引言

碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。碳中和看似很复杂，但概括起来就是能源供应端、能源消费端、人为固碳端“三端发力”的一个体系。

1传统高炉冶金与氢冶金的差异

氢冶金是在铁矿石的还原冶炼过程中引入氢气作为还原剂和燃料，分为富氢冶金和纯氢冶金，全氢直接还原符合短流程需求，是钢铁行业发展的重要路径。然而，与传统的高炉生产相比，氢冶金以氢气作反应媒介，送风过程需吹入大量加热的氢气，增加了冶金过程的操作难度。而传统高炉可通过热风炉传热的方式吹入空气，送风操作简单、稳定并节能。

2国内外氢冶金技术现状

21世纪人类社会将迈入氢能社会和碳中和社会，氢能对我国能源结构和消费体系产生革命性的影响，而氢冶金是高碳排放的钢铁产业实现低碳绿色化转型升级的有效途径之一。目前，氢冶金炼钢已经被应用到成熟的工业生产之中，氢冶金就是利用氢代替碳还原铁矿石生成水，不但没有CO2排放，而且反应速度极快。氢冶金主要有两种设计方案：部分使用氢气和完全使用氢气。在完全使用氢气的方案中，所有的铁元素均由氢还原，不用碳元素参与，但完全使用氢气还面临诸多挑战。我国当前的氢冶金工艺主要有高炉富氢冶炼和氢直接还原，富氢冶炼是低碳炼铁的可行技术之一，具有清洁低碳的优越性。按照常理，如果氢气炼铁真的这么绿色环保，应该迅速在全世界大力推广才对。然而迄今为止，氢能炼铁虽然已经有了一些工业化的项目，但是距离大规模应用依然差得很远。目前市场上主流制氢方法有电解水制氢、水煤气制氢及由石油热裂的合成气和天然气制氢，此外由于全球第四代核电站的推广，核能制氢也逐渐进入到人们的视野。但氢气的制取和储运成本非常高，且氢气的密度不到空气的1/15，易燃易爆，需要极其特殊的储运条件，这在很大程度上限制了氢冶金的工业化发展。在国际方面，当前德国、日本、韩国、瑞典、奥地利等产钢国分别提出了氢冶金项目，研发热点主要有富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原。富氢还原高炉炼铁项目主要有日本COURSE50、德国“以氢代煤”、韩国COOLSTAR、奥钢联H2FUTURE等；氢气竖炉直接还原项目主要有欧盟ULCOS的ULCORED新型竖炉直接还原和氢气竖炉直接还原炼钢技术、瑞典HYBRIT、德国SALCOS、MIDREXH2等。

3钢铁企业氢冶金技术产业化应用

3.1推动钢铁绿色低碳、节能降碳是关键

钢铁企业的碳排放主要来源于炼焦用煤，而焦炭用来作为高炉冶炼的还原剂。 氢气是一种清洁能源，也可作为一种还原性气体，若高炉冶炼用氢气取代焦炭，可实现无碳排放，其化学反应式如下：

碳冶金：3C+2Fe 2 O 3 == 4Fe+3CO 2

氢冶金：3H 2 +Fe 2 O 3 == 2Fe+3H 2 O

因此氢冶金是钢铁企业当前低碳发展、能源变革的重要方向，也是钢铁企业氢气推广应用的主要方向。

为推动绿色低碳，中国钢铁行业正在积极推进产能置换、超低排放、极致能效这三大钢铁工程。中国废钢不足、富煤少油缺气的资源能源禀赋，决定了钢铁工业以长流程为主的现状还将维持较长时间。因此，深入推进节能工艺装备创新与改造升级、全流程能源效益提升是钢铁工业减碳的优先选择，也是近期中国钢铁低碳转型升级的关键。钢铁行业将努力推动共性技术的协同研发、节能成熟技术的重点推广应用，实行大规模节能技术的改造升级，并将全面部署节能降碳前沿共性技术的研发创新，使绿色低碳目标更具体、更现实、更具有经济性，同时推进跨领域、跨产业的耦合提升，系统提升能源效率的水平。

3.2CO₂脱除工艺概述

竖炉还原过程中，原工艺气体中的CO会转化为CO₂，CO₂的累积将导致还原效率降低、能耗升高，设计要求CO₂体积分数一般不得超过2％。因此，需要将工艺气中的CO₂进行脱除，提高竖炉生产效率。脱除后的CO₂可继续提纯精制，制备工业级或食品级产品供下游行业使用。工业上使用的脱碳方法主要有膜分离法、变压吸附法和溶剂吸收法。膜分离法材料制造成本高，多处于实验室阶段；变压吸附法产品收率较低，设备及自动化控制要求高，吸附剂用量大；溶剂吸收法包括物理吸收、化学吸收、物理－化学吸收法，其中，ＭＤＥＡ法脱碳属于物理化学吸收法，已被应用于许多工业装置。ＭＤＥＡ对CO₂有特殊的溶解性，具有溶液稳定、工艺过程能耗低、对设备腐蚀性小等优点。

3.3流程低碳技术

传统高炉、电炉冶炼和直接还原炉是主要的钢铁生产工艺，3种冶炼工艺的优缺点如表４所示。传统高炉具有生产率高、设备成熟、可利用低品位矿生产高等级钢材等优点，但难以满足碳中和要求；电炉冶炼的CO₂排放量少，缺点是废钢原料残存杂质对高等级钢冶炼的影响大；直接还原炉的CO₂排放量较少，可以采用全氢冶金实现碳中和，缺点是利用低品位铁矿石难度较大，氢还原过程中炉温低且无解决方法，并且整套设备投资额高。

3.4实现“双碳”目标，氢冶金发展是重点和突破

以科技创新为驱动，转型发展将成为钢铁行业的突围之路。共同促进共性技术的协同研发和成熟技术的推广应用，是推进钢铁技术进步的一个重要着力点。对钢铁行业来说，碳除了可作为能源以外，还是重要的还原剂。为了减少碳在钢铁生产过程当中的使用和转换，氢冶金技术目前已成为热点和焦点。基于此，钢协提出了8项世界前沿重点低碳共性技术：富氢与全氢气直接还原技术、富氢碳循环高炉技术、氢机熔融还原技术、净零碳排电炉流程技术、钢铁近终形制造技术、高废钢比高效转炉技术、冶金渣显热回收及高效化资源利用技术、二氧化碳捕集及资源化利用技术。前3项都是涉及氢冶金技术的。因此，氢冶金或可成为绿色低碳转型的一个重要突破口。

4发展低碳冶金的技术路线

2021年，全球70.8％的粗钢采用高炉⁃转炉生产，产品包括热轧板卷、冷轧板卷、中厚板、特厚板和钢管等。根据世界钢铁动力的预测，高炉⁃转炉生产的粗钢产量将从2019年的13.55亿ｔ减少到2050年的11.24亿ｔ，降幅约为17.05％；同时，电炉钢产量将从2019年的5.18亿ｔ增加到2050年的7.63亿ｔ，增幅为32.11％。据预测，到2050年，全球高炉⁃转炉钢占比约为59.56％，在高炉⁃转炉工艺技术的基础上改造的节能技术仍是钢铁企业需要关注的重要课题，其中包括钢铁厂氢气高炉喷吹还原技术、高炉高比例球团矿冶金技术、高炉高风温富氧喷煤技术、转炉高废钢比冶金技术、高效余热余能回收等，预计能减少10％～30％的ＣＯ₂排放量。

结语

当前钢铁行业面临严峻的降碳压力，需积极推进绿色低碳技术的攻关和推广应用。随着钢铁减量化发展和流程结构的调整，低碳减排技术创新显示出了不确定性。采用氢气作为钢铁生产的燃料和还原剂是实现钢铁生产“碳中和”目标的技术措施。当前，开发从绿电电解制氢到全氢直接还原和电炉炼钢的钢铁生产模式主要是研究“绿氢”的制备和应用，该项研究还处于探索阶段，间接影响氢冶金工艺在钢铁企业的研发和应用。

参考文献

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［3］权芳民，王明华.铁矿石直接还原现状及提高质量的对策［J］.甘肃冶金，2021，43（01）：30-34.