点火开炉！宝钢富氢碳循环高炉三阶段启动，氢在钢铁行业有哪些应用？
7月6日，全球钢铁冶金绿色低碳三期试验及应用项目——富氢碳循环高炉共享试验平台开炉点火仪式在八钢举行。
富氢碳循环高炉是指在传统冶金工艺中以氢代碳，大幅度减少钢铁冶金流程的温室气体排放，直至实现钢铁冶金生产过程的碳中和。
“富氢碳循环高炉”的前身，是八钢430立方米高炉。这是一座为新疆钢铁工业发展立下汗马功劳的功勋高炉，其优异的全烟煤喷煤比指标一度全国领先。中国宝武重组八钢后，新建了两座2500立方米高炉。2014年，430立方米高炉功成身退。随着中国宝武绿色低碳发展步伐的加速，2020年，这座高炉有了一个全新的使命和定位——全球首家低碳冶金创新实验基地，要通过技术升级改造，打造具备全氧冶炼、富氢、炉顶煤气脱二氧化碳煤气自循环喷吹等功能的低碳化高炉。整个项目试验成功后，不仅能大幅度提高冶炼利用系数，还可以减少30%的二氧化碳排放。
据炉长田宝山介绍，这座高炉仅一阶段试验项目就投入了1.5亿元。“富氢碳循环高炉”的低碳冶炼试验分3个阶段。
一阶段工业试验2020年7月启动，2020年10月，富氢碳循环高炉突破传统高炉富氧极限，达到鼓风含氧35%的一期实验目标。
二阶段试验工程2021年2月底动工。工程引入欧冶炉脱除二氧化碳的还原煤气和富氢焦炉煤气，打通煤气循环工艺流程，实现鼓风氧含量50%的超高富氧冶炼和氢冶金冶炼探索。2021年6月，富氢碳循环高炉完成欧冶炉脱碳煤气喷吹，成为全球首座喷吹脱碳煤气的高炉
三阶段试验工程将利用还原煤气加热循环技术，实现全氧冶炼。2022年7月6日点火开炉，试验正式开始。
2021年1月，中国宝武发布了碳减排路线图——2023年力争实现碳达峰，2025年具备减碳30%的工艺技术能力，2035年力争实现减碳30%，2050年力争实现碳中和。“这是中国钢铁对全世界的一次庄严承诺。”袁万能说。中国宝武2025年要具备减碳30%的工艺技术能力，很大程度上就是指“富氢碳循环高炉”实现真正意义上的全氧和富氢冶炼。
中国钢铁产量占世界总产量的一半以上，随着全球“碳达峰”“碳中和”的推进，钢铁行业面临着巨大的低碳发展挑战。氢能被认为一种低碳能源，“以氢代碳”是实现源头降碳和流程低碳转型的重要途径之一，近两年氢在钢铁行业的应用出现高潮。
图源乌海广播电视台
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氢冶金
传统的高炉炼铁是以煤炭为基础的冶炼方式，碳排放占总排放量的70%左右，而氢冶金是通过使用氢气代替碳在冶金过程中的还原作用，从而实现源头降碳。根据氢气的应用对象不同，可将氢冶金技术分为高炉氢冶金和非高炉氢冶金2个大类。
（1）高炉氢冶金
高炉氢冶金是指通过在高炉中喷吹氢气或富氢气体（焦炉煤气、天然气等）、替代部分碳还原反应所实现的“部分氢冶金”。高炉喷氢具有加速间接还原反应，提高生产率和铁水质量，降低燃料比、焦比和渣量等优势，但相关的反应机理等理论研究还不充分，存在高炉温度分布不均等问题。
宝武集团八钢公司开展富氢碳循环高炉技术试验，将经过脱碳处理的欧冶炉煤气接入富氢碳循环高炉，实现脱碳煤气循环利用，吨铁燃料比下降45kg。
日本COURSE 50项目通过富氢高炉还原与CO2捕集回收实现高炉的碳减排。
德国蒂森克虏伯氢基炼铁项目进行高炉喷氢试验，表明吨铁消耗氢气量为11.7kg，可使CO2减排19%。
据世界能源署统计，全球炼铁高炉平均炉龄仅为13年左右，而典型高炉的使用年限为30~40年，在未来很长一段时间内，全球范围内仍以高炉炼铁工艺为主流，因此探索富氢喷吹等低碳高炉冶金技术将是过渡期内重要的研发方向。
（2）非高炉氢冶金
非高炉氢冶金技术主要分为竖炉法、流化床法、熔融还原法3种冶炼工艺，以气基竖炉法为主流，其中采用MIDREX、HYL工艺的直接还原铁（DRI）产量分别占全球总产量的60.9%、13.2%（2019年）。
MIDREX、HYL是气基竖炉的两大代表性技术，目前世界上正在运行的以天然气或煤制合成气生产DRI的MIDREX、HYL竖炉的入炉煤气的氢气体积分数可达55%~80%。
MIDREX竖炉为逆流式移动床反应器，从上而下包括进料口、排气口、还原段、冷却段、出料口等部分，铁矿石和还原气分别从顶部和中部投入，逆流接触进行还原反应，直接还原铁成品在冷却段通过冷却气冷却、渗碳后从出料口排出，经过还原反应的还原气在炉顶排气口排出，称为炉顶煤气，经过净化后与原料气混合循环利用。还原气的主要成分为CO和H2，总比例约为95%，V(H2)/V(CO)为1.5~1.8，由天然气或焦炉煤气与循环利用的炉顶煤气重整制得，分别称为MIDREXNG和MIDREXCOL工艺。
HYL工艺由HYLSA公司研发，自20世纪50年代开发应用以来，经历了HYLⅠ到HYLⅢ的工艺迭代。HYL-Ⅲ竖炉同属逆流式移动床反应器，结构和反应过程与MIDREX整体类似，其还原气采用天然气水蒸气重整制得，V(H2)/V(CO)为3~4，氢气比例更高。后又在HYL-Ⅲ基础上，通过工艺改进取消了天然气水蒸气重整设备，直接使用天然气、焦炉煤气与炉顶煤气混合作为还原气加入竖炉，形成了HYL ZR/NERGIRON零重整技术。
现阶段，氢冶金技术的氢气主要来源于煤，整体减碳能力有限。以MIDREX H2氢冶金工艺（90%氢气还原）为例，氢还原消耗指标约为550m3(H2)/t(DRI)，如果实现全绿氢冶金，百万吨级氢冶金工程绿氢的需求量约为6.3万m3/h，需要大规模的稳定绿氢制备技术保障。
中国竖炉氢冶金技术还刚刚处于起步阶段，同时受氢气制备和储运、高品质精矿等条件制约，距离实现大规模应用和全生命周期深度降碳仍有一定距离，需进行大量研究。国内河钢集团、宝武集团、鞍钢集团、酒钢集团、建龙集团、中晋太行等大型钢铁企业已经在开展应用尝试和探索，其将有力推动中国非高炉氢冶金技术的发展。国内部分钢铁企业非高炉氢冶金应用和探索情况见下图。
图 国内部分钢铁企业非高炉氢冶金应用和探索情况
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氢气燃料
目前钢铁行业气态燃料类型主要为副产煤气和天然气，应用于高炉热风炉、球团、烧结机点火、轧钢和产品线加热炉等各工序的加热过程。如不考虑燃烧效率、氢气纯度等条件，单从热值单价（产生单位热量需投入的成本）方面考虑使用氢气作为燃料的经济性，则不同燃料经济性的对比见下图。
当氢气单价为13元/kg时，热值单价介于焦炉煤气和天然气之间，可认为与传统能源供热成本相当。但当前氢气的制备、储运成本要远高于13元/kg，作为燃料使用不具备性价比优势，因此在长流程钢铁冶炼过程中使用氢气替代传统燃料会付出更高的成本。
但在行业低碳发展的推动下，也有相关的研究展开，如通过对烧结中上层混合料采用富氢燃气喷加耦合固体燃料供热，实现了清洁能源介质替换和料层内不同高度位置单元的个性化供热，达到了节能降碳的效果。由于氢气燃烧后无需额外的碳捕集来控制温室气体排放，因此未来在低碳发展方面有更多的优势。
在氢冶金过程中的氢气还原为吸热反应，如采用过量氢气补热，则整体成本将更高；而使用焦炉煤气，通过控制合理的H2、CH4、CO比例，实现氢冶金过程的热平衡，则是降低能源成本一种有效路径。以气基竖炉氢冶金为核心的短流程模式下，焦炉煤气等传统优质燃料可能无法获得，使用氢气作为轧钢、产品线等后续工序的加热燃料，在实现流程深度降碳方面具有更大的意义。
氢在钢铁行业可应用于氢冶金、燃料等多个方面，以氢冶金规模最大。在未来很长一段时间内，世界钢铁生产仍将以高炉-转炉长流程工艺为主流，作为过渡，一方面应通过采用富氢高炉等低碳炼铁技术来削减传统长流程工艺的碳排放强度，另一方面可不断开发和应用气基竖炉氢冶金等技术来替代传统高炉产能。
当前，结合中国多煤少气的能源特点，应充分利用好钢焦联合企业副产的焦炉煤气，把焦炉煤气作为氢冶金的氢源加以充分利用，最大化地降低铁前碳排放。后续，在国内大规模的氢气制备技术和供应技术成熟以后，逐步降低焦炉煤气比例直至退出，引入更加“绿色”的低碳氢，有序地向低碳绿色氢冶金短流程炼钢工艺过渡是钢铁工业未来发展的方向。
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编辑：戴戴联系邮箱：daixinxin@acmi.org.cn
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