鋼鐵行業(yè)氫冶金技術中氫源問題分析

陳 健， 果晶晶

（1.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司， 河北 邢臺 054025；2.河北科技工程職業(yè)技術大學資源與環(huán)境工程系， 河北 邢臺 054035）

鋼鐵行業(yè)是碳排放量高達26 億t 的碳排放大戶，占全球總排放量的5%～6%，占中國排放量的15%[1-2]。因此，在碳達峰、碳中和背景下，進入高質量發(fā)展階段的鋼鐵行業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，需要逐漸從“減碳”過渡到“代碳”來實現(xiàn)碳減排，走零碳化的“綠色鋼鐵”道路[3]。因此，調整產業(yè)結構、開展技術改造、優(yōu)化工藝流程、開發(fā)具有顛覆性的冶金技術等勢在必行。作為一項綠色低碳革命的氫冶金技術，是以氫為還原劑來脫除鐵礦石中的氧，對鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰、碳中和意義重大。推廣氫冶金技術的關鍵在于大規(guī)模低成本制氫和氫冶金技術應用的經濟性和可操作性問題[4]。因此，本文主要探討鋼鐵行業(yè)氫冶金技術中氫的來源問題，以期為未來氫冶金技術的開發(fā)提供參考。

1 典型的氫冶金工藝

徐匡迪院士指出，鋼鐵行業(yè)要通過碳冶金→碳代替→氫冶金來真正實現(xiàn)從富氫冶煉→全氫冶煉的低碳、高效冶煉生產[5]。典型的氫冶金工藝主要有氫等離子直接煉鋼、氫熔融還原與氫直接還原等，其中占主流的是高爐富氫冶煉與氣基直接還原豎爐煉鐵兩種。第一，高爐富氫還原即向高爐內噴吹含有富氫的氣體，比如天然氣、焦爐煤氣等進行冶煉，以實現(xiàn)快速還原爐料，降低碳排放；但因噴吹氫氣量受限，使得高爐富氫還原的碳減排幅度為10%～20%，效果有限。典型的高爐富氫冶煉項目主要有：綜合焦爐改制煤氣噴吹入高爐+ 碳捕集技術的日本COURSE50、韓國COOLSTAR、德國DILLINGER，以氫代煤的德國蒂森克虜伯等。第二，氣基直接還原豎爐是利用H2、CO 混合氣體，將鐵礦石轉化為直接還原鐵，再將其投入電爐冶煉；該工藝能夠從源頭控制碳排放，減碳幅度可達50%以上，減排潛力較大；但氣基豎爐也存在著吸熱效應強、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?shù)戎T多問題。目前氣基直接還原豎爐冶煉項目主要包括瑞典的HYBRIT、歐盟的ULCORED、河北鋼鐵集團、中晉太行礦業(yè)有限公司、中國寶武鋼鐵集團有限公司、遼寧華信鋼鐵集團公司等。

2 氫氣氣源問題

鋼鐵工業(yè)生產規(guī)模巨大，規(guī)?；瘜嵤湟苯鹦枰罅康?、低成本、環(huán)境友好型且環(huán)保效能和能源轉換效率高的氫源[4]。

2.1 高碳能源（化石能源）制氫

化石能源部分氧化過程制氫工藝，主要有石油類燃料的汽轉化、裂解轉化等方法制氫。國內以煤制氫為主，煤焦化制氫與煤氣化制氫是煤制氫的兩種主要形式。煤焦化是在焦爐中生產焦炭的同時，得到副產品—焦爐煤氣，其主要成分H2（φ（H2）=59.3%）、CH4（φ（CH4）=18.8%）、CO（φ（CO）=7.8%）、H2O（φ（H2O）=6.4%）等。焦爐煤氣具有價格便宜、原料易得的優(yōu)勢，缺點是供給量和節(jié)能減排的空間有限，可作為近期氫源。煤氣化制氫則是先通過水蒸氣和煤反應制得合成氣，再將合成氣轉化成氫氣。目前利用煤制氫主要以煤的氣化制氫為主導。國外制氫主要采用天然氣制氫，天然氣因其主要成分是CH4，本身就含有氫。故用天然氣制氫具有高產、低成本、碳排放少的優(yōu)勢。

但這些高碳能源（化石能源）制氫，終究無法避免排放大量的CO2的問題，制得的氫為“灰氫”或“黑氫”，仍需要輔以碳捕捉裝置進行減排，加之轉化效率問題，該工藝制氫限于中短期過渡使用，不適合長遠的氫冶金[6]。

2.2 電解水制氫

電解水制氫即用電能使水中H 與O 的結合鍵斷開，最終生成H2和O2。由于當前我國電能結構仍以煤發(fā)電占主導，仍存在CO2排放問題，故此工藝制得的亦是“灰氫”或“黑氫”，也不適合氫冶金。長遠的電解水制氫工藝需要發(fā)展以非化石燃料進行發(fā)電，來制得“藍氫”及“綠氫”。例如利用水電勢能、風能、太陽能、核能等可再生能源來發(fā)電，則無CO2排放問題，環(huán)保效應增強。但目前可再生能源的低成本、規(guī)?；a電制綠氫，有待于進一步地研發(fā)[4]。

核能、氫能均為清潔能源，應用核能制氫來開發(fā)純氫無碳冶煉技術將是未來能源生產革命性的技術之一。寶武集團已著手與中核、清華大學共同開展核能制氫- 氫冶金耦合的研發(fā)應用?？紤]到制氫的效率與溫度的緊密關系，高溫氣冷堆和非常高溫氣冷堆是耦合制氫工藝的首選[7]。

2.3 生物質制氫

生物質是能量和氫的雙重載體，亦是各種可再生能源中唯一可再生的碳源。生物質種類多種多樣，其中包括城市固體廢棄物，生活產生的污水，薪柴，農林業(yè)的殘剩物，食品與林產品加工后的下腳料，產能的能源作物等等。如此龐大的生物質資源如果被用來制氫，不僅能夠實現(xiàn)資源的有效利用，還能緩解化石資源短缺[8]。生物質制氫目前采用的不是直接制氫的形式，而是先通過熱解生物質制出生物油，再將其與水蒸氣重整來制氫氣的方法[9]。因全球生物質快速研發(fā)利用，有學者認為“生物質經濟”是繼“石化基烴經濟”后的下一個經濟形態(tài)。

2.4 廢舊輪胎制氫

近年來，由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車輪胎的消耗量與日俱增。替換下來的廢舊輪胎若處理不當，將占用大量土地資源，造成嚴重的“黑色污染”。為解決廢舊輪胎的處理問題，可將廢舊輪胎用于制氫，主要途徑有兩種：一是將廢舊輪胎熱裂解，其熱解產物進一步加工后轉化成高效催化劑，此催化劑用來提高生物質氣化制氫工業(yè)的H2產率，在降低制氫成本的同時，也對廢舊輪胎進行了資源化利用，符合可持續(xù)發(fā)展的理念[10]；二是高溫下將廢舊輪胎中與氧和水蒸汽反應制得H2和CO，從而為氫冶金提供氫源[6]。

2.5 鋼鐵行業(yè)副產制氫

利用鋼鐵行業(yè)副產品—轉爐煤氣、高爐煤氣、焦爐煤氣等來為氫冶金提供氫源。2030 年、2050 年我國鋼鐵行業(yè)氫需求分別為259 萬t、980 萬t。2030 年，氫冶金用氫需求中約92%（237 萬t）來自焦爐煤氣，剩余約8%（22 萬t）來自電解水制氫。長期來看，焦爐煤氣遠不足以支撐2050 年鋼鐵行業(yè)的用氫需求，必須大規(guī)模發(fā)展電解水制氫補充氫冶金的用氫需求[3]。

2.6 可燃冰制氫

素有“未來新能源”之稱的可燃冰，起初發(fā)現(xiàn)于20 世紀70 年代的海洋鉆探。我國可燃冰遠景儲量巨大，雖然目前在開采上存在一定的困難，但預計不久后將會被開采利用。故大力研發(fā)自產可燃冰制氫技術，亦可為鋼鐵行業(yè)提供氫源。

綜上，因技術、地域不同氫制備生產成本存在明顯差異，利用天然氣、煤制氣技術產氫、富余焦爐煤氣進行氫冶金具有低成本優(yōu)勢；電解水制氫只有在低電價和大規(guī)模高負荷下才有競爭力。隨著碳排放成本的增加和利用風電、太陽能、核電等綠色能源制氫技術裝備的發(fā)展和制備成本的降低，綠氫在鋼鐵工業(yè)的規(guī)?；瘧貌拍艹蔀楝F(xiàn)實[11]。因此，氫能發(fā)展宜分三步走：初期為“利用鋼鐵行業(yè)副產制氫+發(fā)展煤制氫+少量天然氣制氫”，限制電解水制氫；中期為可再生資源制氫；長期應著重關注以風能、太陽能、核能等低碳綠色制氫技術[12]。

3 結論

1）氫冶金是鋼鐵行業(yè)低碳高質量發(fā)展的革命性技術之一，對鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰、碳中和意義重大。

2）可通過高碳能源（化石能源）、電解水、生物質、廢舊輪胎、鋼鐵行業(yè)副產、可燃冰等多種途徑來制得氫氣，然規(guī)?；⒌统杀?、環(huán)境友好型的氫源是氫冶金發(fā)展關鍵問題。

3）氫能發(fā)展宜分步推進，著重發(fā)展可再生資源制氫，以推動鋼鐵行業(yè)高質量發(fā)展。