員 曉 彭 鋒

在全球溫室氣體排放持續(xù)上升形勢下，各行業(yè)都在尋求“脫碳”發(fā)展新思路。鋼鐵工業(yè)能源消耗總量和碳排放量大，在現(xiàn)有長流程鋼鐵冶煉工藝基礎(chǔ)上進行碳減排，持續(xù)降低碳排放量難度巨大。因此，世界各國正積極研發(fā)各類“低碳”冶煉工藝，其中氫冶金成為行業(yè)研究熱點方向。

氫能作為一種清潔的二次能源，具有無污染、零碳排的特點，氫冶金是利用氫能替代部分或全部的煤焦作為還原劑，將鐵礦石還原為金屬鐵的氣基直接還原技術(shù)，可從源頭上實現(xiàn)低碳煉鐵，成為鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的新方向。該技術(shù)取消了高排放的焦炭、燒結(jié)工序，能夠?qū)崿F(xiàn)低碳甚至零碳排放，同時可降低硫化物、氮氧化物和顆粒物的排放，減少冶煉過程固體廢棄物的產(chǎn)生，達到清潔生產(chǎn)目標。

鋼鐵工業(yè)發(fā)展氫冶金技術(shù)，必須以成熟穩(wěn)定、規(guī)模化、低成本的制氫技術(shù)為基礎(chǔ)，且制氫過程應降低碳排放量。目前已應用的制氫工藝包括天然氣制氫、煤制氫、電解水制氫和工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，氫氣產(chǎn)品主要用于合成氨、合成甲醇、石油煉化行業(yè)，氫氣用于鋼鐵工業(yè)正處于研發(fā)起步階段。

一、我國氫能資源現(xiàn)狀及制氫分析

(一)我國氫能資源生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

據(jù)初步統(tǒng)計，2019年我國氫氣產(chǎn)量已超過2000萬噸，全球氫氣產(chǎn)量在6200萬噸左右，占到全球產(chǎn)量的將近三分一，已成為世界第一產(chǎn)氫大國，為開發(fā)利用新能源、加快步入氫能經(jīng)濟時代創(chuàng)造了有利條件。各制氫技術(shù)氫氣產(chǎn)量占比見圖1。從結(jié)構(gòu)上分析，我國70%以上氫氣制取依靠煤炭、天然氣、石油等化石能源，其中制氫過程造成碳排放量大；工業(yè)副產(chǎn)氣制氫比例為25%，主要包括焦化和氯堿生產(chǎn)過程的副產(chǎn)氣制氫；由于電解水制氫和新型制氫技術(shù)成熟度低以及成本較高的原因，電解水制氫比例只占到1%左右 。

圖1 各制氫技術(shù)氫氣產(chǎn)量占比

我國擁有豐富廉價的煤炭資源，有力支撐了煤制氫技術(shù)的發(fā)展，但同時制氫過程產(chǎn)生大量的CO2，以煤制氫-氫冶金的工藝流程只是將冶金過程的碳排放遷移至制氫過程，只有將制氫過程CO2進行碳捕集和封存（CCS），才能實現(xiàn)減排目標。

2019年我國天然氣表觀消費量為3100億立方米，而國內(nèi)產(chǎn)量為1736億立方米，年進口量超過1342億立方米，對外依存度達到43%。現(xiàn)階段我國天然氣資源短缺的現(xiàn)狀仍未改變，限制了我國發(fā)展氣基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)，難以保障我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展氫冶金對天然氣資源的需求。同時天然氣價格高，導致制氫成本較高，鋼鐵產(chǎn)品成本競爭力低。

近幾年我國焦炭年產(chǎn)量達到4.5億噸，按通常生產(chǎn)1噸焦炭產(chǎn)生430立方米焦爐煤氣，我國焦爐煤氣年產(chǎn)量達1900億立方米，若全部焦爐煤氣采用蒸汽重整工藝，預計年產(chǎn)氫氣規(guī)?？蛇_到2000萬噸以上。目前，我國焦爐煤氣主要用于企業(yè)生產(chǎn)用燃料、合成氨、制甲醇等方向。利用副產(chǎn)焦爐煤氣制氫，發(fā)展氫冶金技術(shù)成為鋼鐵企業(yè)重要路徑。

(二)工業(yè)制氫技術(shù)經(jīng)濟性分析

我國工業(yè)領(lǐng)域制氫工藝主要有天然氣制氫、煤制氫、電解水制氫和工業(yè)副產(chǎn)氣制氫四種工藝，由于原燃料、能源消耗、價格及生產(chǎn)工藝不同，導致生產(chǎn)成本差異較大。見表1。

根據(jù)我國煤炭資源豐富、天然氣資源緊缺、電力成本高的特點，煤制氫在規(guī)?；统杀旧暇哂休^大優(yōu)勢，但同時在生產(chǎn)過程碳排放較大和高污水排放，因此，以煤制氫得到的氫能源為“黑氫”，在環(huán)保上無優(yōu)勢。天然氣制氫成本主要受原料價格波動影響，由于我國天然氣資源緊缺，價格高達3元/立方米-4元/立方米，在制氫規(guī)模和制氫成本上均不具備優(yōu)勢。

工業(yè)副產(chǎn)氫具有產(chǎn)量大、經(jīng)濟性好、分布廣特性，生產(chǎn)主要集中在焦化、氯堿等行業(yè)，最常用的是變壓吸附技術(shù)(PSA)進行提純，產(chǎn)品氫一般按GB/T 3634.1—2006《氫氣 第1部分 工業(yè)氫》國家標準要求純度執(zhí)行，若生產(chǎn)的氫用于冶金，可進一步放寬純度和CO、CO2、CH4、H2O等雜質(zhì)含量要求，以降低制氫成本。見表2。

利用可再生能源電解制氫是清潔化、無污染的制氫路線，但我國65%以上電力為燃煤生產(chǎn)的，按每生產(chǎn)1立方米常溫常壓氫氣需要消耗電能大約5千瓦·時-5.5千瓦·時，大工業(yè)平均電價 0.6元/（千瓦·時）計算，則制氫成本約為3.4元/立方米，成本遠高于其他制氫方式。電解制氫受限于裝備生產(chǎn)能力，迄今單臺生產(chǎn)能力小于1200立方米/小時，無法適應規(guī)?；苯鹕a(chǎn)。

二、發(fā)展氫冶金對資源環(huán)境影響分析

(一)能耗及碳排放對比分析

對比BF-BOF長流程、NG-DR-EAF、全氫冶金HYBRIT三種工藝能耗數(shù)據(jù)，對比分析均以配比25%廢鋼進行轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉為基準。其中BF-BOF為高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝，NG-DR-EAF為以天然氣為還原氣的直接還原豎爐聯(lián)合電弧爐生產(chǎn)工藝，消耗電能為化石能源發(fā)電，全氫冶金HYBRIT工藝是以可再生能源電解制氫，采用直接還原豎爐聯(lián)合電弧爐生產(chǎn)工藝。見圖2。

圖2 三種工藝流程能耗對比 千克標煤/噸粗鋼

表1 不同制氫路線制氫成本和規(guī)模分析 元/m3

表2 工業(yè)氫與ENERGIRON工藝氣體成分對比（體積分數(shù)） %

對比BF-BOF長流程、NG-DR-EAF、全氫冶金HYBRIT三種工藝CO2排放數(shù)據(jù)，三種生產(chǎn)流程中，以天然氣為還原氣的直接還原豎爐聯(lián)合電弧爐生產(chǎn)工藝能耗最高為523千克標煤/噸粗鋼，主要是電弧爐冶煉消耗大量電能，其比例占到總能耗的37.2%，該部分電能為化石燃料發(fā)電，導致整體工藝能耗較高。若電弧爐冶煉進一步提高廢鋼比至70%，而直接還原鐵占比降至30%，工藝能耗可降低至326千克標煤/噸粗鋼。HYBRIT工藝能耗為490千克標煤/噸粗鋼（以可再生能源發(fā)電效率80%計算當量值），該工藝采用電解水制氫，制氫過程電耗較高，占到總電耗的64%。三種工藝中，應用最廣泛的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程噸粗鋼CO2排放量最高，總計達到1876千克，其中約1700千克碳排放是工序直接產(chǎn)生的。全氫冶金HYBRIT工藝噸粗鋼CO2排放量最低為25千克，分別為煅燒石灰石和電弧爐冶煉的碳排放量。見圖3。

圖3 三種工藝流程CO2排放對比 千克/噸粗鋼

(二)大氣污染物排放對比分析

2019年4月，國家生態(tài)環(huán)境部五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進實施鋼鐵鋼業(yè)超低排放的意見》，以推進鋼鐵企業(yè)的超低排放工作，促進鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展。我國鋼鐵企業(yè)多采用長流程生產(chǎn)工藝，涉及焦炭生產(chǎn)、鐵礦石燒結(jié)、高爐冶煉等工藝，生產(chǎn)流程長、工藝復雜，尤其焦化和燒結(jié)工序，污染物排放量大，其中對環(huán)境影響較大的污染物包括顆粒物、SO2、NOx。

1.燒結(jié)球團工序?qū)Ρ?/p>

在顆粒物、SO2和NOx污染物排放方面，由于球團工序噸產(chǎn)品顆粒物排放為燒結(jié)工序的20%，SO2排放為燒結(jié)工序的35%，NOx排放為燒結(jié)工序的50%，在兩種生產(chǎn)工藝中，豎爐直接還原工藝噸鐵球團礦消耗量為1.45噸，而高爐長流程工藝以爐料結(jié)構(gòu)75%燒結(jié)礦、15%球團、10%塊礦計算，噸鐵消耗燒結(jié)礦為1.2噸、球團0.24噸、塊礦0.16噸。綜合計算，在原料獲取上，基于高品位球團礦為原料的豎爐直接還原工藝顆粒物、SO2和NOx排放上是高爐長流程的23%、40%和55%。因此采用氫冶金的豎爐直接還原工藝更具有環(huán)保優(yōu)勢，可以有效緩解國內(nèi)鋼鐵行業(yè)高污染物排放現(xiàn)狀。

2.高爐、豎爐工序?qū)Ρ?/p>

高爐冶煉工藝以焦炭和煤粉為燃料，隨著我國優(yōu)質(zhì)低硫煤資源減少，鋼鐵企業(yè)使用煤焦含硫量不斷升高，高爐煤氣中硫含量相應增加，導致后端用戶燒結(jié)、軋鋼、高爐熱風爐、發(fā)電等工序排放壓力大。2019年全國重點鋼鐵企業(yè)入爐焦比394.7千克/噸，噴煤比140.3千克/噸，以一級冶金焦炭硫含量0.7%、噴吹煤硫含量0.6%計算，噸鐵水燃料帶入硫總量為3.6千克，其中進入煤氣中硫為0.18千克，折合SO2為0.36千克。采用氫冶金的豎爐直接還原工藝以精脫硫的天然氣、富氫氣體或工業(yè)純氫為原料氣，其總硫含量小于0.1×10-4%，遠遠低于高爐冶煉硫排放。

高爐工序NOx排放主要源于熱風爐加熱過程，豎爐直接還原工序NOx排放來自天然氣轉(zhuǎn)化爐或氫氣加熱爐。參考《工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》，高爐冶煉工序噸鐵NOx排放量為0.19千克，豎爐直接還原工序噸鐵NOx排放量為0.15千克，豎爐工序比高爐工序的減少排放21%。

（三）固廢排放量對比分析

高爐—轉(zhuǎn)爐流程以綜合品位為56%-59%的礦石為原料，以焦炭和煤粉為燃料，冶煉過程中礦石雜質(zhì)及焦炭、煤粉灰分進入爐渣中，為合理造渣脫硫加入石灰石、白云石等熔劑，導致高爐渣量大。2018年重點鋼鐵企業(yè)噸鐵渣量平均水平為340 千克，轉(zhuǎn)爐工序噸鋼鋼渣量平均水平為123千克。

采用全氫或富氫氣體為還原劑的豎爐直接還原技術(shù)，以高品位鐵精礦（TFe＞67%）為原料，不僅可從源頭上減少礦石雜質(zhì)帶入量，而且可避免燃料帶入的硫、磷、灰分導致的冶煉過程大量爐渣排放。對比分析了高爐—轉(zhuǎn)爐流程與氣基豎爐—電爐流程噸鋼冶煉渣產(chǎn)生量，可見采用全氫或富氫氣體的豎爐—電爐流程，噸鋼冶煉渣產(chǎn)生量為120千克-130千克，只占到高爐—轉(zhuǎn)爐流程的噸粗鋼冶煉渣量的29%-32%，固廢減排優(yōu)勢顯著。見表3。

傳統(tǒng)高爐—轉(zhuǎn)爐流程中高爐干法灰、燒結(jié)電廠灰因含較高K、Na、Zn等有害元素，限制其作為配料返回燒結(jié)，部分企業(yè)通過磁選、濕法浸出、回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐等工藝技術(shù)來實現(xiàn)資源利用，不僅增加裝備投資，而且增加相應工藝處理能耗、水耗和酸堿消耗。基于氫冶金的豎爐直接還原技術(shù)采用濕法除塵，豎爐本身爐頂氣中粉塵不含K、Na、Zn等有害元素，經(jīng)水洗后的含鐵污泥可直接回用至球團生產(chǎn)工序，屬于清潔生產(chǎn)冶煉技術(shù)。

表3 高爐—轉(zhuǎn)爐流程與氫基豎爐—電爐流程噸粗鋼冶煉渣量對比 kg

三、對我國發(fā)展氫冶金技術(shù)的幾點建議

1. 全氫冶金技術(shù)發(fā)展路線，提倡以目前成熟工業(yè)化應用的氣基豎爐直接還原技術(shù)為突破方向，開展全氫冶煉工藝研究實踐，探索全氫冶煉條件下的還原反應熱力學和動力學。在現(xiàn)有電解水制氫及核能制氫技術(shù)不成熟情況下，短期內(nèi)應以焦化、化工等副產(chǎn)氣制氫為路徑，推進化工與冶金的耦合生產(chǎn)，提升工業(yè)副產(chǎn)氫在冶金領(lǐng)域應用比例，解決我國發(fā)展氫冶金技術(shù)面臨氫資源匱乏、成本高等困境。遠期氫冶金發(fā)展仍以可再生能源發(fā)電-電解水高效制氫為重點，實現(xiàn)氫能生產(chǎn)的綠色低碳化。

2. 國內(nèi)已有多家鋼鐵企業(yè)開發(fā)應用高爐噴吹焦爐煤氣工藝，并取得了一定減排效果。但高爐噴吹富氫氣體，H2只是在高爐上部參與間接還原，在高爐中還原利用率最大為25%，其余75%氫氣進入高爐煤氣，煤氣中氫能高效利用與回收成為未來應用的研究重點。

3. 針對我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展氫冶金的趨勢，國家應盡早出臺適用于鋼鐵行業(yè)的氫能產(chǎn)業(yè)和氫冶金規(guī)劃，制定氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略、技術(shù)路線及產(chǎn)業(yè)鼓勵政策，地方政府根據(jù)區(qū)域資源優(yōu)勢，開展氫冶金產(chǎn)業(yè)區(qū)域規(guī)劃、園區(qū)規(guī)劃，在條件具備的地區(qū)積極推進氫冶金的產(chǎn)業(yè)化。制氫技術(shù)裝備企業(yè)應加強與冶金裝備企業(yè)合作，依托工業(yè)副產(chǎn)氣制氫和電解水制氫工藝，開展適用于鋼鐵行業(yè)的大規(guī)模、低成本制氫技術(shù)裝備研發(fā)，實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)。冶金裝備企業(yè)聯(lián)合國外氫冶金工藝裝備企業(yè)形成合作，依托科研院所技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)，發(fā)揮資源整合優(yōu)勢，引進消化吸收氫冶煉技術(shù)裝備，完成成套裝備開發(fā)工作。鋼鐵企業(yè)結(jié)合自身及外部氫資源環(huán)境，在焦爐煤氣和工業(yè)副產(chǎn)氫充足的地區(qū)，與化工企業(yè)合作推進氫冶金項目規(guī)劃落地。同時，組織專業(yè)技術(shù)人員認真學習國內(nèi)外氫冶金經(jīng)驗，積極開展相關(guān)研究工作。鋼鐵企業(yè)應依托行業(yè)權(quán)威咨詢機構(gòu)，加快制定企業(yè)氫冶金戰(zhàn)略規(guī)劃，在投資項目實施前，開展相關(guān)技術(shù)調(diào)研、政策市場分析、能源評估等工作，規(guī)避投資風險。

參考文獻(略)