，噴入的清潔能源H2未能高效利用，而且在爐內摻雜入N2等雜質成分（由於鼓風使爐內煤氣含有50%左右的N2），增加了爐頂煤氣分離難度，導致頂煤氣循環成本高；同時，富氧、H2或富氫氣體的成本增加將制約高爐噴吹富氫氣體的綜合經濟效益；另外，由於高爐的冶煉特性，焦炭的骨架作用無法被完全替代，H2噴吹量存在極限值。因此，高爐通過噴吹含氫介質富氫還原實現碳減排的潛力受到限制，一般認為高爐富氫還原的碳減排幅度可達10%-20%，難以經濟地實現更大幅度的碳減排以及碳中和的目標。
▲圖10 高爐噴吹H2的還原劑消耗、氣體利用率和碳排放
▲圖11 高爐噴吹天然氣的還原劑消耗、氣體利用率和碳排放
▲圖12 高爐噴吹焦爐煤氣的綜合經濟效益、氣體利用率和碳排放
3.2 富氫氣基豎爐-電爐短流程的環境負荷
基於GaBi7.3軟體和CML2001方法，對煤制氣（入爐煤氣中H2 57%，CO 38%，H2/CO=1.5）-富氫氣基豎爐-電爐短流程以及常規高爐-轉爐長流程進行生命周期評價，對比分析環境影響。選擇1噸鋼水作為功能單位（FU），長短流程系統邊界如圖13所示。以30%DRI+70%廢鋼入電爐冶煉為基準條件，編制生命周期清單。選取資源消耗潛值（ADP）、酸化潛值（AP）、富營養化潛值（EP）、全球變暖潛值（GWP100）、人體健康毒害潛值（HTP）、光化學臭氧合成潛值（POCP）六種影響類型進行生命周期環境影響評價。
▲圖13 煤制氣-富氫氣基豎爐-電爐短流程
（a）和高爐-轉爐流程（b）工藝系統邊界
長短流程的環境影響單一指標對比見圖14。可見，煤制氣-氣基豎爐短流程免除了高汙染、高能耗的燒結、焦化、高爐等工序，ADP、AP、EP、GWP100、HTP和POCP分別是高爐-轉爐工藝的75.5%、3.51%、1.53%、50.54%、58.3%和53.19%，具有顯著的低環境負荷優勢。此外，長流程和短流程噸鋼能耗及主要汙染物排放對比見圖15。可見，煤制氣-氣基豎爐短流程噸鋼能耗僅為263.67 kgce，碳排放量為859.55 kg，相比BF-BOF流程，噸鋼能耗、CO2可分別減少60.64%和54.3%。而SO2、NOx和粉塵排放量可減少74.0%、22.7%和15.9%。綜合可知，煤制氣-氣基豎爐-電爐短流程工藝對環境影響更小，可在更大程度上實現CO2減排。若在煤制氣-富氫氣基豎爐的基礎上，進一步發展全氫氣基豎爐，碳減排效果將進一步強化。
▲圖14 BF-BOF與氣基豎爐短流程單一指標對比
▲圖15 BF-BOF流程與煤制氣-氣基豎爐-電爐流程能耗及主要汙染物排放對比
綜上所述，高爐通過噴吹富氫氣體實現碳減排的潛力有限，而氣基豎爐短流程大幅降低碳排放和環境負荷，實現節能減排。可見，氣基豎爐直接還原更適用於發展氫冶金，甚至實現碳中和煉鋼。針對可能的全氫豎爐或富氫豎爐氫冶金工藝，含氫的豎爐爐頂煤氣通過淨化和循環可實現氫氣高效利用（豎爐爐頂煤氣無N2等雜質成分摻雜，氣體捕集分離難度和循環利用成本遠低於高爐），從而降低能耗和生產成本。
4 氣基豎爐直接還原使用純氫還是富氫煤氣
4.1 制約全氫氣基豎爐的若干問題
目前世界上正在運行的MIDREX和HYL豎爐裝置，為了保證加熱爐高溫合金爐管不被腐蝕、減少鐵礦石球團粘結問題的發生，多數豎爐入爐煤氣中氫氣的含量已達到55%-80%。因此，大型富氫豎爐直接還原鐵生產技術早已實現了工業化應用。20世紀80年代西歐工業國家進行了全氫氣基豎爐直接還原工業生產的探索實踐，使用100% H2大型氣基豎爐生產直接還原鐵在技術上是可行的，入爐H2量均在3000 Nm3/tDRI以上。國內權威的冶金專家曾在多次會議上強調了氫冶金的諸多好處，但是目前100%純氫煉鐵的技術經濟合理性和存在的關鍵制約問題，仍是需要認真研究和思考的課題。
（1）氫還原的強吸熱效應導致全氫豎爐煤氣量大幅增加，生產成本上升
純氫還原豎爐內沒有碳源，還原氣全為H2，系統內部無法實現熱量互補變換和參與反應的物質循環。純氫豎爐內，發生反應（2）、（3）兩個強吸熱反應，導致整個氫還原過程的強吸熱效應。
因此，在入爐煤氣溫度不變的條件下，純氫氣還原鐵礦石會大量吸熱，導致豎爐中散料層內的溫度場急劇向涼，延緩了需要消耗大量熱量的後續氫氣還原氧化鐵的化學反應，煤氣利用率大幅下降。若要維持預定的生產率，必須增加作為載熱體的入爐氫氣量（見圖16），如爐頂壓力0.4 MPa，900℃條件下，全氫豎爐的入爐氫氣量至少要達到2201 Nm3/tDRI，才能滿足豎爐還原的熱量需求；而當入爐還原氣H2/CO為2:5時，入爐還原氣量僅為1228 Nm3/tDRI。若採用相同的入爐煤氣量，純氫氣基豎爐的DRI產量將大幅減少，單位DRI生產成本大幅提高。
▲圖16 爐頂壓力0.4MPa、900℃條件下氣基豎爐入爐還原氣需要量
另一方面，對於純氫豎爐直接還原，為了使生產率不降低，有人提出提高氫氣溫度而不必提高入爐氫氣量。但提高入爐氫氣溫度需要有效解決如下技術難題，包括：（1）提高氫氣的目標加熱溫度受限於加熱爐爐管材質的耐高溫氫蝕性能，採用耐更高溫度氫蝕的材料必然增加加熱爐製造成本；（2）氫氣極易洩漏，氫氣加熱時對加熱系統和輸送管道的防洩漏能力要求極高，更高的加熱溫度則會大幅增加系統設備造價和生產安全隱患；（3）由於氫氣密度小，逃逸速度快，若需將氫氣加熱至更高的目標溫度，必須控制氫氣在加熱爐管內流速，將進一步增加加熱爐的設計難度。
（2）全氫操作將致使H2還原速率下降
氣基豎爐直接還原過程中，在入爐煤氣溫度一定的條件下，H2還原速度並非隨H2含量呈線性增加，這主要是因為H2還原能力受反應器內部溫度場的制約。當H2含量不高時，增加H2含量會加快還原進程並達到還原速率的最大值，最大值時的氫含量是該條件下的最佳比例。但是，當H2含量進一步增加後，H2還原鐵礦石吸熱將使鐵礦石床層溫度降低，而且這一效應逐漸佔據主導地位，鐵礦石還原速率將持續受到阻礙。這是移動床中溫度場派生效應相互消長的結果。這時，若想提高還原反應的速率和保證產能，必須通過增加入爐H2流量，或者用其他物理方法向床層補充熱量保持高溫，才能達到氫氣快速還原的效果。
（3）全氫操作對氣基豎爐設備及操作壓力要求高
H2密度小，導致H2進入豎爐就會急劇向爐頂逃逸。與混合氣體相比，氫氣在爐內的路徑、方向迅速改變，使H2不能很好地停留在豎爐下部的高溫帶完成含鐵爐料還原的任務。從理論上講，採用1 MPa以上的入爐H2壓力、H2加熱到1000℃以上入爐，產品也可以達到工藝產品的設計指標。鑑於H2是一種極其易燃易爆的氣體，豎爐需要高效率長期穩定生產，若讓豎爐反應器系統設備在高溫、高壓極限條件下長期工作，很難保障反應器設備和員工的安全，則不符合冶金工藝設計的目標。
（4）全氫豎爐DRI產品無滲碳，反應活性大
純H2還原生產的DRI反應活性大。若在豎爐內無滲碳，則極易發生再氧化，鈍化特別困難，難以安全儲存、運輸和使用。而且，全氫無滲碳生產的DRI熔點高，送至電爐煉鋼時電耗增加。實際上，煉鋼生產不可避免地需要配碳。因此，在豎爐內對DRI進行部分滲碳，除了可以解決DRI再氧化和安全儲運等問題以及降低電爐熔煉電耗之外，還有利於電爐不配碳或少配碳，同時提高鋼水純淨度。
（5）H2生產成本高，儲存困難
制氫方法主要有化石能源制氫、焦化和石化副產尾氣制氫、電解水制氫以及光解水制氫等。化石能源制氫是我國的主要制氫方式，雖然技術成熟、成本相對低，但這種方式制氫的同時導致大量碳排放，不利於碳減排，屬於灰氫；利用太陽能、風能等可再生能源發電繼而電解水製取氫氣（電轉氣）技術立足於未來碳中性，屬於綠氫，為當前國內外研發的主導方向，但目前電解水制氫的轉化效率有待提高，氫氣仍然是成本較高的二次能源（常見制氫工藝成本對比見表1）。據報導，按照2017年底的電力、焦炭價格和二氧化碳排放交易價格，瑞典HYBRIT全氫氣基豎爐短流程噸鋼成本比高爐流程高20%~30%，其中電解制氫的高成本是主要因素。
儲氫技術是氫能利用的關鍵環節，是限制氫能大規模產業化發展的重要瓶頸，因而成為目前氫能產業化發展的重點和難點之一。目前研究和應用中的氫氣儲存方式主要包括：高壓氣態儲氫、深冷液化儲氫、有機液體儲氫、多孔材料及金屬合金等物理類固態儲氫等。對於氫能的大規模化儲存，工業上最可行的只有高壓氣態儲氫和深冷液化儲氫技術。採用固態氫化金屬等新型儲氫材料是氫能安全儲運的發展方向，但非磺化膜、高儲氫率的儲氫材料和新型儲氫裝置等核心技術仍在開發中。
4.2 發揮富氫氣基豎爐的優勢
在目前實際生產的MIDREX、HYL、PERED等豎爐中，入爐煤氣中除了氫氣，還含有35%-20%CO，屬於富氫豎爐（H2/CO大於1.5）。因此，反應器內除了反應（1）-（3），還有反應（4）、（5）、（7）3個放熱反應在散料層內不同部位同時發生。放熱反應與吸熱反應同時進行，使得料層內不同部位均在發生熱交換，並進行複雜的物質循環變換，大大改善了豎爐內的供熱、傳熱及傳質等還原反應熱力學、動力學條件。
影響氣基豎爐直接還原速率和生產效率的因素有很多，包括入爐還原氣的H2/CO比、溫度、壓力、煤氣利用率、鐵礦石停留時間、氣體傳熱傳質動力學條件、豎爐設計，等等。按照逆流還原豎爐的規律，在安全可靠、穩定順行、高效節能的操作方針指導下，充分發揮H2高溫還原反應速率快、產物純淨的優勢，充分利用現有工業化豎爐的成熟設計和生產操作經驗，適度改進完善豎爐的關鍵工藝設備，綜合運用和優化選擇豎爐還原的各種工藝參數，將富氫豎爐的優勢發揮到極致，使豎爐直接還原達到最佳的產能和最低的能耗，預期比使用純氫豎爐直接還原遇到的困難要小得多，有望達到事半功倍的效果。
因此，考慮到全氫氣基豎爐的技術難點和我國能源供應條件，今後一段時間我國氫冶金的發展重點應為富氫氣基豎爐直接還原。
5 富氫氣基豎爐直接還原-電爐短流程工程示範
2018年4月18日，東北大學與遼寧華信鋼鐵集團公司籤訂協議，共建遼寧鋼鐵共性技術創新中心，籌建年產1萬噸DRI和10萬噸精品鋼的煤制氣-富氫氣基豎爐-電爐短流程示範工程項目，目標是在氫冶金低碳冶煉、高端精品鋼生產、鋼鐵冶煉短流程等重大工藝和裝備技術取得重大突破和形成示範應用。煤制氣-富氫氣基豎爐直接還原短流程的工藝流程如圖17所示。將鐵礦物晶體顆粒粗大且可磨的普通磁鐵精礦經細磨精選，獲得品位70%左右的高品位鐵精礦，生產優質高品位氧化球團作為豎爐爐料；利用東北地區儲量豐富、廉價的低階褐煤，通過流化床法煤制氣裝置製備合成氣，經淨化處理生成含氫65%-85%的還原氣，利用自主設計的富氫煤氣加熱爐加熱至930℃；再通過具有自主智慧財產權的氣基豎爐，生產純淨的DRI，連續熱裝入新型電爐冶煉，生產高純淨鋼，用於高端精品鋼生產和重大裝備製造。因此，可以說這是一項符合中國國情的、也是國內急需的氫冶金短流程新技術，具有廣闊的應用前景和顯著的節能減排優勢。項目實施和成果轉化應用對氫冶金短流程在鋼鐵行業的推廣和實現鋼鐵產業低碳綠色化創新發展具有重要意義。
▲圖17 東北大學-華信鋼鐵的煤制氣-富氫氣基豎爐短流程示範工程
6 結論
（1）氫能應用於鋼鐵冶金是鋼鐵產業低碳綠色化轉型升級的有效途徑之一，目前研發熱點主要有富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原工藝。
（2）高爐通過噴吹含氫介質富氫還原冶煉實現碳減排的潛力受到限制，碳減排幅度可達10%-20%，而氣基豎爐直接還原環境負荷小，更適宜氫冶金。
（3）綜合考慮純氫氣基豎爐存在吸熱效應強、入爐H2氣量增大、生產成本升高、H2還原速率下降、產品活性高和難以鈍化運輸等諸多問題，再加上目前制氫儲氫技術尚待完善和降低成本，認為在今後一段時間我國開展氫冶金的重點應是富氫氣基豎爐。
（4）國內鋼鐵企業和院校應協同開展符合國情的富氫氣基豎爐研發和工程示範，推進氫冶金關鍵技術成熟和產業化應用，助力我國鋼鐵產業低碳綠色化創新發展。
參考文獻：
[1] Tang J, Chu M S, Li F, et al. Development and progress on hydrogen metallurgy[J]. Int. J. Miner. Metall. Mater., 2020, 27(6): 1.
[2] Zhang Q, Li Y, Xu J, et al. Carbon element flow analysis and CO2 emission reduction in iron and steel works [J]. J. Clean. Prod., 2018, 172: 709.
[3] 幹勇，仇聖桃. 先進鋼鐵生產流程進展及先進鋼鐵材料生產製造技術[J].中國有色金屬學報，2004，14（1）：25.
[4] 沙高原，劉穎昊，殷瑞鈺，等. 鋼鐵工業節能與CO2排放的現狀及對策分析[J].冶金能源，2008，（1）: 3-5.
[5] 景春梅，何七香，歐訓民. 從日韓氫能產業看我國氫能發展[J]. 能源，2019（12）：25.
[6] 張景新，胡紅梅. 新能源「風口」下的中國氫經濟之路[J]. 新材料產業，2019（02）：40.
[7] 鄭少波.氫冶金基礎研究及新工藝探索[J]. 中國冶金，2012，22（7）：1.
[8] 張京萍. 擁抱氫經濟時代全球氫冶金技術研發亮點紛呈[N]. 世界金屬導報，2019-11-26（01）.
[9] 魏偵凱，郭瑞，謝全安. 日本環保煉鐵工藝COURSE50新技術[J]. 華北理工大學學報（自然科學版），2018，40（3）：26.
[10] 符冠雲，熊華文. 日本、德國、美國氫能發展模式及其啟示[J]. 宏觀經濟管理，2020（06）：84-90.
[11] 日韓鋼鐵界推進氫還原煉鐵工藝技術開發[N]. 世界金屬導報，2020-02-04（F01）.
[12] 毛曉明. 寶鋼低碳冶煉技術路線[A].第十二屆中國鋼鐵年會煉鐵與原料分會場報告[C]. 北京：中國金屬學會，2019.
[13] Quader A M, Ahmed S, Dawal S Z, et al. Present needs, recent progress and future trends of energy-efficient ultra-low carbon dioxide Steelmaking (ULCOS) program[J]. Renew. Sust. Energ. Rev., 2016, 55: 537.
[14] Birat J P. 超低CO2煉鋼項目與其他減排項目及減排新理念[J]. 世界鋼鐵，2014，5：22.
[15] 嚴珺潔. 超低二氧化碳排放煉鋼項目的進展與未來[J]. 中國冶金，2017，27（2）：6-11.
[16] Kushnir D, Hansen T, Vogl V, et al. Adopting hydrogen direct reduction for the Swedish steel industry: A technological innovation system (TIS) study[J]. J. Clean. Prod., 2020, 242: 1.
[17] Ranzani da Costa A，Wagner D，Patisson F. Modelling a new, low CO2 emissions, hydrogen steelmaking process[J]. J.Clean. Prod.，2013，46：27-35.
[18] H2future. H2future technology[EB/OL]. https://www.h2future-project.eu/technology/.
[19] Vogl V， hman M，Nilsson L J. Assessment of hydrogen direct reduction for fossil-free steelmaking[J]. J. Clean. Prod.，2018，203：736-745.
[20] Salzgitter Flachstahl, Linde in steel industry clean hydrogen project[J]. Fuel Cells Bulletin, 2018, 2018(12): 12.
[21] Sohn H Y. Suspension ironmaking technology with greatly reduced energy requirement and CO2 emissions[J]. Steel Times Int.，2007，31(4)：68.
[22] Chevrier V, 錢良豐. MIDREX H2超低CO2排放煉鐵技術及MIDREX過渡到氫經濟工藝[A]. 全國冶金還原冶煉新工藝論壇暨2019年非高爐冶煉年會論文集[C]. 保山：中國廢鋼鐵應用協會，2019: 91.
[23] 沈威，楊煒櫻. 考慮碳排放的化石能源和電解水制氫成本[J]. 煤氣與熱力，2020，40（03）：30.
[24] 單彤文，宋鵬飛，李又武，等. 制氫、儲運和加注全產業鏈氫氣成本分析[J]. 天然氣化工（C1化學與化工），2020，45（01）：85.
[25] 王金蘭，趙建煒，李剛，等. 渣油加氫裂化未轉化油氣化制氫經濟性研究[J].煉油技術與工程，2020，50（01）：57-59.