陳 健， 果晶晶

（1.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司， 河北 邢臺(tái) 054025；2.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程系， 河北 邢臺(tái) 054035）

鋼鐵行業(yè)是碳排放量高達(dá)26 億t 的碳排放大戶(hù)，占全球總排放量的5%～6%，占中國(guó)排放量的15%[1-2]。因此，在碳達(dá)峰、碳中和背景下，進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段的鋼鐵行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要逐漸從“減碳”過(guò)渡到“代碳”來(lái)實(shí)現(xiàn)碳減排，走零碳化的“綠色鋼鐵”道路[3]。因此，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、開(kāi)展技術(shù)改造、優(yōu)化工藝流程、開(kāi)發(fā)具有顛覆性的冶金技術(shù)等勢(shì)在必行。作為一項(xiàng)綠色低碳革命的氫冶金技術(shù)，是以氫為還原劑來(lái)脫除鐵礦石中的氧，對(duì)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和意義重大。推廣氫冶金技術(shù)的關(guān)鍵在于大規(guī)模低成本制氫和氫冶金技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和可操作性問(wèn)題[4]。因此，本文主要探討鋼鐵行業(yè)氫冶金技術(shù)中氫的來(lái)源問(wèn)題，以期為未來(lái)氫冶金技術(shù)的開(kāi)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(guò)碳冶金→碳代替→氫冶金來(lái)真正實(shí)現(xiàn)從富氫冶煉→全氫冶煉的低碳、高效冶煉生產(chǎn)[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(nèi)噴吹含有富氫的氣體，比如天然氣、焦?fàn)t煤氣等進(jìn)行冶煉，以實(shí)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(xiàng)目主要有：綜合焦?fàn)t改制煤氣噴吹入高爐+ 碳捕集技術(shù)的日本COURSE50、韓國(guó)COOLSTAR、德國(guó)DILLINGER，以氫代煤的德國(guó)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(zhuǎn)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(dá)50%以上，減排潛力較大；但氣基豎爐也存在著吸熱效應(yīng)強(qiáng)、入爐H2氣量增大、生產(chǎn)成本升高、H2還原速率下降、產(chǎn)品活性高和難以鈍化運(yùn)輸?shù)戎T多問(wèn)題。目前氣基直接還原豎爐冶煉項(xiàng)目主要包括瑞典的HYBRIT、歐盟的ULCORED、河北鋼鐵集團(tuán)、中晉太行礦業(yè)有限公司、中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司、遼寧華信鋼鐵集團(tuán)公司等。

2 氫氣氣源問(wèn)題

鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模巨大，規(guī)模化實(shí)施氫冶金需要大量的、低成本、環(huán)境友好型且環(huán)保效能和能源轉(zhuǎn)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(guò)程制氫工藝，主要有石油類(lèi)燃料的汽轉(zhuǎn)化、裂解轉(zhuǎn)化等方法制氫。國(guó)內(nèi)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?fàn)t中生產(chǎn)焦炭的同時(shí)，得到副產(chǎn)品—焦?fàn)t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?fàn)t煤氣具有價(jià)格便宜、原料易得的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)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(guò)水蒸氣和煤反應(yīng)制得合成氣，再將合成氣轉(zhuǎn)化成氫氣。目前利用煤制氫主要以煤的氣化制氫為主導(dǎo)。國(guó)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(chǎn)、低成本、碳排放少的優(yōu)勢(shì)。

但這些高碳能源（化石能源）制氫，終究無(wú)法避免排放大量的CO2的問(wèn)題，制得的氫為“灰氫”或“黑氫”，仍需要輔以碳捕捉裝置進(jìn)行減排，加之轉(zhuǎn)化效率問(wèn)題，該工藝制氫限于中短期過(guò)渡使用，不適合長(zhǎng)遠(yuǎn)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(jié)合鍵斷開(kāi)，最終生成H2和O2。由于當(dāng)前我國(guó)電能結(jié)構(gòu)仍以煤發(fā)電占主導(dǎo)，仍存在CO2排放問(wèn)題，故此工藝制得的亦是“灰氫”或“黑氫”，也不適合氫冶金。長(zhǎng)遠(yuǎn)的電解水制氫工藝需要發(fā)展以非化石燃料進(jìn)行發(fā)電，來(lái)制得“藍(lán)氫”及“綠氫”。例如利用水電勢(shì)能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等可再生能源來(lái)發(fā)電，則無(wú)CO2排放問(wèn)題，環(huán)保效應(yīng)增強(qiáng)。但目前可再生能源的低成本、規(guī)模化產(chǎn)電制綠氫，有待于進(jìn)一步地研發(fā)[4]。

核能、氫能均為清潔能源，應(yīng)用核能制氫來(lái)開(kāi)發(fā)純氫無(wú)碳冶煉技術(shù)將是未來(lái)能源生產(chǎn)革命性的技術(shù)之一。寶武集團(tuán)已著手與中核、清華大學(xué)共同開(kāi)展核能制氫- 氫冶金耦合的研發(fā)應(yīng)用?？紤]到制氫的效率與溫度的緊密關(guān)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(zhì)制氫

生物質(zhì)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(zhì)種類(lèi)多種多樣，其中包括城市固體廢棄物，生活產(chǎn)生的污水，薪柴，農(nóng)林業(yè)的殘剩物，食品與林產(chǎn)品加工后的下腳料，產(chǎn)能的能源作物等等。如此龐大的生物質(zhì)資源如果被用來(lái)制氫，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)資源的有效利用，還能緩解化石資源短缺[8]。生物質(zhì)制氫目前采用的不是直接制氫的形式，而是先通過(guò)熱解生物質(zhì)制出生物油，再將其與水蒸氣重整來(lái)制氫氣的方法[9]。因全球生物質(zhì)快速研發(fā)利用，有學(xué)者認(rèn)為“生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)”是繼“石化基烴經(jīng)濟(jì)”后的下一個(gè)經(jīng)濟(jì)形態(tài)。

2.4 廢舊輪胎制氫

近年來(lái)，由于汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)輪胎的消耗量與日俱增。替換下來(lái)的廢舊輪胎若處理不當(dāng)，將占用大量土地資源，造成嚴(yán)重的“黑色污染”。為解決廢舊輪胎的處理問(wèn)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(chǎn)物進(jìn)一步加工后轉(zhuǎn)化成高效催化劑，此催化劑用來(lái)提高生物質(zhì)氣化制氫工業(yè)的H2產(chǎn)率，在降低制氫成本的同時(shí)，也對(duì)廢舊輪胎進(jìn)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(yīng)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(chǎn)制氫

利用鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)品—轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣等來(lái)為氫冶金提供氫源。2030 年、2050 年我國(guó)鋼鐵行業(yè)氫需求分別為259 萬(wàn)t、980 萬(wàn)t。2030 年，氫冶金用氫需求中約92%（237 萬(wàn)t）來(lái)自焦?fàn)t煤氣，剩余約8%（22 萬(wàn)t）來(lái)自電解水制氫。長(zhǎng)期來(lái)看，焦?fàn)t煤氣遠(yuǎn)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(bǔ)充氫冶金的用氫需求[3]。

2.6 可燃冰制氫

素有“未來(lái)新能源”之稱(chēng)的可燃冰，起初發(fā)現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代的海洋鉆探。我國(guó)可燃冰遠(yuǎn)景儲(chǔ)量巨大，雖然目前在開(kāi)采上存在一定的困難，但預(yù)計(jì)不久后將會(huì)被開(kāi)采利用。故大力研發(fā)自產(chǎn)可燃冰制氫技術(shù)，亦可為鋼鐵行業(yè)提供氫源。

綜上，因技術(shù)、地域不同氫制備生產(chǎn)成本存在明顯差異，利用天然氣、煤制氣技術(shù)產(chǎn)氫、富余焦?fàn)t煤氣進(jìn)行氫冶金具有低成本優(yōu)勢(shì)；電解水制氫只有在低電價(jià)和大規(guī)模高負(fù)荷下才有競(jìng)爭(zhēng)力。隨著碳排放成本的增加和利用風(fēng)電、太陽(yáng)能、核電等綠色能源制氫技術(shù)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?yīng)用才能成為現(xiàn)實(shí)[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(chǎn)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(zhǎng)期應(yīng)著重關(guān)注以風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等低碳綠色制氫技術(shù)[12]。

3 結(jié)論

1）氫冶金是鋼鐵行業(yè)低碳高質(zhì)量發(fā)展的革命性技術(shù)之一，對(duì)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和意義重大。

2）可通過(guò)高碳能源（化石能源）、電解水、生物質(zhì)、廢舊輪胎、鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)、可燃冰等多種途徑來(lái)制得氫氣，然規(guī)?；?、低成本、環(huán)境友好型的氫源是氫冶金發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題。

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