摘 要  據(jù)國內(nèi)外相關鋼鐵流程專業(yè)技術文獻資料，概述高爐—轉(zhuǎn)爐傳統(tǒng)流程和近年來國內(nèi)外非高爐—電爐短流程的科研、技術開發(fā)及工業(yè)生產(chǎn)應用狀況。氫能是一種綠色、高效、清潔的新能源，相關研究資料表明，無論是將氫能應用于傳統(tǒng)長流程還是非高爐工藝流程，氫冶金在過程優(yōu)化、節(jié)能減排、生產(chǎn)效率、指標提升方面均表現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢。本文重點概述了氫冶金的分類及特點，一定程度上為鋼鐵企業(yè)即將或正在實施鋼鐵新流程在技術選擇、方向上提供了較為全面的借鑒。

關鍵詞  鋼鐵 傳統(tǒng)流程 非高爐工藝 氫冶金 

1  概 述         

熔融還原工藝屬于高溫冶金流程，生產(chǎn)工藝存在反應熱高、配碳高、熱效率低（典型熔融還原高溫還原廢煙氣帶走熱量約50 %，綜合熱利用效率<30 %）、冶煉控制難度大（如Hismelt工藝還原、熔化分別需要還原、氧化氣氛）、預還原豎爐噸鐵耗氣量高、金屬化率低（50~70 %居多）等不足。這集中表現(xiàn)為目前開發(fā)、應用的各種熔融還原煉鐵一次煤耗太高，整體上難以超越現(xiàn)代高爐煉鐵流程。此外，高溫粉塵會自發(fā)的黏壁，影響換熱；金屬化球團、粉體膨脹粉化引起的結圈黏結、堵塞或及離開反應器（Hismelt、轉(zhuǎn)底爐）的高溫煙塵利用都是設備長期穩(wěn)定運行的不確定因素^[1~3]。因此，開發(fā)低能耗、環(huán)境負荷輕的低成本綠色鋼鐵冶煉新工藝、新流程、新技術得到越來越多的關注和研究^[4]。在煉鐵領域，用氫作為還原劑得到生鐵的氫冶金工藝是一種根本上實現(xiàn)低能耗、低碳（甚至無碳）排放的冶金新技術。中國鋼鐵行業(yè)引領者—中國寶武擬大規(guī)模投入綠色創(chuàng)新資源，組建低碳冶金創(chuàng)新研究中心^[5]。2019年1月，中國寶武與清華大學、中核集團簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，宣告了正式開展技術、規(guī)模、效益全方位引領的全球鋼鐵業(yè)引領者的具體實踐。隨著近日中國寶武低碳冶金創(chuàng)新中心富氫冶金示范線的順利投入運行，標志著中國正式拉開了氫冶金進程序幕^[6]。本文重點概述了氫冶金的背景、特點及分類應用。

2氫能開發(fā)利用的國內(nèi)外背景    

氫燃燒的熱值為汽油的3倍，液化石油氣的2.5倍，氫燃燒生成水，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生污染并且燃燒產(chǎn)物（H₂O）可實現(xiàn)循環(huán)利用，是一種高燃燒價值、綠色、清潔、高效的新能源。 ^[7~8]。《巴黎協(xié)定》要求：在1990年碳排放基礎上，到2030年、2040年需完成減排40 %、60 %目標。作為空氣質(zhì)量影響主源之一的鋼鐵工業(yè)流程（尤其是煉鐵工序）需要從碳輸入層面實現(xiàn)大幅度降低碳（甚至無碳）排放量、提高能量利用的研究及其應用成為重要途徑。瑞典鋼鐵公司（SSAB）、德國薩爾茨吉特公司（Salzgitter）、奧鋼聯(lián)（Voestalpine）等歐洲鋼鐵企業(yè)分別提出HYBRIT、SALCOS、H2Future等項目，作出利用氫能取代碳還原煉鐵的冶金新工藝的有益探索^[9]（圖1~3）。HYBRIT項目：清潔能源發(fā)電→電解水產(chǎn)氫→高爐流程（用氫氣取代煤和焦炭）。結合電解水產(chǎn)氫→直接還原鐵工藝→直接還原海綿鐵（排放水及多余氫氣）→電弧爐冶煉；SALCOS項目：綠色電力→電解制氫（+天然氣）→煉鐵工藝（氫替代碳，高爐流程逐步轉(zhuǎn)化為DRI流程）→煉鋼（煉鋼流程逐步轉(zhuǎn)化為EAF流程）；H2Future項目：采用研發(fā)突破性的Ｈ₂替代焦炭冶煉技術實現(xiàn)氫氣直接還原鐵工藝，并將氫氣應用于鋼鐵生產(chǎn)流程中的的退火爐等其他環(huán)節(jié)，實現(xiàn)到2050年減少80 %碳排放的最終目標^[9]。

圖1 傳統(tǒng)工藝和HYBRIT工藝流程比較^[9]         圖2 薩爾茨吉特氫利用流程與傳統(tǒng)工藝流程^[9]

圖3 奧鋼聯(lián)H2Future項目流程構想^[9]

結合我國鋼鐵工業(yè)技術發(fā)展和碳排放現(xiàn)狀，兼顧鋼鐵工業(yè)流程資源配置、環(huán)境影響、能源利用、經(jīng)濟性等要素，中國中冶賽迪公司提出了以“氫能制備→氫能冶煉→碳捕集利用技術（CCUS）”為主線，通過低碳富氫高爐噴吹、氫基豎爐直接還原、基于高效預還原的氫基熔融還原等三大創(chuàng)新技術路線實現(xiàn)我國綠色低碳氫冶金的技術方案^[10]（圖4），目標為：到2030年，富氫低碳高爐實現(xiàn)減少碳排放≥35 %，氫基豎爐直接還原實現(xiàn)減少碳排放≥60 %；再進一步通過CCUS技術初步實現(xiàn)零碳冶煉。目前，已聯(lián)合有關高校、鋼企就高爐噴吹氫氣爐內(nèi)行為機制及氫基豎爐、氫冶金從冶煉基礎理論到關鍵工藝、核心裝備的成套技術研發(fā)。

圖4  中冶賽迪氫冶金技術路線圖^[10]

徐匡迪院士^[1]指出，鋼鐵冶煉流程要真正實現(xiàn)低碳、高效，必須改變以碳為主要載體的鐵冶金過程。目前世界各國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的主要應對舉措應為高爐—轉(zhuǎn)爐長流程持續(xù)節(jié)能減排+逐步擴大以電爐煉鋼為核心的短流程。同時結合開展高爐爐氣循環(huán)、部分以氫能源替代碳還原技術的研發(fā)，利用富含H₂+CO氣體的焦爐煤氣重整后從高爐爐身噴入促進間接還原，進一步降低碳排放10~20 %；在核能（可再生能源）成為一次能源主流前以加強氫冶金的理論基礎研究和前瞻性布局為研究重點。以減少碳排放為目標，傳統(tǒng)高爐、非高爐煉鐵流程工藝路線選擇的共同融合點是提高氫氣的應用比例。包括：含氫物質(zhì)（焦爐煤氣重整、天然氣）噴吹的低碳高爐前沿技術；氫基豎爐直接還原制備高級潔凈鋼、基于氫冶金的熔融還原直接煉鋼等減排低碳的非高爐煉鐵技術^[11]。朱仁良^[12]認為，圍繞氫冶金技術路線及目標開展富氫（純氫）冶煉相關研究應實行低碳冶金、零碳排放冶金、無碳冶金三步走戰(zhàn)略：第1階段為“高溫堆制氫＋高爐富氫冶煉＋核電取代燃煤自備電站”技術路線；第2階段為“1階段技術路線＋冶金氣加氫制化工原料”技術路線，即在1階段基礎上結合煤化工技術，將排放氣轉(zhuǎn)化為化工原料實現(xiàn)零碳排放；第3階段為“高溫堆制氫＋純氫還原氣基豎爐＋核電＋電爐煉鋼”，完全擺脫對煤、天然氣等化石燃料的依賴，實現(xiàn)無碳冶金。

與國外同行相比，數(shù)據(jù)表明，我國寶鋼高爐在焦比、燃料比、煤氣利用率等主要能耗指標方面已經(jīng)處于領先地位，高爐有效熱量利用率（KT）已達93.5 %，由于不能利用爐頂煤氣帶走的4.6 GJ化學能，噸鐵碳素消耗很難再進一步降低；同時，因原燃料條件限制，高爐難以繼續(xù)大型化和顯著提高生產(chǎn)率。在分析業(yè)界主流技術方向并結合未來發(fā)展需要的基礎上，以實現(xiàn)減碳15 %的目標，寶鋼正圍繞實現(xiàn)第1階段目標開展研發(fā)。同時也在開展第二、第三階段的預研究，設想的核氫冶金技術耦合的總體技術路線如圖6所示^[12]。

圖5 寶鋼高爐主要指標比對^[12]                 圖6  核氫冶金技術路線設想^[12]

3 氫能利用、氫冶金的分類及特點    

氫冶金通常是指利用氫作為還原劑部分（全部）代替碳還原劑，減少CO₂排放，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的冶金新工藝^[13]，包括利用氫氣生產(chǎn)海綿鐵的氣基直接還原工藝或其它富氫冶金技術，富氫冶金技術有：燒結噴吹含氫氣體燃料技術；高爐噴吹焦爐煤氣、天然氣、廢塑料和廢輪胎等；焦爐煤氣或煤制氣（水煤氣）生產(chǎn)DRI等^[14]。即包含應用氫氣或富氫還原氣體（一般H₂含量不應低于55 %）將鐵礦石中各類氧化鐵還原為金屬鐵的冶煉過程。煤還原鐵礦過程由于使用高揮發(fā)份煤種產(chǎn)生的部分氫氣，不能歸為氫冶金。

3.1 氫能（富氫燃料）在高爐流程的應用

在高爐—煉鋼流程，煉鐵工作者通過各種技術措施，盡可能減少過程的燃料比（焦比+噴煤、噴油比），我國寶鋼的燃料比已經(jīng)<495 kg/tFe（429.892 kg(C)/tFe）（圖5），已接近理論計算最低碳比（414 kg(C)/tFe）。盡管如此，高爐碳排放量仍達約1.5 t(CO₂)/tFe，全流程鋼鐵生產(chǎn)總的碳排放量仍可達2.0~2.5 t(CO₂) /t(鋼)^[12]。這也表明采用氫冶金的迫切性。

早在2000年，中國冶金工作者即開始關注氫能源的應用并提出應用焦爐煤氣量產(chǎn)制氫還原氣的正確切入點。同時，國外制訂的氫還原研究內(nèi)容和目標包括：焦爐煤氣重整及還原氣噴入風口反應行為研究；鐵礦石用 H₂+CO還原氣進行高溫還原的基礎研究及其應用技術經(jīng)濟評價；鐵礦石氫還原的動力學研究及高爐內(nèi)焦炭和氫基氣體反應研究。研究中進行了200 m³/t重整后焦爐煤氣從高爐爐身及風口噴吹還原的模擬計算（圖7）及模型試驗驗證。結果表明, 從爐身噴吹效果最好，燃料比可從588 kg/ t降至486 kg/t^[1]。韓國浦項研究院分別進行了不同氫氣濃度（H₂：0~100 %）還原氧化球團反應常數(shù)測定和完全還原FeO_1.05樣本的時間比較等試驗研究，結果均表明H₂的有無、濃度大小對還原速度、還原時間有顯著影響（圖8~圖9）^[1]。2019年11月，德國蒂森克虜伯公司在全球首次將氫氣注入杜伊斯堡廠9號高爐，正式啟動以氫代煤煉鐵試驗，預計在2022年完全使用氫氣后降低碳排放20 %^[15]。

圖7 高爐爐身及風口噴吹200 m³/t焦爐煤氣計算^[1]

圖8 用不同濃度CO、CO+H₂、H₂還原球團的反應速度常數(shù)^[1]

圖9  FeO_{1 .05} 樣品在1093K不同氫氣濃度完全還原時間關系^[1]

孔令兵、郭培民等^[16]對高爐噴吹氫氣入爐后其在爐內(nèi)各個區(qū)域的還原行為進行了研究。其過程為：從風口噴入的氫氣在吸收熱量后隨著煤氣流升至爐內(nèi)1 000 ℃以上區(qū)域時，將熱量傳給物料并還原氧化鐵；另一方面可在低于水煤氣反應平衡溫度時催化焦炭與多價氧化鐵的還原反應。綜合看，氫氣在風口高溫區(qū)吸收的熱量，可以通過上部爐料間接還原的增加及氫氣釋放的熱量得到補償，其節(jié)碳效果近似為ΔC=0.287+0.137 V（V：噸鐵氫量 m³/t）；東北大學唐玨、儲滿生等^[17]進行了基于梅鋼原燃料條件下利用富余焦爐煤氣進行高爐風口噴吹的數(shù)值模擬研究，結果表明，與未噴吹焦爐煤氣相比，噴吹后高爐爐內(nèi)還原氣濃度和爐內(nèi)爐料還原速度明顯加快，效果反映為：焦比降低14.43 %，碳排放減少8.61 %；畢傳光等^[18]在用多流體高爐數(shù)學模型對梅鋼原燃料條件下高爐噴吹焦爐煤氣進行數(shù)值模擬研究，并在此基礎上分析了高爐噴吹焦爐煤氣的綜合經(jīng)濟效益。結果表明，當考慮煤氣富余量、富氧能力等因素對高爐進行適宜數(shù)量的焦爐煤氣（50 m³/t(Fe)）噴吹時，不僅取得顯著的增產(chǎn)、節(jié)焦、減排效果，也獲得了顯著的經(jīng)濟效益：當期噸鐵成本降低20.14元（當期焦炭價格1607元/t，焦爐煤氣0.7749元/m³），年可節(jié)約焦炭7.79萬t，創(chuàng)效5 115萬元。

3.2 氫能（富氫燃料）在直接還原流程的應用

氫是高化學能還原劑，H₂的還原潛能、在鐵礦石中的穿透力分別是CO的11倍、5倍，這有助于提高還原反應速度，降低反應溫度，是進行直接還原鐵生產(chǎn)的理想還原劑。此外， 在氫還原過程中鐵礦石不與焦炭接觸，直接還原鐵產(chǎn)品為高純鐵，這有利于電爐生產(chǎn)出高純凈鋼^[19]。DR—EAF短流程在天然氣儲量豐富的國家和地區(qū)得到了實質(zhì)性地發(fā)展，我國天然氣資源短缺，鋼鐵工業(yè)流程以傳統(tǒng)長流程為主，一般高爐—轉(zhuǎn)爐流程鋼廠配套相應規(guī)模的焦化廠，煉焦過程大量產(chǎn)生的焦爐煤氣（320 m³/t煤）是滿足直接還原生產(chǎn)的高質(zhì)量還原氣源，這成為我國發(fā)展DR—EAF短流程的最大優(yōu)勢^[20]。國外氣基豎爐直接還原工藝流程中，天然氣中CH₄（90~95 %）經(jīng)高溫熱裂解成富含H₂+CO的還原氣（70 %H₂+30 %CO）；焦爐煤氣中CH₄為24~26 %，H₂為56~62 %，不需裂解耗能直接適用于氣基還原工藝^[20]。 

氣基豎爐生產(chǎn)DRI工藝具有生產(chǎn)規(guī)模大、生產(chǎn)成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點，HYL-ZR（希爾）工藝因可在其技術裝備設備無需改動情況下使用焦爐煤氣（煤氣化）作為還原氣體而成為首選^[20]，其工藝流程基本原理是通過在自身還原段中生成還原氣體（現(xiàn)場重整）來實現(xiàn)最佳的鐵礦石還原效率，即通過碳氫化合物（天然氣或焦爐煤氣）經(jīng)過不完全燃燒及還原反應器內(nèi)的金屬鐵的催化作用在現(xiàn)場重整生成還原氣（圖10），無需對焦爐煤氣進行特殊處理^[21]。傳統(tǒng)高爐—轉(zhuǎn)爐流程綜合性鋼廠（配置有焦化）中能源使用為：低熱值的高爐煤氣作為焦爐和高爐熱風爐燃料，高熱值焦爐煤氣作為軋鋼廠和發(fā)電廠燃料。有必要指出的是， 焦爐煤氣作為還原劑比作為燃料更為適宜^[20]。用循環(huán)經(jīng)濟的觀點，在配置有焦化的綜合鋼廠設置直接還原廠（HYL-ZR（希爾）工藝）合理利用鋼鐵流程中產(chǎn)生的大量焦爐煤氣進行直接還原鐵的生產(chǎn)（圖11）^[21]，其生產(chǎn)出的直接還原鐵（冷態(tài)、熱態(tài)）可就近用于鋼鐵廠：直接加入冶煉設備（電爐或轉(zhuǎn)爐）用于煉鋼；熱壓成塊作為轉(zhuǎn)爐冷卻劑；用于高爐增產(chǎn)節(jié)焦。從而形成我國特有的長流程與短流程并存的鋼鐵冶金新流程^[20]。

                     圖10  HYL-ZR（希爾工藝）流程圖^[20]           

圖11  鋼鐵長、短流程并存生產(chǎn)模式（在聯(lián)合鋼廠設置直接還原廠）^[21]

東北大學唐玨、儲滿生^[17]等重點對DR—EAF短流程中應用煤制氣－氣基豎爐直接還原工藝流程（圖12）建設年產(chǎn)1萬t DRI中試裝置關鍵共性前沿技術進行了研發(fā)和測算。該流程煤制氣采用恩德法技術，以灰分<25 %、灰熔點高>1 250 ℃、低溫化學活性好的不粘結（弱粘結）性煤為原料制得H₂、CO含量分別為57 %、38 %的凈煤氣，再通過還原氣加熱和豎爐爐頂煤氣循環(huán)技術得到溫度≥930 ℃滿足氣基豎爐要求的還原氣和實現(xiàn)煤氣循環(huán)。并以該DR—EAF流程（30 % DRI + 70 %廢鋼）生產(chǎn)1 t電爐鋼水為單位對生產(chǎn)進行了綜合評價，結果表明，對環(huán)境影響最大的關鍵工序是煤制氣、加熱和電爐，該條件下噸鋼總能耗為263.67 kgce，噸鋼CO₂排放量為 829.89 kg，優(yōu)于傳統(tǒng)高爐－轉(zhuǎn)爐流程。

圖12 煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝流程^[17]

如前所述（上篇），相比傳統(tǒng)高爐—轉(zhuǎn)爐流程，DRI（廢鋼）—電爐短流程由于其在節(jié)能減排、環(huán)保的優(yōu)勢逐漸得到重視，隨著我國煤制氣技術的進步及社會廢鋼累積量的增加，基于煤制氣的氣基豎爐—電爐短流程成為鋼鐵工業(yè)低碳綠色發(fā)展的重要方向^[22]。李峰等^[23]對天然氣豎爐和煤制氣—豎爐直接還原工藝的經(jīng)濟性進行了對比分析。結果為：煤制氣成本約為0.5元/m³時，該工藝即可與天然氣成本2元/m³的天然氣豎爐工藝競爭。此外，李峰等^[22]基于GaBi7.3軟件分別對煤制氣—氣基豎爐—電爐短流程和高爐—轉(zhuǎn)爐流程進行整體評價。結果表明，相比長流程，該工藝噸鋼能耗及CO₂、SO₂、NOx、粉塵排放量分別減少60.64 %、55.65 %、74.0 %、22.7 %和15.9 %，同樣說明該工藝環(huán)境影響遠小于傳統(tǒng)長流程。

此外，鐵礦石經(jīng)氫氣直接還原工藝可以得到純凈度很高的產(chǎn)品，將其作為主要原料，再經(jīng)過熔分和精煉流程后可以得到高品質(zhì)鋼鐵材料。李彬^[24]在實驗室條件和規(guī)模下，探索性地研究了氫氣直接還原—熔分—渣精煉流程冶煉高純凈鋼鐵材料的新工藝。以氫氣直接還原鐵為原料，制得了純度為99.987 %的高純鐵液，再進一步經(jīng)過冶煉得到極低全氧含量（4.8 ppm）及Ti含量（6 ppm）的高純凈軸承鋼，冶煉高純鐵和高純軸承鋼為例。該工藝主要流程、步驟為：氧化性球團礦→氫氣還原焙燒→直接還原鐵（S、Si、Mn、Ti等雜質(zhì)不還原）→熔融分離（以FeO調(diào)整渣成分脫P）→高純鐵液→渣精煉→高純凈軸承鋼。林安川等^[25]為了降低直接還原鐵粉生產(chǎn)成本并提高純度、改善其性能，采取催化還原—磨選—氨分解氣鋼帶爐精還原工藝流程，利用氫氣純度為75%的氨分解氣對采用在w(TFe)<60.0 %、w(SiO₂)>2.0 %、w(Al₂O₃)>1.5 %釩鈦磁鐵精礦條件下得到的高碳一次鐵粉（w(C)>0.50 %，w(TFe)>91.0 %）進行二次精還原，通過氫還原除去一次鐵粉原有及在磨選過程中再氧化的氧，同時脫掉鐵礦石催化還原過程中所增的碳，以及部分的脫硫和防止?jié)B氮。批量得到w(HL)<0.20 %、w(TFe)>98.5 %、金屬化率大于99.0 %的微合金鐵粉。

圖13 利用攀西鐵礦多單元連續(xù)制備微合金鐵粉直接還原工藝^[25]

3.3 關于純氫冶金的討論           

用純氫進行冶金是真正實現(xiàn)無碳、低成本高效冶煉的新冶金工藝，從上述可知，該工藝將實現(xiàn)資源消耗以及各種渣、塵、CO₂、NOx、SOx等排放的大幅度下降，尤其利于得到超低磷、超低硅、超低硫的新型潔凈鋼水，顯著提高鋼材質(zhì)量及改變后續(xù)的冶煉過程。上世紀 80年代在西歐國家進行的全氫氣豎爐工業(yè)生產(chǎn)實踐表明100%純氫大型豎爐生產(chǎn)直接還原鐵技術可行，但近年來尚未有純氫豎爐生產(chǎn)實踐。唐鈺指出^[17]，純氫豎爐冶金工藝存在需要重視和解決的不足，主要為：沒有碳源，系統(tǒng)內(nèi)部無法實現(xiàn)熱量互補，豎爐中純氫還原鐵氧化物的強吸熱反應（（Fe₂O₃，Fe₃O₄，FeO）+H₂ →（Fe + H₂O））會導致豎爐中散料層溫度場急劇向涼，影響煤氣利用率大幅下降。采用增加過量的入爐氫氣量作為載熱體的方式可以彌補豎爐還原的溫度場的平衡，但會導致成本增加、生產(chǎn)率下降；純氫過低的密度導致氫氣會迅速逃逸和易改變在爐內(nèi)的路徑、方向，造成高溫帶還原效率降低。采用加壓、高溫（>1 000 ℃）的方法可以彌補這一不足，但由于氫氣的易燃易爆性在高溫高壓條件下生產(chǎn)存在安全風險；純氫的制備成本問題，這導致純氫豎爐生產(chǎn)DRI難以盈利。反之，富氫煤氣由于存在有20~35 %的CO，還原時可以同時進行放熱反應與吸熱反應，這顯著改善豎爐內(nèi)的供、傳熱及傳質(zhì)熱力學、動力學條件，提高直接還原速度和還原效率；此外，國內(nèi)豐富的煤炭資源、成熟的煤制氣技術條件使得富氫豎爐還原在現(xiàn)階段更具優(yōu)勢。

3.4 氫的來源、制備    

鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模巨大，規(guī)模化實施氫冶金所需氫源是必須面臨的問題^[13]。目前成熟的制氫技術主要包括：富余焦爐煤氣變壓吸附制備純凈H₂^[2]，天然氣裂解轉(zhuǎn)化、煤氣化技術、廢舊輪胎氧化技術等制備富氫還原氣體，所制備富氫還原氣應用于冶金可以實現(xiàn)少碳（減碳）效果。水電解制氫可以以水為原料制備純氫，但在我國電能結構中占據(jù)主導地位的仍是以煤（炭）發(fā)電，仍存在碳排放問題。核電是通過原子核聚變和核裂變釋放大量熱量，能量按照核能-機械能-電能進行轉(zhuǎn)換得到的電力^[26]，是理想的清潔能源。從我國近十年全國發(fā)電量發(fā)展趨勢核總量構成來看（表1）^[27]，我國火電占比雖然逐年下降，但至2019年占比仍然高達69.60 %；核電、風電、太陽能等清潔能源雖然得到很大發(fā)展，但占比仍僅為4.0~5.5 %。即，即便將目前的核電全用于氫冶金，也只能使極少量的鐵-鋼流程實現(xiàn)無碳冶金。

表1 我國近十年全國發(fā)電量總量構成

（數(shù)據(jù)來源：國家統(tǒng)計局、中電聯(lián)）

國外資料表明^[28]，氫能利用的主要來源為天然氣，利用天然氣、蒸汽、甲烷重整技術產(chǎn)氫量占總產(chǎn)量75 %；利用煤氣化技術制氫主要在中國應用，其產(chǎn)氫量約占總產(chǎn)量的的23 %；水電解制氫技術產(chǎn)氫量約占氫總產(chǎn)量的2 %。經(jīng)濟性和低碳性是制約選擇制氫技術路線的關鍵因素^[17]。因技術、地域不同氫制備生產(chǎn)成本存在明顯差異，利用天然氣、煤制氣技術產(chǎn)氫、富余焦爐煤氣進行氫冶金具低有成本優(yōu)勢。可以判斷，只有在低電價和大規(guī)模高負荷下電解制氫才能體現(xiàn)競爭力。隨著碳排放成本的增加和利用風電、核電、太陽能等綠色能源制氫技術裝備的發(fā)展和制備成本的降低，綠色氫在鋼鐵工業(yè)的規(guī)模化應用才能成為現(xiàn)實。

4結語

在日益嚴峻的環(huán)保、排放要求新形勢下，氫能作為一種綠色、高效、清潔的新能源得到國內(nèi)外冶金工作者越來越多的關注和研究。以高化學能氫作還原劑取代（部分或全部）用焦炭（噴吹煤）不完全燃燒產(chǎn)生的CO（或直接用C）作還原劑的氫冶金引發(fā)了鋼鐵冶金工藝流程（高爐和非高爐）能效、排放的根本性變化。基于國內(nèi)高爐工藝技術特點、煤炭資源和原燃料特點、煤制氣技術及純氫制備所處階段現(xiàn)狀，高爐富氫冶煉和氫基豎爐直接還原工藝是我國鋼鐵工業(yè)目前大幅減少碳排放、降低能耗實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的兩大主要方向。相關文獻資料研究表明，我國實施氫冶金應在具體條件下應分時期、分階段目標進行，現(xiàn)階段具備條件的傳統(tǒng)高爐流程應考慮以焦爐煤氣重整噴吹工藝為途徑實現(xiàn)顯著降低碳排放、焦比為目的；富氫氣基豎爐直接還原工藝在現(xiàn)有裝備設計、煤制氣技術、生產(chǎn)實踐基礎上持續(xù)完善，可以充分發(fā)揮氫氣在高溫還原方面優(yōu)勢，利于豎爐直接還原工藝獲得較佳的產(chǎn)能、能耗指標。在天然氣資源不足的客觀實際下，我國鋼鐵工業(yè)長流程格局利于實現(xiàn)高爐—轉(zhuǎn)爐流程和DR—EAF流程的融合共存，為推進行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、可持續(xù)發(fā)展提供新思路、新方向。從遠期氫能發(fā)展、實現(xiàn)氫冶金無碳排放角度出發(fā)，無論是焦爐煤氣（重整）、天然氣裂解、煤制氣技術、電解水制氫工藝，仍存在難于避免碳排放、受限于資源條件或是電能結構等方面的不足。氫冶金作為低碳（無碳）冶金的主流程和鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向，大規(guī)模獲得清潔、廉價充足的氫源是氫冶金發(fā)展產(chǎn)業(yè)化的關鍵，研究、發(fā)展并實踐以生物能、太陽能、風能、核能等無碳、清潔、經(jīng)濟制氫及儲氫裝置與技術，將有助于實現(xiàn)純氫冶金。

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