饒文濤 魏 煒 蔡方偉 楊建夏 李文武

寶武清潔能源有限公司

0 背景

鋼鐵業(yè)為工程和建筑提供材料，是重要的工業(yè)。但是鋼鐵業(yè)需要面對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的壓力，需要減少碳足跡，目前鋼鐵是最大的碳排放源之一，同時(shí)也比較集中，有利于集中減碳。鋼廠需要新的發(fā)展模式，把“雙碳”發(fā)展成為一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的機(jī)遇。

鋼廠每噸鋼平均排放1.85 tCO2，占全部排放的8%，鋼鐵面臨碳減排的挑戰(zhàn)，挑戰(zhàn)主要有以下3 個(gè)方面：

1）顧客的需求正在改變，對(duì)環(huán)境友好型鋼的需求在增加，大眾和豐田汽車(chē)需要從整個(gè)價(jià)值鏈減碳，這就要求鋼材供應(yīng)商減碳。

2）更嚴(yán)格的碳排放法規(guī)將出臺(tái)。

3）投資者和公眾對(duì)可持續(xù)性的興趣逐年提升，投資將增加到可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。

減碳成為提高競(jìng)爭(zhēng)力的手段，大約14%鋼鐵公司的資產(chǎn)，如果不能減碳是有風(fēng)險(xiǎn)的，主要由于碳價(jià)可能上升到100 美元/t。去碳的手段包括改造現(xiàn)有的設(shè)備，或者重建現(xiàn)有的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)去碳工藝流程。

1 氫冶金技術(shù)分析

目前，鋼廠采用多種路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)減排，比較有代表性的工藝見(jiàn)圖1。

圖1 代表性鋼鐵減碳冶煉工藝對(duì)比

BF/BOF 效率項(xiàng)目，用不同的方式減碳和提升效率，包括采用優(yōu)質(zhì)鐵礦、增加噴吹量（噴煤〈PCI，pulverized coal injection〉、天然氣、〈廢〉塑料、生物質(zhì)燃料、氫）、使用COG（富氫氣體）作為高爐燃料。

以上的技術(shù)有不同的使用條件，如采用生物質(zhì)作為還原劑，需要在生物質(zhì)供應(yīng)充足的地區(qū)，像南非和俄羅斯等地區(qū)，但像歐洲地區(qū)生物質(zhì)資源不夠充足，無(wú)法大量使用生物質(zhì)還原劑。

在鋼鐵生產(chǎn)工藝中使用綠氫的方法有兩種：

1）使用氫作為可替換的噴吹物代替PCI，提升現(xiàn)有常規(guī)高爐的減碳性能

使用PCI 工藝已很成熟，第一個(gè)使用高爐噴氫的示范項(xiàng)目已經(jīng)建好，將綠氫噴吹入爐，可實(shí)現(xiàn)減碳20%，但還是需要使用焦煤作為還原劑。

蒂森的案例：2019 年 11 月 11 日，蒂森報(bào)道了在杜伊斯堡鋼廠的高爐上噴氫的試驗(yàn)，原來(lái)的高爐碳的來(lái)源主要包括焦炭和煤粉，大約每噸鐵需要500～600 kg，其中大約300 kg 焦炭，200 kg 煤粉，反應(yīng)的原理主要是用碳脫去氧化鐵中的氧，生成鐵，同時(shí)也排放出了CO2，F(xiàn)e2O3+3CO=2Fe+3CO2。

鋼鐵業(yè)排放的CO2大約占全球的7%～9%，蒂森的試驗(yàn)主要想證明用氫作為還原劑，最后排出水蒸氣而不是CO2的可行性，F(xiàn)e2O3+3H2=2Fe+3H2O。

9號(hào)高爐共有28個(gè)風(fēng)口，實(shí)驗(yàn)時(shí)先從其中的一個(gè)風(fēng)口噴入，后續(xù)將擴(kuò)展到所有風(fēng)口，從2022年開(kāi)始在其它三個(gè)高爐上也進(jìn)行這樣的試驗(yàn)，最終可能實(shí)現(xiàn)降碳20%。

鋼鐵工業(yè)的減碳研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，探索利用噴氫來(lái)代替噴煤，以減少高爐對(duì)冶金焦炭和煤炭的需要，噴吹氣體、液態(tài)的富氫燃料進(jìn)高爐，以減少冶金焦。

2）使用氫作為生產(chǎn)DRI 的還原劑，然后DRI 用電爐煉制成鋼

DRI/EAF的工藝路線目前是使用NG作為還原劑，中東地區(qū)的NG 便宜，另外來(lái)自風(fēng)電、光伏的綠氫，結(jié)合DRI/EAF可以實(shí)現(xiàn)零碳冶金。

優(yōu)化DRI+電爐的工藝。DRI 比傳統(tǒng)工藝排放少，與電爐結(jié)合可以生產(chǎn)高品質(zhì)鋼，這需要優(yōu)質(zhì)廢鋼，但是廢鋼量有限，需要DRI 來(lái)提供原料保障。DRI 生產(chǎn)需要便宜、可用的NG，所以那些天然氣價(jià)格低的地區(qū)，如中東和北美成為了最大的DRI 生產(chǎn)地，而歐洲很少。

DRI+EAF工藝用氫。綠氫DRI工藝+EAF冶煉廢鋼的工藝，采用綠氫替代原來(lái)DRI 工藝中的化石燃料，可實(shí)現(xiàn)零碳排放。歐洲正在試驗(yàn)這種建立在氫能基礎(chǔ)上的生產(chǎn)工藝，要么使用氫作為PCI（噴煤）的替代或者使用氫基直接還原工藝。電爐鋼產(chǎn)量將增加，同時(shí)也需要更多的廢鋼和DRI，因此在歐洲采用廢鋼+DRI+EAF+H2結(jié)合的工藝可以實(shí)現(xiàn)零碳鋼，是歐洲最好的選擇。

建立在綠氫基礎(chǔ)上的DRI/EAF 工藝涉及如下幾個(gè)關(guān)鍵：

（1）綠氫的生產(chǎn)。水電解制氫需要大量的電力，綠色電力的獲取是關(guān)鍵。

（2）DRI生產(chǎn)。使用氫作為DRI生產(chǎn)的還原劑。

（3）采用EAF生產(chǎn)生鐵。利用EAF加熱DRI并液化，然后和廢鋼一起生產(chǎn)生鐵，如果使用綠電，這個(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)零碳排放。

2 支撐氫冶金的能源供應(yīng)市場(chǎng)分析

2017 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，德國(guó)年耗煤 2.5 億 t，中國(guó)40 億t，美國(guó)7 億t。煤炭原來(lái)是鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)能源，目前綠氫的價(jià)格還很高，但是會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。2030 年，綠氫會(huì)比灰氫便宜，隨著技術(shù)的發(fā)展，綠電更便宜；電解槽更便宜，電解槽價(jià)格會(huì)隨規(guī)模擴(kuò)大而下降（見(jiàn)圖2），當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模從2 MW增加到90 MW 時(shí)，電解槽效率也會(huì)進(jìn)一步提高，而藍(lán)氫價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 綠氫價(jià)格未來(lái)三十年變化的預(yù)測(cè)（2020-2050年）

另外，還要考慮碳稅的影響，歐洲已經(jīng)實(shí)行EUETS 系統(tǒng)，2019 年歐洲的碳價(jià)是 25 歐元/t，德國(guó)宣布2026年碳價(jià)為65歐元/t，2050年將達(dá)到100～150歐元/t。

對(duì)氫基DRI+EAF工藝的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，還涉及氫的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，綠電的價(jià)格要下降到0.027 歐元/kWh(0.19 元/kWh)才能讓綠氫有經(jīng)濟(jì)性。碳稅為55 歐元/t(387 元/t），綠氫價(jià)為 1 780 歐元/t，電價(jià)為0.027歐元/kWh（2030年），這樣在歐洲的純氫鋼廠可能在2030-2040年之間具有經(jīng)濟(jì)性，這時(shí)在歐洲可能會(huì)出現(xiàn)第一階段鋼廠向綠氫DRI+EAF 的更新?lián)Q代。氫基鋼廠、常規(guī)BOF 鋼廠、使用廢鋼的EAF鋼廠將共生（見(jiàn)圖3）。

圖3 建立在氫價(jià)下降、碳價(jià)上升基礎(chǔ)上的純綠氫鋼鐵冶煉的競(jìng)爭(zhēng)力分析

氫能在許多工業(yè)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，包括鋼鐵企業(yè)替代煤炭，成為一些主要化工原料的基本原料，成為高溫加熱過(guò)程中清潔能源的選擇。

分析機(jī)構(gòu)認(rèn)為，清潔氫氣（綠色氫氣）已成為實(shí)現(xiàn)全球凈零排放的關(guān)鍵支柱，有助于將全球溫室氣體排放量減少15%。目前，全球氫能政策支持正在加強(qiáng)。30個(gè)國(guó)家的氫戰(zhàn)略和路線圖承諾，在這十年中，清潔氫氣的裝機(jī)容量將比2020 年增加400 倍，并支持將綠色氫氣的年均建設(shè)速度提高50 倍。在氫氣生產(chǎn)方面，綠色氫氣發(fā)電的潛在總市場(chǎng)（TAM）可能在2030年翻一番，達(dá)到2 500億美元，到2050年TAM將達(dá)到1萬(wàn)億美元。如果我們想到2030年實(shí)現(xiàn)凈零排放，我們需要在綠色氫氣供應(yīng)鏈上投資總計(jì)5萬(wàn)億美元。

5萬(wàn)億美元投資僅為綠色氫氣直接供應(yīng)鏈的資本支出，不包括與終端市場(chǎng)（工業(yè)、交通、建筑）和綠色氫氣發(fā)電所需的電廠相關(guān)的上游資本支出。到2030 年，僅 TAM 就可能翻一番，從目前的 1 250 億美元增加到本世紀(jì)末的2 500億美元，到2050年可能達(dá)到1萬(wàn)億美元。

到2020 年底，用于綠色制氫的電解槽總裝機(jī)容量?jī)H為0.3 GW 左右，但該行業(yè)正在以驚人的速度發(fā)展。按照目前的項(xiàng)目計(jì)算，到2030年底，電解槽的總裝機(jī)容量將接近80 GW。同時(shí)，由于規(guī)模的增加和成本的通縮，到2025 年電解槽的成本將降低40%（見(jiàn)圖4），這一變化與過(guò)去五年電池成本的變化非常相似。

圖4 電解槽、電池、風(fēng)光電成本下降趨勢(shì)比價(jià)

氫氣工程管道規(guī)模將增加100 倍以上。2020年氫氣項(xiàng)目管道平均規(guī)模為2 MW。高盛（Goldman Sachs）預(yù)測(cè)到2025 年，平均規(guī)模將超過(guò)200 MW。到2025年，一些地區(qū)（氫燃料充足）的綠色氫燃料成本將與灰色氫燃料（1.5美元/kg）的價(jià)格相同，到2027 年長(zhǎng)途重型公路運(yùn)輸中的氫燃料成本將與柴油燃料價(jià)格相同。

隨著對(duì)綠氫需求的增加，對(duì)電解槽、用水量、金屬和礦產(chǎn)的需求也隨之增加。高盛預(yù)測(cè)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將導(dǎo)致全球的能源需求增加50%，每年1/3的可再生能源將用來(lái)生產(chǎn)綠氫。到2050年制氫用水的需求將達(dá)70億cm3，而電解槽和燃料電池的制造將分別使鎳和鉑的年均需求量增加5%和18%，而礦物銥的年需求量將增加數(shù)倍。

綠色氫能在全球市場(chǎng)上的發(fā)展，將影響能源供應(yīng)的地緣政治。未來(lái)全球30%的氫氣量可能涉及跨境運(yùn)輸，高于天然氣。未來(lái)四年可再生能源發(fā)電（主要由風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電組成）的投資將占中國(guó)碳減排投資的大部分（55%），可占2022 年至2025年年均名義GDP的0.6%（見(jiàn)圖5）。

圖5 可再生能源等減碳技術(shù)投資占GDP比例的變化（2021-2060年）

結(jié)合中國(guó)國(guó)內(nèi)的情況，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，發(fā)展規(guī)模化、高質(zhì)量的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電是能源轉(zhuǎn)型的一項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。到2030年，風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量需要超過(guò)1 200 GW，是2021 年的兩倍多。地方政府也制定了更積極的可再生能源投資計(jì)劃。

2025年之前，鑒于新增風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的裝機(jī)量目標(biāo)分別為271 GW 和336 GW，預(yù)計(jì)2022-2025 年可再生能源發(fā)電累計(jì)投資規(guī)模將達(dá)到3萬(wàn)億元。四年期間投資3萬(wàn)億元對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響似乎還很小，僅占年度名義GDP的0.75%。與住宅房地產(chǎn)投資相比，可再生能源發(fā)電投資僅相當(dāng)于住宅固定資產(chǎn)投資的10%左右，不足以抵消房地產(chǎn)多年下行周期對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響。雖然可再生能源發(fā)電投資的規(guī)?？赡懿蛔阋缘窒康禺a(chǎn)低迷的不利影響，但可再生能源發(fā)電投資的連鎖效應(yīng)將更接近房地產(chǎn)投資，這意味著可再生能源投資也可能通過(guò)供應(yīng)鏈效應(yīng)為其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域創(chuàng)造附加值。

也就是說(shuō)，100 元可再生能源投資將給其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域帶來(lái)82元的溢出效應(yīng)，接近100元房地產(chǎn)投資帶來(lái)的88 元溢出效應(yīng)。上游行業(yè)對(duì)應(yīng)的初始投資是連鎖效應(yīng)的最大受益者。

可再生能源投資的供應(yīng)鏈主要包括裝備制造和有色金屬，而房地產(chǎn)投資的上游行業(yè)主要涉及有色金屬產(chǎn)品和黑色金屬。如果擴(kuò)大可再生能源投資規(guī)模，其通過(guò)供應(yīng)鏈對(duì)其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的溢出效應(yīng)也將相當(dāng)可觀。

中國(guó)能源轉(zhuǎn)型總投資比2020 年增長(zhǎng)60%，進(jìn)一步鞏固了其全球領(lǐng)先地位。2021年，中國(guó)的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電量增長(zhǎng)了19%，電氣化交通也占了大部分投資。美國(guó)去年在清潔能源方面投資了1 140億美元，比2020 年增長(zhǎng)了17%。一些歐洲國(guó)家也排在前十位，德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)排在前五位，歐洲國(guó)家在能源轉(zhuǎn)型方面共投資了2 190億美元。

以下是2021 年按行業(yè)劃分的能源轉(zhuǎn)型投資明細(xì)（見(jiàn)表1）。

表1 不同行業(yè)能源轉(zhuǎn)型投資明細(xì)表

未可再生能源占2021年總投資的近50%。然而，隨著幾個(gè)國(guó)家引領(lǐng)向電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡，電氣化運(yùn)輸推動(dòng)了大部分增長(zhǎng)。隨著人們?cè)絹?lái)越相信核能可以提供可靠、無(wú)碳的電力，核能也獲得了約320億美元的投資，而對(duì)可持續(xù)材料的投資，包括回收和生物塑料，增加了一倍多。

未來(lái)隨著氫價(jià)的下降，氫能在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用量將大幅增加，以200萬(wàn)t鋼廠為例：

1）200 萬(wàn) t 鋼廠需要 8.8 TWh（4 400 kWh/t steel）的綠電，等于 300～1 100 個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。

2）供氫安全。200 萬(wàn) t 鋼廠需要綠氫 14.4 萬(wàn) t，對(duì)應(yīng)900 MW 的水電解機(jī)組，目前最大的電解槽機(jī)組是100 MW（2萬(wàn)m3/h H2）。

3）原材料。BF/BOF或DRI/EAF工藝，使用氫，增加了對(duì)DR 原料的需求，DR 供應(yīng)的安全性很重要，需要和鐵礦石供應(yīng)商合作。

4）生產(chǎn)技術(shù)。DRI/EAF工藝需要原料和能源供應(yīng)得到保障，從NG變成氫，DRI/EAF也可以生產(chǎn)出高品質(zhì)產(chǎn)品。

5）客戶愿意買(mǎi)單。考慮到鋼鐵在全球經(jīng)濟(jì)中的重要性，顧客的支持、接受度和最終的需求是氫基工藝能推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。只有顧客愿意為零碳鋼買(mǎi)單，生產(chǎn)工藝的改變才能完成。

6)碳邊界稅。

氫基鋼是歐洲鋼鐵工業(yè)重生的機(jī)會(huì)。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向是綠色、低碳、智能、高效。

3 用氫技術(shù)及裝備

制氫技術(shù)有很多種，本文不作為重點(diǎn)介紹，幾種代表性的簡(jiǎn)列見(jiàn)表2，制氫的核心零碳、安全、低成本可靠性。

表2 代表性制氫方式比較

氫氣的使用技術(shù)包括氫氣的預(yù)處理技術(shù)和氫氣的反應(yīng)器等兩大技術(shù)。

3.1 氫氣的預(yù)處理技術(shù)

當(dāng)高爐使用氫氣時(shí)，需要?dú)錃獾臏囟冗_(dá)到900 ℃以上，需要壓力達(dá)到9 kg 以上，考慮到氫氣的特性，需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的裝備對(duì)氫氣進(jìn)行預(yù)處理。

需要開(kāi)發(fā)耐高溫、高壓，耐氫腐蝕材料及換熱器，才能完成高壓氫氣的加熱（見(jiàn)圖6），目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氫氣加熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀見(jiàn)表3。

表3 氫氣加熱系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

圖6 氫氣加熱系統(tǒng)

另外，可以采用等離子加熱的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的加熱。開(kāi)發(fā)2 MW 和5 MW 兩種功率的冶金還原煤氣等離子體加熱系統(tǒng)，具備對(duì)多組分、高壓力、大流量冶金還原煤氣加熱的能力，并在400 m 33級(jí)高爐開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)研究；實(shí)現(xiàn)高爐風(fēng)口噴吹等離子體加熱后的冶金還原煤氣，等離子加熱系統(tǒng)加熱的煤氣溫度不低于1 800 ℃；驗(yàn)證等離子炬的工作壽命；形成高爐噴吹等離子體加熱煤氣工藝技術(shù)，為下一步高爐廣泛應(yīng)用等離子加熱煤氣技術(shù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 氫氣的還原反應(yīng)器技術(shù)及裝備

煉鐵的本質(zhì)是通過(guò)還原將鐵礦石進(jìn)行脫氧、通過(guò)造渣進(jìn)行渣鐵分離，其工藝離不開(kāi)還原劑和升溫兩個(gè)因素（見(jiàn)圖7）。高爐煉鐵還原和升溫所需的能源目前主要依靠的是碳，當(dāng)前高爐工藝合理的還原劑還離不開(kāi)碳，但是加熱所需要的能源可以通過(guò)清潔能源來(lái)替代，這樣高爐將可以減少或取消用于加熱升溫所需要的碳素消耗。

圖7 常規(guī)高爐原理示意圖

從高爐第二熱平衡計(jì)算結(jié)果可知，氧化物還原耗熱占全爐熱支出的34%左右，剩余66%的熱支出是滿足高爐加熱升溫的需求（見(jiàn)表4）。

表4 高爐熱平衡表

若高爐只考慮還原耗碳，則高爐極限碳素的消耗如下：

根據(jù)上述反應(yīng)方程式，還原出945 kg 金屬鐵需要消耗106 kg碳素，加上碳素，加上45 kg滲碳，每噸鐵水需要151 kg 碳素，對(duì)應(yīng)的理論極限焦比約174 kg。

以氫為還原劑的氫還原反應(yīng)器，主要是指氫氣豎爐，其涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝控制（見(jiàn)圖8 和表5）。

表5 氫氣反應(yīng)器國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

圖8 氫氣還原反應(yīng)器

3.3 高爐常規(guī)噴吹裝置

寶鋼早期大容積高爐采用“重油”噴入爐內(nèi)來(lái)減少焦炭消耗。隨著高爐熱風(fēng)溫度的不斷提高，“直接噴煤”是現(xiàn)在高爐降低焦炭使用量的重要手段，而煤粉噴槍的結(jié)構(gòu)和使用壽命是減少高爐休風(fēng)提高產(chǎn)量的關(guān)鍵。

我們現(xiàn)在制作的雙管帶彎頭煤粉噴槍?zhuān)瑥淖畛?5天使用壽命提高到現(xiàn)在的120天，達(dá)到了與高爐休風(fēng)檢修一致的預(yù)期，使得寶鋼煉鐵的煤焦比達(dá)到世界領(lǐng)先水平，噸鐵噴煤量200 kg（見(jiàn)圖9）。

圖9 噴槍一（A.B.粉煤噴槍?zhuān)?/p>

現(xiàn)在又進(jìn)行噴蘭碳粉+煤粉的試用，對(duì)噴槍提出更高要求，目前包括太鋼等均已開(kāi)始使用（見(jiàn)圖10）。

圖10 噴槍二（A.蘭炭噴槍,B粉塵噴槍?zhuān)?/p>

俄羅斯NLMK 和Cherepovets Metallurgical Combine- Severstal (CherMK)噴吹裝置，3 號(hào)高爐2 000 m3目前天然氣噴吹量120 m3/t，總焦比400 kg/t，爐頂煤氣H2含量10%～12%。Severstal 5號(hào)高爐的天然氣噴吹量為110 Nm3/t，鼓風(fēng)氧含量30%左右，燒嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

圖11 俄羅斯天然氣噴吹裝置

U. S. Steel’s Fairfield Works 的8 號(hào)高爐天然氣噴槍的直徑要求出口速度達(dá)到150 m/s，煤粉噴槍的出口速度要求達(dá)到30 m/s，燒嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12。圖13為日本研發(fā)的同類(lèi)燒嘴。

圖12 U.S.Steel’s Fairfield Works 的NG噴槍

圖13 日本研發(fā)的噴嘴

3.4 高爐噴氫裝備研發(fā)

為實(shí)現(xiàn)在高爐上噴吹氫，需要借鑒原來(lái)天然氣噴嘴的設(shè)計(jì)，對(duì)氣噴嘴進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)。天然氣通過(guò)管道從風(fēng)口水腔進(jìn)入，管道的出口孔射流與熱風(fēng)垂直或向后，出口管直徑20 mm 左右，射流出口處距風(fēng)口前端10～20 cm，沿?zé)犸L(fēng)方向，煤粉噴槍出口在氣體射流口的后端。布置要既利于天然氣和煤粉的燃燒，又要避免兩者射流的干擾，尤其不能破壞煤粉射流。按照現(xiàn)有的風(fēng)口結(jié)構(gòu)（單通道，單室），風(fēng)口、天然氣管均重新設(shè)計(jì)，同時(shí)還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬驗(yàn)證（見(jiàn)圖14）。

圖14 天然氣噴嘴改氫噴嘴示意圖

后續(xù)還可以采用NG 單噴天然氣、NG+H2復(fù)合噴吹、單噴H2三種組合工況組織噴吹實(shí)驗(yàn)。

4 氫冶金的發(fā)展路線圖

在以長(zhǎng)流程為主的中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)工藝，可以走高爐噴氫和全氫豎爐結(jié)合發(fā)展的道路，一方面通過(guò)開(kāi)發(fā)高爐用氫技術(shù)及裝備試點(diǎn)，掌握自主技術(shù)，探索減碳效果，爭(zhēng)取在常規(guī)高爐采用噴氫可以實(shí)現(xiàn)減碳20%～30%（見(jiàn)圖15），將常規(guī)高爐的一步法改為還原+熔煉的兩步法，還原全部使用綠氫，加熱全部由綠電完成，則高爐實(shí)現(xiàn)了綠電、綠氫化，實(shí)現(xiàn)了零碳。隨著氫氣價(jià)格的逐步下降，在合適的時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。另外就是開(kāi)發(fā)新的以氫為主的如豎爐這樣的新型反應(yīng)器，同時(shí)對(duì)等離子加熱實(shí)現(xiàn)加熱電氣化的核心裝備要花大力氣研發(fā)。

圖15 常規(guī)高爐噴氫

展望未來(lái)煉鐵技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)從常規(guī)高爐→富氫碳循環(huán)高爐→全綠氫全綠電爐發(fā)展［1-5］，最后通過(guò)綠氫還原，綠電加熱，實(shí)現(xiàn)全氫冶金，實(shí)現(xiàn)零碳排放（見(jiàn)圖16）。

圖16 常規(guī)高爐-富氫碳循環(huán)高爐-全氫綠電供熱零碳高爐的演變

5 結(jié)論

高爐工藝是目前最成熟的煉鐵工藝，但是其工藝是建立在碳還原和碳加熱的基礎(chǔ)上，由此成為主要的碳排放源，面對(duì)全人類(lèi)向低碳轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，高碳排放的鋼鐵業(yè)必須在原來(lái)節(jié)能減碳的基礎(chǔ)上向零碳方向轉(zhuǎn)型。綠電和綠氫是鋼鐵業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳的主要途徑，是否能轉(zhuǎn)型成功，需要建立在能源價(jià)格低廉，能源量有保障的基礎(chǔ)上，并需要相應(yīng)建立新的原料的供應(yīng)保障，這些新體系的建成，需要有政策和資金的配套，也需要鋼廠的共同努力?？傊闾寂欧攀菦Q定鋼鐵業(yè)未來(lái)生存的關(guān)鍵，而其中的能源保障系統(tǒng)更是重中之重。