一、鋼鐵冶煉用氫氣的目的：減碳、脫碳
目前中國是世界上最大的鋼鐵生產國和鋼鐵消費國。
然而，我國鋼鐵行業的能源結構以煤炭為主體，主要采用高爐—轉爐冶煉技術路線，噸鋼二氧化碳排放量約1.76噸，其中煉鐵環節占70%以上。
鋼鐵行業的碳排放機理大體可以分為三類：
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一是焦炭作為生產原料，參與化學反應所 產生的碳排放，如燒結、煉焦、石灰焙燒、鋼鐵冶煉和鋼材酸洗，其中碳排放主要是煉鐵工序中還原反應所產生；
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二是化石能源作為燃料，燃燒所產生的碳排放，如煉鋼焦爐、高爐和轉爐中的燃料 燃燒；
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三是化石能源作為發電來源，鋼鐵生產中電力消耗所引起的間接碳排放。
因此，如何減少在鋼鐵冶煉階段的碳排放量，對鋼鐵行業低碳轉型具有重要意義。
氫能是一種來源豐富、綠色低碳的二次能源，是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體，實際應用范圍非常廣泛。在高消耗、高排放的冶金行業，合理利用氫能是促進其低碳發展的可行路徑之一。
圖源自 中國寶武
二、鋼鐵冶煉傳統工藝
鐵礦石變成鋼，是經過了兩步變化：鐵礦石—生鐵—鋼。
前面提到，我國主要采用高爐—轉爐冶煉技術路線，工藝流程是：經過燒結處理的鐵礦石和焦炭在高爐內反應，煉出液態生鐵，再到轉爐煉鋼。
圖源自 碳道
三、鋼鐵冶煉工藝中氫的應用方式
1、氫、碳還原鐵的反應式對比
氫氣可用于鋼鐵生產的方式有兩種：
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氫氣可作為高爐-轉爐 BF-BOF 路線（長流程）的輔助還原劑
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氫氣可用作鐵的直接還原或 DRI（短流程）過程中的唯一還原劑
涉及的碳排放反應式如下：
Fe?O? + 1.5C → 2Fe + 1.5CO? 直接還原
Fe?O? + 3CO → 2Fe + 3CO? 間接還原
用氫冶金的反應式為：
Fe?O?+3H?=2Fe+3H?O
2、冶金中氫的應用方式
氫是初級鋼冶煉過程中最有效的清潔還原劑之一，其應用方式一般有三種：高爐富氫冶煉、氫直接還原鐵、氫熔融還原鐵。
高爐富氫冶煉：是指將氫氣與現有還原劑混合后，在冶煉過程中所產生的還原反應。該方法可以減少還原反應的碳排放，卻不能實現零碳，不過仍可被視為一種漸進式的減碳方案。
寶武鋼鐵正在新疆進行的高爐富氫冶煉試點項目
氫直接還原鐵：是指通過氫基還原反應直接還原固體鐵礦石，該路徑有潛力實現幾乎完全脫碳。目前，眾多鋼鐵企業已經開始進 行此類技術的試點項目。
河鋼集團張宣科技全球首例富氫氣體（焦爐煤氣）零重整豎爐直接還原氫冶金示范工程
氫熔融還原鐵：是指將熔融還原與氫還原相結合，以此來減少焦化和鐵礦石燒結前的處理步驟。
建龍鋼鐵的氫熔融還原冶煉項目 已在中國內蒙古成功投產
3、氫冶金需要的改造和設備
氫氣供應系統：建設一個穩定的氫氣供應系統，包括制氫、儲氫和輸送氫氣的設備。這些設備可能包括制氫站、氫氣儲罐、壓縮機、管道和閥門等。
氫氣還原反應裝置：引入氫氣還原反應裝置，用于將氫氣與鐵礦石進行反應，實現直接還原過程，產生金屬鐵和水蒸氣。這可能需要定制化的還原反應設備和控制系統。
水蒸氣回收系統：建設水蒸氣回收系統，用于從還原過程中產生的水蒸氣進行回收和再利用。
鋼鐵生產流程設備：根據具體需求可能需要對鋼鐵生產流程的設備進行改造或更新，以適應氫氣冶煉的要求。這可能包括原料處理設備、熔煉爐、連鑄機、軋制設備等。
氫氣回收和處理設備：鋼廠可以安裝氫氣回收和處理設備，從冶煉過程中產生的廢氣中回收未利用的氫氣并進行處理，以提高氫氣的利用率和環境友好性。
四、氫冶金技術未來應用展望
自然資源保護協會（NRDC）發布的《面向碳中和的氫冶金發展戰略研究》報告指出，經濟性是制約鋼鐵行業氫冶金發展的關鍵因素之一，其中主要涉及氫氣成本及碳排放成本。
隨著技術進步，制氫成本逐漸降低，當企業需要為碳排放支付費用時，氫冶金就可以顯示出成本優勢。碳排放的成本越高，氫冶金的成本優勢越大。因此，合理利用碳市場將對氫冶金技術推廣應用起到積極推動作用。
報告預計，氫基直接還原技術有望在2040年后大規模推廣，先決條件是綠氫產業鏈的發展，包括綠色、經濟、大規模氫源的獲取，氫氣長距離的安全儲運，氫源供需的合理配置等。
國內主要鋼鐵企業：
中國寶武鋼鐵集團、鞍鋼集團、沙鋼集團、河鋼集團、建龍集團、首鋼集團、山鋼集團、德龍集團、湖南鋼鐵集團、方大集團、柳鋼集團、日照鋼鐵、中信泰富特鋼集團、廣西盛隆冶金、包鋼集團、敬業集團、新華聯合冶金控股集團、青山控股集團、中天鋼鐵、陜鋼集團、安鋼集團、福建三鋼集團、南鋼集團、河北東海特鋼集團、酒鋼集團、津西集團。
制氫電解槽企業：
END
原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：氫氣在鋼鐵冶煉工藝中的應用
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