氢冶金技术发展前景分析

《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》 中对于“十四五”时期氢能产业创新应用示范工程明确表示：结合国内冶金和化工行业市场环境和产业基础，探索氢能冶金示范应用，探索开展可再生能源制氢在合成氨、甲醇、炼化、煤制油气等行业替代化石能源的示范。

氢冶金：刻不容缓

一直以来，钢铁行业都是碳排放大户。据了解，全球钢铁碳排放量占全球能源系统排放量的7%左右，其中中国占比超过60%。中国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量的15%左右，是制造业31个门类中碳排放量最大行业。

面对“碳达峰、碳中和”的重要目标，我国钢铁企业纷纷发力氢冶金。

近期，河钢集团张宣科技120万吨氢冶金示范工程一期全线贯通，该工程（以下简称河钢氢冶金示范工程）是全球首例富氢气体（焦炉煤气）零重整竖炉直接还原氢冶金示范工程，标志着我国钢铁行业由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”的转变迈出颠覆性、示范性、关键性步伐，将进一步引领传统钢铁冶金工艺变革，全面开启绿色、低碳发展新纪元。

氢冶金技术路线

与传统碳冶金相比，氢冶金以氢气为燃料和还原剂，可以使炼铁摆脱对化石能源的依赖，从源头上解决碳排放问题。

氢冶金概念最早提出于20世纪，以氢气代替碳还原铁矿石，将从源头彻底降低污染物与二氧化碳的排放量，是实现目前零碳排放的最重要的一种途径。目前主流的氢冶金技术路线为高炉富氢冶炼与气基直接还原竖炉炼铁两种技术路线。

富氢高炉炼铁技术

在富氢高炉炼铁研究方面，中国宝武已与中核基团、清华大学于2019年1月15日签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，其思路是利用核能制氢实现氢冶金，目标是基本解决炼铁燃煤限制问题，降低二氧化碳排放30%，形成宝武特有的低碳炼铁技术（见图1）。

气基直接还原技术

气基直接还原技术的发展同样引人注目。河钢集团与特诺恩于2020年11月23日签订合同，建设高科技的氢能源开发和利用工程，包括一座年产60万吨的 ENERGIRON直接还原厂，这将是全球首座使用富氢气体的直接还原铁工业化生产厂。

山西中晋科技集团于2020年12月20日宣布其氢基直接还原铁项目点火试车，标志着氢基直接还原铁项目（CSDRI）工艺正式开始工业应用阶段，CSDRI工艺如图2所示。CSDRI工艺突破了焦炉煤气改质的关键技术，包括气体转化和净化技术，特别是低压深度脱硫净化技术。

氢冶金：任重道远

2021年4月12日，国内首条氢基熔融还原高纯生铁生产线正式建成并试运行投产。该项目由内蒙古赛思普科技有限公司投资10.9亿元，历时16个月建设。此项目的投产标志着国内传统的“碳冶金”向新型的“氢冶金”转变的关键前沿技术已经被突破。

据了解，该项目实施氢基熔融还原冶炼技术，是世界钢铁工业发展的前沿技术之一，为世界首创。

虽然我国在氢冶金技术上已经略有成果，但仍然需要积极创新工艺，推动氢能冶金发展提速。目前国内部分氢能冶金技术已建成示范工程并投产，取得一定的创新突破，但示范工程尚处于工业性试验阶段，还存在基础设施不完善、相关标准空白、成本较高、安全用氢等问题。

中国作为世界上最大钢铁生产国，粗钢产量占全球粗钢产量的一半以上，钢铁行业是我国碳减排的重中之重。氢能在钢铁产业上的重大应用为摆脱化石能源提供了有效手段，为我国钢铁行业的转型提供了有效支撑。

部分内容节选自张建良等编著的《氢冶金初探》