鋼鐵行業(yè)氫冶金技術(shù)的發(fā)展初探

李少飛 顧華志 黃 奧

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430081

鋼鐵行業(yè)約占全球終端能源需求的8%，約占全球能源系統(tǒng)二氧化碳排放（包含工藝排放）份額的7%［1］。2020年，世界粗鋼產(chǎn)量達(dá)18.64億t，其中中國(guó)10.53億t，占比56.49%［2-3］。世界短流程煉鋼粗鋼產(chǎn)量約占全部粗鋼產(chǎn)量的30%，而中國(guó)占比不足10%［4］。高爐煉鐵是鋼鐵冶金流程中能源消耗和溫室氣體排放量最大的環(huán)節(jié)，因此，尋找環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)性俱佳的鐵礦石還原方式成為理想工藝的探索熱點(diǎn)。氫冶金是氫部分或完全取代碳作為還原劑，實(shí)現(xiàn)鐵礦石脫氧過(guò)程的技術(shù)。作為氫冶金關(guān)鍵流程之一的直接還原煉鐵［5］是用氣體或固體還原劑在低于鐵礦石軟化溫度下，在反應(yīng)裝置內(nèi)將鐵礦石還原成金屬鐵的方法。與高爐煉鐵的主要差異在于其最高工藝溫度在1 000℃左右，遠(yuǎn)低于高爐煉鐵最高溫度。世界直接還原鐵（DRI）年產(chǎn)量［3］2018年突破1億t，2019年達(dá)到1.11億t，中國(guó)DRI較少。因此，氫冶金技術(shù)對(duì)中國(guó)鋼鐵行業(yè)降低能源消耗和溫室氣體排放具有巨大潛能。

推廣氫冶金技術(shù)有兩個(gè)問(wèn)題需要解決，一個(gè)是采用哪一種氫冶金技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)性和可操作性；另外一個(gè)是大規(guī)模低成本氫氣氣源問(wèn)題。本文中，簡(jiǎn)要介紹直接還原鐵工藝，探討氫冶金氣源等問(wèn)題，并結(jié)合鋼鐵行業(yè)氫冶金的國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目，對(duì)中國(guó)鋼鐵行業(yè)推廣氫冶金技術(shù)提出展望。

1 直接還原鐵工藝

直接還原鐵（DRI）工藝根據(jù)還原劑的物理狀態(tài)可分為兩類：一類是以CO和H2復(fù)合氣體作為還原劑的氣基豎爐直接還原工藝；一類是以煤作為還原劑的煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝。典型的DRI工藝實(shí)例有MIDREX、HYL/ENERGIRON、回轉(zhuǎn)窯工藝、PERED、CIRCORED、FINMET和ITMK3等。氣基豎爐直接還原是在1 000℃左右，通過(guò)CO和H2復(fù)合還原氣體對(duì)鐵礦石進(jìn)行還原，得到含鐵料的過(guò)程。隨著其技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，氣基豎爐直接還原工藝已成為DRI的主流工藝，同時(shí)還原氣體中H2比例及其單套設(shè)備的實(shí)際產(chǎn)量都有逐步增大的趨勢(shì)。煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝由于其能源轉(zhuǎn)換效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、溫室氣體排放量大等因素，使得該工藝僅在印度有所推廣。

從2000年開始，世界鋼鐵行業(yè)經(jīng)歷了兩次的衰退，但DRI產(chǎn)量未受影響，一直保持持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭［3，6］。2018年世界DRI年產(chǎn)量達(dá)100.5 Mt·a-1，2019年增加到了111.1 Mt· a-1。其中，采用MIDREX工藝生產(chǎn)DRI的產(chǎn)量占比60.5%，HYL/ENERGIRON產(chǎn)量占比13.2%，回轉(zhuǎn)窯工藝產(chǎn)量占比24.0%，PERED的占比2.1%，其他工藝產(chǎn)量占比僅有0.2%。氣基豎爐直接還原鐵產(chǎn)量達(dá)到81.94 Mt·a-1，其中，MIDREX工藝貢獻(xiàn)了79.8%，HYL/ENERGIRON貢獻(xiàn)了余下的20.2%。因此，主要介紹MIDREX工藝，簡(jiǎn)要介紹HYL/ENERGIRON工藝。

MIDREX工藝源于19世紀(jì)60年代，其工藝核心理念是將天然氣重整與還原豎爐配套，使得重整制得的CO和H2混合還原氣體與鐵礦石達(dá)到動(dòng)態(tài)的化學(xué)平衡［7］。MIDREX工藝分為天然氣重整、還原氣預(yù)熱和鐵礦石還原三個(gè)模塊。天然氣重整反應(yīng)為：CH4+CO22CO+2H2。根據(jù)不同的還原氣來(lái)源，MIDREX工藝可以分為兩類，一類是天然氣基的MIDREX NGTM［8］；另一類是基于煤基合成氣，比如煤氣化氣體、焦?fàn)t煤氣、COREX尾氣等的MXCOL。為使該工藝相對(duì)簡(jiǎn)單和操作性強(qiáng)，該工藝最初主要定位于使用天然氣和球團(tuán)礦。豎爐內(nèi)發(fā)生的主要還原反應(yīng)為：Fe2O3+3H22Fe+3H2O和Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。在豎爐內(nèi)部礦石移動(dòng)床自上而下流動(dòng)，還原氣自下而上逆流與礦石反應(yīng)，從而可以保持一個(gè)高效率的礦石處理方式。一方面，物料移動(dòng)床使得每一個(gè)礦石球團(tuán)都可以經(jīng)歷同樣的溫度曲線、還原氣成分以及停留時(shí)間。另一方面，逆流反應(yīng)提供了最大的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力和較短的反應(yīng)時(shí)間。這種礦石運(yùn)動(dòng)方式和高爐內(nèi)部情況相似，但其650～980℃的操作溫度大幅低于高爐操作溫度。

為了保證還原反應(yīng)高效進(jìn)行，需要DRI工藝還原氣成分中H2和CO的含量盡可能高。在MIDREX發(fā)展過(guò)程中，進(jìn)行了大量的技術(shù)革新與工藝改進(jìn)，主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)產(chǎn)能、實(shí)際產(chǎn)量、能耗、鐵礦石適應(yīng)性、還原氣H2和CO 的體積比以及產(chǎn)品種類等方面。MIDREX單套設(shè)計(jì)產(chǎn)能從0.15 Mt·a-1增加至2.5 Mt·a-1，實(shí)際產(chǎn)量一般能達(dá)到其設(shè)計(jì)產(chǎn)能的120%～130%。天然氣消耗方面，能耗從高于12.6 GJ·t-1降低至9.6 GJ·t-1。礦石適應(yīng)性方面，從100%的入爐球團(tuán)到塊礦比例接近70%。還原氣成分方面，H2和CO的體積比在0.5～3.5均可適應(yīng)。產(chǎn)品種類方面，其排出形式可以是冷態(tài)直接還原鐵（CDRI）、熱態(tài)直接還原鐵（HDRI）和熱壓塊鐵（HBI）的任意一種或隨機(jī)組合。

HYL/ENERGIRON直接還原工藝和MIDREX直接還原工藝流程基本一致，唯一差異在于天然氣重整模塊。傳統(tǒng)HYL工藝采用水蒸氣重整天然氣，而MIDREX工藝則是利用還原豎爐尾氣中的CO2對(duì)天然氣進(jìn)行重整。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，基于HYL工藝的ENERGIRON ZR［9］（零重整）工藝，通過(guò)利用直接還原豎爐中大量存在的鐵作為天然氣重整催化劑，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)天然氣重整爐的去除，使得直接還原工藝更加簡(jiǎn)潔和高效。

與高爐煉鐵工藝相比，直接還原鐵工藝可以大幅降低鐵礦石還原過(guò)程的能耗和排放。其中作為氫冶金關(guān)鍵流程之一的直接還原鐵工藝在天然氣資源豐富的中東、印度、俄羅斯、墨西哥等國(guó)家和地區(qū)得到了較快發(fā)展。2019年世界DRI生產(chǎn)國(guó)排名前五位的是印度（33.74 Mt）、伊朗（28.52 Mt）、俄羅斯（8.03 Mt）、墨西哥（5.97 Mt）、沙特阿拉伯（5.79 Mt）。煤基回轉(zhuǎn)窯工藝產(chǎn)量主要來(lái)自于印度，其產(chǎn)量占到印度直接還原鐵產(chǎn)量的79%［10］。

2 氫源

目前，直接還原鐵工藝中的H2仍來(lái)源于化石能源［11］。其中，天然氣是最主要的原材料，源于天然氣的氫氣產(chǎn)量占比＞75%。天然氣重整工藝是常用的方法之一，然而，天然氣重整過(guò)程受制于能源轉(zhuǎn)化效率，其工藝過(guò)程中的溫室氣體排放量也較高。因此，該工藝還遠(yuǎn)不能達(dá)到可持續(xù)性，仍需配置額外碳捕捉（CCUS）裝置對(duì)其進(jìn)行額外的減排處理。

鋼鐵行業(yè)氫冶金必然要有大規(guī)模、低成本環(huán)境友好型的氫氣來(lái)支撐。世界鋼鐵聯(lián)合會(huì)和國(guó)際能源署于2020年10月聯(lián)合發(fā)布了鋼鐵行業(yè)技術(shù)路線圖，認(rèn)為采用100%純氫直接還原工藝是鋼鐵行業(yè)氫冶金的一個(gè)重要發(fā)展方向［1］。氫氣具有能量密度高、產(chǎn)物只有水的特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)最佳的二次能源載體。雖然氫氣可以來(lái)源于幾乎所有的能源資源，然而制氫工藝的環(huán)保效能及能源轉(zhuǎn)換效率也需要考慮到。根據(jù)H2來(lái)源的不同可以將制氫工藝路線分為兩類：一類是來(lái)源于高碳能源（化石能源）部分氧化過(guò)程的制氫工藝，主要有煤制合成氣提純制取H2、石油催化裂解提純制取H2和天然氣重整等；另一類是源于水電解制取H2。

從整個(gè)制氫用氫工藝鏈條的角度來(lái)說(shuō)，來(lái)源于化石能源的氫氣，由于其生產(chǎn)過(guò)程中仍伴隨著大量的CO2排放，仍然需要配置CCUS等裝置對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的后續(xù)處理。而來(lái)源于水電解的氫氣，根據(jù)所用電能不同，有較大的環(huán)保效應(yīng)差異：若電能來(lái)源于化石能源燃燒，考慮到發(fā)電過(guò)程排放、輸電用電過(guò)程能量轉(zhuǎn)化效能及損耗效能，不能稱為環(huán)境友好；若電能來(lái)源于水電勢(shì)能、風(fēng)能、核能、太陽(yáng)能、潮汐能和地?zé)崮?，則環(huán)保效應(yīng)增強(qiáng)。在目前的能源結(jié)構(gòu)條件下，基于可再生能源電能生產(chǎn)低碳綠氫，還不足以支撐鋼鐵行業(yè)氫冶金的發(fā)展。低碳?xì)錃獾漠a(chǎn)能仍然相對(duì)恒定，與可持續(xù)發(fā)展場(chǎng)景有所偏離。因此，基于可再生能源的綠色氫氣的規(guī)?；?、低成本化制取成了研究和探索的熱點(diǎn)［12-15］。

3 鋼鐵行業(yè)氫冶金國(guó)內(nèi)外相關(guān)項(xiàng)目

各鋼鐵公司為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，對(duì)于推進(jìn)氫冶金技術(shù)提出了各自的應(yīng)對(duì)方案。典型方案有：瑞典鋼鐵公司的HYBRIT倡議，德國(guó)的薩爾茨吉特（Salzgitter）低二氧化碳煉鋼項(xiàng)目（SALCOS），安塞樂米塔爾集團(tuán)的純氫煉鐵項(xiàng)目，韓國(guó)的POSCO核能制氫及DRI項(xiàng)目，奧鋼聯(lián)的H2FUTURE項(xiàng)目，我國(guó)河北鋼鐵集團(tuán)的直接還原鐵項(xiàng)目、中晉太行礦業(yè)有限公司的焦?fàn)t煤氣富氫豎爐直接還原鐵項(xiàng)目等。

HYBRIT倡議由瑞典鋼鐵公司聯(lián)合瑞典國(guó)有鐵礦石公司和瑞典大瀑布電力公司在2016年提出。初期采用氣基豎爐直接還原鐵加電爐模式，并采用電解水制氫［16］。目標(biāo)是到2035年擁有一個(gè)完全沒有化石燃料的鋼鐵生產(chǎn)流程。其前期的可行性研究結(jié)果表明，在今天的電價(jià)、煤炭和二氧化碳排放量的情況下，非化石燃料鋼鐵價(jià)格將會(huì)高出20%～30%。然而，隨著非化石能源電價(jià)的降低以及歐洲碳排放交易系統(tǒng)二氧化碳排放成本的增高，將來(lái)非化石燃料鋼鐵可以在市場(chǎng)上和傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)品相競(jìng)爭(zhēng)。

SALCOS項(xiàng)目［17］的第一階段是對(duì)原有的高爐-轉(zhuǎn)爐工藝進(jìn)行逐步改造，把以高爐為基礎(chǔ)的碳密集型煉鋼工藝逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝路線，爭(zhēng)取逐步將CO2排放量降低85%。第二階段，Salzgitter將基于化石能源的灰氫替換成基于可再生能源的綠氫。第三階段，氫氣既可用于直接還原鐵生產(chǎn)，也可用于鋼鐵生產(chǎn)的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。

安塞樂米塔爾集團(tuán)在其位于德國(guó)的漢堡廠進(jìn)行氫直接還原鐵礦石的項(xiàng)目研究［18］。前期將DRI整合進(jìn)其鋼鐵流程。后期陸續(xù)采用基于可再生能源的綠氫替代化石能源的灰氫，計(jì)劃建成采用純氫氣做還原劑的年產(chǎn)10萬(wàn)t的鋼鐵廠。

POSCO［19］推進(jìn)核能制氫研究和DRI技術(shù)。2015年5月，POSCO開展系統(tǒng)集成模塊化先進(jìn)反應(yīng)堆和超高溫核反應(yīng)堆技術(shù)。并計(jì)劃在2025年建成一個(gè)DRI試驗(yàn)爐。

H2FUTURE［20］是一個(gè)致力于通過(guò)可再生能源原料來(lái)生產(chǎn)綠色氫氣的項(xiàng)目。奧鋼聯(lián)和奧地利K1-MET中心組將通過(guò)整合天然氣基DRI與傳統(tǒng)長(zhǎng)流程煉鋼來(lái)降低鋼鐵工業(yè)碳排放。隨后，計(jì)劃整合純氫DRI與電爐煉鋼。

河北鋼鐵集團(tuán)［21］在2020年11月與意大利特諾恩集團(tuán)（TENOVA）正式簽約建設(shè)全球首例120萬(wàn)t規(guī)模的氫冶金示范工程。該項(xiàng)目將從分布式綠色能源、低成本制氫、焦?fàn)t煤氣凈化、氣體自重整、氫冶金、成品熱送、二氧化碳脫出等全流程進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)。

中晉太行的氣基豎爐還原鐵項(xiàng)目［22］是將焦?fàn)t煤氣干法重整制備還原氣工藝與德國(guó)MME公司PERED豎爐工藝進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，具有高效、節(jié)能、減排的特點(diǎn)。

為了推進(jìn)氫冶金技術(shù)，國(guó)內(nèi)成立了寶武核能冶金聯(lián)盟、酒鋼氫冶金研究院、東北大學(xué)氫能研究中心、上海大學(xué)富氫低碳冶煉模擬科學(xué)中心等機(jī)構(gòu)。

4 總結(jié)與展望

鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排，尤其是中國(guó)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排對(duì)于減少溫室氣體排放應(yīng)對(duì)全球氣候變化至關(guān)重要。推廣氫冶金技術(shù)是鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的有效途徑。

氫冶金技術(shù)主要包括引入DRI、高爐注氫、可再生能源替代化石能源、綠色氫源等。對(duì)于體量巨大的中國(guó)鋼鐵行業(yè)來(lái)說(shuō)，采用哪一種氫冶金方式最具環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)可行性？在大規(guī)模低成本環(huán)境友好型氫氣可以得到之前，利用焦?fàn)t煤氣和其他含氫工業(yè)氣體作為還原劑是合適的。

純氫直接還原鐵工藝是鋼鐵行業(yè)氫冶金的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前受制于可再生能源制取綠色氫氣技術(shù)的發(fā)展。

此外，目前對(duì)于氫氣氣氛下耐火材料服役行為的相關(guān)研究甚少，亟待推進(jìn)面向氫冶金工藝的耐火材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究。