氢冶金

成为实现钢铁产业低碳发展最重要的技术路径。氢冶金是指利用氢气生产海绵铁的气基直接还原工艺或其他富氢冶金技术。传统高炉炼铁工艺无法规避产生的二氧化碳，而氢冶金工艺以其环保零排放的特点受到越来越多的关注，碳冶金和氢冶金化学反应方程式如下：
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　　碳冶金还原剂是C，最终产物是CO2，从生产工艺上无法避免碳排放[5]。而氢冶金还原剂为H2，最终产物是H2O，不仅无污染，还可以进行二次利用，真正做到零碳排放。将氢代替碳作为高炉还原剂，可减少或完全避免钢铁生产中的碳排放，是非常重要的碳减排技术，将对钢铁产业和冶金行业生产工艺带来革命性变革[6]。从环境保护角度来看，推进氢冶金发展，进一步替代碳冶金，是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择[7]。

氢冶金技术路线
　　氢冶金是钢铁产业低碳绿色转型升级的有效途径之一，目前研发热点主要集中在富氢还原高炉工艺和氢气气基直接还原竖炉工艺。
　　2.1富氢还原高炉工艺
　　富氢还原高炉工艺即通过喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体参与炼铁过程。相关试验表明，富氢还原高炉工艺在一定程度上能够通过加快炉料还原，从而减少碳排放[8]，但由于该工艺基于传统高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，因此氢气喷吹量存在极限值，一般认为高炉富氢还原的碳减排范围处于10%~20%之间，减排效果不够明显。富氢还原高炉工艺流程如图1所示。
　　2.2氢气气基直接还原竖炉工艺
　　气基直接还原竖炉工艺即通过使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石直接还原为铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。根据还原气氛中氢的含量，可分为富氢冶金和全氢冶金：焦炉煤气气基竖炉直接还原铁为富氢冶金，全氢冶金为100%氢气冶金。相较于富氢还原高炉工艺，气基直接还原竖炉工艺碳排放量可减少50%以上[10]。
　　对比2种工艺，富氢还原高炉减碳幅度为10%~20%，效果有限；气基直接还原竖炉工艺是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，能够从源头控制碳排放，相较于高炉富氢还原减碳幅度可达50%以上，减排潜力较大，是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径。但气基竖炉存在吸热效应强、入炉氢气量增大、生产成本升高、还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题。无论是高炉炼铁还是气基竖炉直接还原炼铁，采用氢冶金方式均有着明显的减碳作用。在世界钢铁冶金的发展中，气基竖炉还原工艺生产的铁约占钢铁产量的80%[11]，是钢铁产业和冶金行业绿色发展的主要方向。

国内外氢冶金

　　国外在氢冶金方面的应用相对较早，相关技术的开发和项目也较多，日本、德国、瑞典、奥地利等国家率先进行了大量的氢冶金技术开发和示范应用；随着国内钢铁产业和冶金行业碳排放的逐步增加

国外氢冶金
　　近年来，全球钢铁工业都在积极开展氢冶金实践。钢铁企业均制定了包括氢冶金在内的低碳冶金技术路线图，并加快研发、试验和应用，寻求工艺技术突破以实现碳中和目标[12-13]。整体上，国外氢冶金技术相对成熟。日本是最早用氢气进行炼铁尝试的国家，早在2008年日本启动了环境和谐型炼铁项目（COURSE50），最终目标是实现炼铁工艺二氧化碳排放量减少30%；随后，瑞典、奥地利、德国等欧洲国家相继开展了氢冶金项目，研发热点主要有富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原工艺。国外氢冶金代表性项目发展情况见表1，目前全球已经有多个氢冶金技术案例，并在具体实践中取得了阶段性成果。
　　3.2国内氢冶金
　　钢铁产业作为支撑我国国民经济发展的基础性产业之一，是“双碳”目标下工业绿色发展的主战场。近年来，我国陆续出台了相关政策支持并推进钢铁产业绿色低碳发展，氢冶金为重要的支持方向之一。2021年4月，工信部印发《钢铁行业产能置换实施办法》，提出退出配套烧结、焦炉、高炉等设备并建设氢冶金和Corex、Finex、HIsmelt等非高炉炼铁项目的炼铁产能，可实施等量置换；2022年1月，工信部、国家发展改革委和生态环境部联合印发《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出到2025年，氢冶金、低碳冶金等先进工艺技术取得突破进展，支持建立低碳冶金创新联盟，制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用；2022年2月，国家发展改革委、工信部、生态环境部、国家能源局联合发布《钢铁行业节能降碳改造升级实施指南》，提出重点围绕富氢冶炼、氢冶炼等低碳技术开展产业化试点示范。
　　随着氢能产业发展热度持续升温，钢铁产业成为氢能应用发展的重点方向。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，提出开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢冶金示范应用。钢铁产业开展用氢示范，相关研发、设计和配套装备制造的热情明显提升。目前，国内多个钢铁企业在氢冶金方向进行了战略布局，通过联合科研单位等方式，科学推进多种氢冶金技术生产项目试点。其中，宝武集团于2021年11月发布了《宝武集团碳中和行动方案》，公布了以富氢碳循环高炉和氢基竖炉为主要工艺路线的碳中和冶金技术路线图；河钢集团于2022年3月发布《低碳发展技术路线图》，提出低碳技术变革路径具体措施为氢冶金和CCUS技术应用。
　　目前，我国氢冶金发展尚处于起步阶段，各项技术正处于试点示范中，多家企业已将氢冶金作为发展战略进行布局，但离规模化的发展和应用仍有着很大距离。随着我国支持氢冶金发展相关政策的陆续出台和支持体系的逐步完善，以及各大企业氢冶金项目的持续推进，氢冶金将迎来快速发展并为我国钢铁产业和冶金行业节能减排做出重大贡献。
氢冶金的竞争
　　（1）钢铁冶金用氢代碳，长远看经济性可期。用氢气代替煤炭用于钢铁产业和冶金行业，工艺变换中成本占比最大是还原剂本身。经计算，生产1t生铁需要601Nm³氢气，补偿吸热反应需要67Nm³氢气，加热融化岛1600℃需要85Nm³氢气，按照75%热效率计算，生产1t生铁最终需要的氢气量为1000Nm³。而传统工艺，生产1t生铁需要300kg焦炭和200kg煤粉。按照当前的炼焦成本估算，钢铁产业用氢替代碳进行还原可接受的氢气成本为0.65元/Nm³。当前国内煤制氢成本约0.83~1.13元/Nm³，国内泰钢、鞍钢等集团利用焦炉煤气通过变压吸附和提纯后的氢气成本为1元/Nm³，该成本价格虽然大于成本平衡价格，但已较为接近，随着制氢技术不断发展，氢气价格将进一步降低，逐渐缩小与平衡成本之间的差距，因此用氢气替代煤炭作为钢铁冶金还原剂具备较大的经济性潜力
　　（2）钢铁企业氢气资源丰富。由于钢厂本身的生产需求或副产气体处理需求，大型钢铁企业均拥有独立的气体生产工厂。如沙钢集团氢气产能为1400t/a，氢气纯度达99.999%；河钢集团焦炉煤气产量达33万Nm³/h，按氢气含量55%计算，约可年产16亿Nm³氢气，氢气纯度达99.999%；宝钢集团在华东地区拥有完善的高纯氢生产和配送网络，拥有1.8万Nm³/h制氢能力及10万Nm³/h的工业氢资源。
　　从长远来看，未来用氢气替代煤炭作为还原剂进行炼钢，从成本经济性和资源便利性方面都具备较大发展潜力。