氫冶金在我國鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展中的作用及意義

季愛兵 巨世峰

摘要：本文介紹了氫冶金的定義和環(huán)保優(yōu)勢，并指出了未來我國鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)“低碳”發(fā)展的意義和作用，簡單分析了我國未來“氫冶金”發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：氫冶金;低碳發(fā)展;干重整

一、概述

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年我國粗鋼產(chǎn)量10.53億噸、鋼材產(chǎn)量13.2489億噸、生鐵產(chǎn)量8.8752億噸[1];均超過世界鋼鐵產(chǎn)能的50%以上。我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)（以長流程為主）的整個(gè)生產(chǎn)過程中均伴有CO2的排放;鋼鐵行業(yè)是碳排放的重要領(lǐng)域（約占7-9%），鋼鐵行業(yè)低碳減排對(duì)我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的目標(biāo)至關(guān)重要。

我國鋼鐵行業(yè)的低碳發(fā)展不僅為我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)至關(guān)重要，而且對(duì)全球?qū)崿F(xiàn)“碳中和”目標(biāo)舉足輕重。

二、我國鋼鐵行業(yè)現(xiàn)狀

目前我國鋼鐵行業(yè)的工藝流程以長流程冶煉為主，約占總產(chǎn)能的90%以上，相對(duì)于國外幾個(gè)發(fā)達(dá)國家，短流程冶煉工序需進(jìn)一步鼓勵(lì)和發(fā)展。

我國長流程冶煉工藝存在的問題：

依賴焦炭：占煉鐵成本 35%以上;

礦石進(jìn)口： 對(duì)外依存度 90%以上;

能 耗 高：鋼鐵能耗占全國總能耗15%，煉鐵工序能耗占鋼鐵全流程 69.7%;

污染嚴(yán)重：鋼鐵污染物排放占工業(yè)總排放 45.8%，煉鐵工序占鋼鐵全流程CO2排放 73.1%。

鋼鐵工業(yè)低碳發(fā)展是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的客觀需要，也是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。低碳轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手，制定務(wù)實(shí)的低碳發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，同時(shí)把握綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展下的新機(jī)遇，通過低碳轉(zhuǎn)型，為鋼鐵企業(yè)贏得更廣闊的發(fā)展空間。

三、“氫冶金”在我國鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的作用

氫能作為新興的戰(zhàn)略能源，具有零污染、零排放的優(yōu)勢，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗籟4]。氫冶金通常是指入爐還原氣含氫量大于55%條件下還原鐵礦石生產(chǎn)DRI的以氣基豎爐直接還原為主要代表的非高爐煉鐵工藝;在全球低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和“脫碳”大潮的背景下，以減少碳足跡、降低碳排放為中心的冶金工藝技術(shù)變革，業(yè)已成為鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的新趨勢;以“氫”代替“碳”是當(dāng)前低碳發(fā)展、能源變革的重要方向，也被認(rèn)為是鋼鐵行業(yè)綠色化的主要抓手。

氫冶金具有以下優(yōu)勢：（1）反應(yīng)速率快。H2作為還原氣，具有傳質(zhì)速率快、抗粘結(jié)性良好、速率常數(shù)大和還原產(chǎn)物綠色的優(yōu)勢。在高溫條件下，H2的還原能力高于CO還原能力，且反應(yīng)平衡濃度低于CO，在相同溫度下，還原氣氛中H2含量越高，還原反應(yīng)速率越大。（2）產(chǎn)品清潔。從熱力學(xué)看，除鐵之外其他元素很難被氫還原，為純凈鋼生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。且氫還原不使用固體還原劑，帶入的P、S等少，煉鋼過程雜質(zhì)少。（3）環(huán)境負(fù)荷小。氫冶金的產(chǎn)物為水，不僅可減少甚至避免CO2對(duì)大氣污染，且還原產(chǎn)物易于脫除，能源和水資源可循環(huán)利用。

根據(jù)我國的“氫冶金”發(fā)展趨勢以及富裕的焦?fàn)t煤氣量綜合測算，我國近期可實(shí)現(xiàn)“氫冶金+電爐流程”的產(chǎn)量10000萬噸/年，每年可降低CO2排放量11200萬噸。

四、中晉冶金科技有限公司“氫冶金”工藝技術(shù)簡介

中晉冶金科技有限公司位于革命老區(qū)—左權(quán)縣龍泉產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新科創(chuàng)園;項(xiàng)目采用優(yōu)質(zhì)的鐵精粉（左權(quán)-黎城鐵精礦）和焦?fàn)t煤氣（配套建設(shè)100萬噸焦化）生產(chǎn)30萬噸優(yōu)質(zhì)高純還原鐵項(xiàng)目，項(xiàng)目占地234畝，項(xiàng)目投資約7.5億元;項(xiàng)目產(chǎn)品—高純直接還原鐵是優(yōu)質(zhì)鋼、特種鋼以及高純粉末冶金的原料。

中晉冶金“氫冶金” 技術(shù)是通過消化、吸收國外氫基直接還原鐵技術(shù)后進(jìn)行自我創(chuàng)新;并根據(jù)我國國情聯(lián)合研發(fā)的焦?fàn)t煤氣干重整技術(shù)耦合（冶金+化工）而成;形成了完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)（命名為“CSDRI” 技術(shù)）。

作為全球首套焦?fàn)t煤氣干重整項(xiàng)目既是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳清潔冶煉的重要技術(shù)路徑，也是山西省焦化行業(yè)焦?fàn)t煤氣利用和鋼焦高度融合的重要產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型項(xiàng)目。

中晉冶金“氫冶金”工藝創(chuàng)新點(diǎn)：

1）100%采用焦化企業(yè)生產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣;無需天然氣等優(yōu)質(zhì)氣源。

2）采用“CO2干重整”技術(shù)生產(chǎn)還原氣（CO+H2）;有效氣體成分（H2+CO≥90%），H2/CO=1.2-2.0，可有效的調(diào)節(jié)豎爐所需工藝氣中的H2/CO比;相對(duì)于傳統(tǒng)重整工藝， CO2減排70%;

3）焦?fàn)t煤氣重整爐（全國首臺(tái)套）采用自主技術(shù)的重整工藝和新型催化劑可有效控制重整反應(yīng)中積碳發(fā)生，保證了重整轉(zhuǎn)化的作業(yè)率。

4）本項(xiàng)目100%采用國內(nèi)自產(chǎn)鐵精粉和項(xiàng)目自產(chǎn)球團(tuán)，打破了對(duì)國外鐵礦資源的依賴。

5）豎爐密封采用重整爐的煙氣，既能增加爐頂循環(huán)氣中的CO2比例，也能節(jié)約氮?dú)?，降低生產(chǎn)成本。

6）焦?fàn)t煤氣凈化、重整和氫氣豎爐設(shè)備100%實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

7）試生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，利用干重整技術(shù)，30萬噸直接還原鐵每年減少約30萬噸CO2排放。

8） “CSDRI”氫冶金技術(shù)已獲得授權(quán)專利25項(xiàng)，受理中專利10項(xiàng)。

五、我國鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的方向

鋼鐵工業(yè)（特別是鐵前工序）低碳發(fā)展是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的客觀需要，也是我國實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。低碳轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手，制定務(wù)實(shí)的低碳發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，同時(shí)把握綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展下的新機(jī)遇，通過低碳轉(zhuǎn)型，為鋼鐵企業(yè)贏得更廣闊的發(fā)展空間已成為當(dāng)前最重要的任務(wù)。

我國鋼鐵行業(yè)將以“長、短流程”協(xié)調(diào)發(fā)展，并逐漸由“傳統(tǒng)長流程煉鋼模式”向“氫基直接還原鐵+電爐煉鋼等短流程煉鋼模式”轉(zhuǎn)型;促進(jìn)我國鋼鐵行業(yè)低碳、綠色發(fā)展，發(fā)展模式如下圖所示。

六、小結(jié)

綜上所述，未來我國“氫冶金”發(fā)展的方向：

1）鋼鐵行業(yè)將以“長、短流程”協(xié)調(diào)發(fā)展，并逐漸由“傳統(tǒng)長流程煉鋼模式”向“氫基直接還原鐵+電爐煉鋼等短流程煉鋼模式”轉(zhuǎn)型;促進(jìn)我國鋼鐵行業(yè)低碳、綠色發(fā)展;

2）未來隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，低成本制取“綠氫”、儲(chǔ)氫和加氫等關(guān)鍵技術(shù)有所突破，氫能將逐漸在我國能源生產(chǎn)中有其一席之地，氫的新能源大規(guī)模使用以及成本的快速下降，將會(huì)是我國大規(guī)模發(fā)展氫冶金工藝的最佳時(shí)期。

3）直接還原工藝將以氫基豎爐冶金工藝為主，工藝技術(shù)、核心裝備將會(huì)全面國產(chǎn)化，并形成我國100%氫基豎知識(shí)產(chǎn)權(quán);

4）直接還原鐵（HBI/HDRI）成本進(jìn)一步降低;低端產(chǎn)品代替廢鋼、中端產(chǎn)品生產(chǎn)高端鋼、高端產(chǎn)品生產(chǎn)粉末冶金、3D鐵基打印材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]《電爐鋼原料問題的再思考》翁宇慶;沙鋼集團(tuán)直接還原鐵生產(chǎn)研討會(huì)。

[2]《鋼鐵工業(yè)節(jié)能與CO2排放的現(xiàn)狀及對(duì)策分析[J]》沙高原，劉穎昊，殷瑞鈺，張春霞;冶金能源，2008（1）：3-5。