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A鋼鐵行業碳減排（含氫冶金）主要技術路線
 

以“廢鋼—電弧爐”短流程替代“高爐—轉爐”長流程
 

近年來，我國處于工業化、城鎮化快速發展期，鋼鐵需求較大，但廢鋼資源總體供應難以滿足龐大的鋼鐵需求。因此，從實際出發，國內鋼鐵生產供應以“高爐—轉爐”長流程為主，占比約為90%。然而，“高爐—轉爐”長流程噸鋼碳排放量為1.8—2.5噸，遠超“廢鋼—電弧爐”短流程噸鋼碳排放量0.25—0.3噸。因此，在廢鋼資源逐步增加、滿足部分替代鐵礦石進口依賴的條件下，可以“廢鋼—電弧爐”短流程替代“高爐—轉爐”長流程，達到明顯降低噸鋼碳排放的目標。
 

高爐噴吹工藝
 

高爐噴吹工藝，是指通過向高爐中噴吹天然氣、重油或煤粉來替代一部分焦炭的冶煉工藝，該工藝早在20世紀50年代就已經獲得工業化應用，并于20世紀60年代獲得推廣。至于各國在高爐噴吹工藝中選擇的具體燃料類型，取決于各國具體燃料類型的可經濟獲得性。比如，在天然氣資源豐富的北美、俄羅斯、烏克蘭多采用高爐噴吹天然氣工藝，而在具有“富煤缺油少氣”資源稟賦國家，主要以噴吹煤粉作為高爐燃料或煉鐵還原劑的補充。盡管噴吹燃料可以部分產生一氧化碳、氫氣參與煉鐵還原反應，但其中氫含量普遍較小，對于降低焦比、節約焦炭成本有一定作用，但對降低碳排放的意義不大。
 

熔融還原工藝
 

熔融還原工藝，以奧鋼聯開發的COREX非焦煉鐵技術為代表，由豎爐的還原和熔煉造氣爐的熔融兩部分組成，豎爐利用熔煉造氣爐產生的煤氣對鐵礦石預還原，生成海綿鐵，海綿鐵與煤再進入熔煉造氣爐進行熔煉，生成鐵水和煤氣。
 

熔融還原工藝本質上是“以煤代焦”，可以降低對焦炭的骨架作用的依賴（實際上仍需要一定量的焦炭以改善透氣性和順行），從而在不需要優質的鐵礦石和焦炭的情況下，也可以冶煉出優質的鐵水，但熔融還原法并沒有降低對含碳燃料和碳還原方式的依賴，所以對降低碳排放的意義也非常有限。
 

直接還原工藝
 

直接還原工藝包括氣基直接還原工藝和煤基直接還原工藝，前者在實際應用中更為常見。
 

氣基直接還原工藝以還原氣為還原劑，還原爐（氣基豎爐）內的熱量主要來自還原氣的物理熱，還原過程為鐵礦石直接到金屬鐵。由于氣基直接還原的還原氣多由天然氣裂化制取，其中氫氣達55%，所以氣基直接還原工藝可以實現部分氫冶金替代碳冶金的作用。
 

煤基直接還原工藝常見于天然氣較為稀缺的國家或地區，如我國的煤基直接還原工藝有煤基隧道窯法或回轉窯法，采用煤制氣+還原豎爐工藝。由于煤基（豎爐）直接還原工藝仍屬于碳冶金，沒有實現部分氫冶金的替代，所以煤基（豎爐）直接還原工藝同樣對于碳減排意義不大。
 

高爐富氫冶煉工藝
 

在上述氣基直接還原工藝中，可以看到部分氫冶金替代碳冶金的影子，但氣基直接還原工藝中的氫冶金技術，主要是通過氣基豎爐中被天然氣裂化的氫氣還原反應來完成，而非通過高爐來完成。高爐富氫冶煉工藝，則是以焦爐煤氣改質或天然氣裂解制氫得到的還原氣對高爐進行噴吹完成。
 

由于焦爐煤氣中氫氣的體積分數為55%—60%，在天然氣資源不足，但焦爐煤氣資源豐富的國家或地區，應用高爐富氫冶煉技術的主要思路就是通過焦爐煤氣富氫冶煉，可以取得降低焦比和碳排放的較好效果。
 

全氫直接還原工藝
 

全氫直接還原工藝是在氣基還原豎爐工藝的基礎上，逐步提高原有的天然氣裂解制氣、焦爐煤氣制氣和煤制氣中氫氣與一氧化碳的體積分數比，最終實現全氫還原技術。
 

在實際應用中，為了增碳和控制爐溫，所謂的全氫冶煉工藝幾乎不存在，入爐還原氣中的氫氣體積分數最多達90%。因此，目前鋼鐵行業的氫冶金技術還做不到凈零碳排放，最多減少90%左右的碳排放，并且能做到如此高減排比例的氫冶金項目也多處于初試階段，還不能實現規模化生產。
 

B鋼鐵行業氫冶金技術發展現狀及存在問題
 

高爐富氫冶煉工藝
 

高爐富氫冶煉所需的還原氣，一般包括天然氣、焦爐煤氣和氫氣，在目前生產實踐中，使用較多的是天然氣和焦爐煤氣，而非氫氣，這主要是基于還原氣的可經濟活動性考慮，且天然氣或焦爐煤氣富含甲烷和氫，在高爐軟熔帶下部噴吹過程中經過裂解生成一氧化碳和氫氣，提高了高爐中二者參與還原反應的濃度和效率；在高爐風口噴吹天然氣或焦爐煤氣，還可以替代噴煤，從而也可以通過另一途徑降低碳排放。
 

高爐富氫冶煉工藝存在的主要問題：一是高爐中焦炭的骨架作用可以保證高爐中良好的透氣性，用富氫還原氣只能替代部分焦炭的熱反應和還原劑，而不能替代焦炭的骨架作用。二是由于氫氣分子較小，噴吹氫氣時風口回旋區氣流會發生改變，從而影響噴吹效率。三是富氫冶煉時，高爐局部會產生上冷下熱的問題，受熱不均會對高爐爐體產生損害。四是富氫還原氣到底應該是從軟熔帶下部噴吹還是從風口噴吹，或者同時噴吹的話各占多少比例，是需要不斷改進的工藝細節問題。五是高爐中氫氣含量與其他氣體含量的安全匹配問題等。
 

全氫直接還原工藝
 

目前，全氫直接還原工藝仍處于試驗階段，所謂的全氫（零碳）直接還原工藝，也多是在氣基豎爐中不斷提高氫氣與一氧化碳體積分數比，以全氫（零碳）直接還原為終極目標的氫冶金方式。
 

全氫直接還原工藝存在的主要問題：一是氫氣的制備需要較高的財務成本，氫氣的儲運較傳統能源有諸多不便，氫氣本身也有易燃易爆等特點，經濟制氫、儲運氫和安全用氫，對相關技術和設備提出了非常高的要求。二是全氫還原或接近全氫還原具有較強的吸熱效應，對豎爐反應器產生不利的溫度場影響，進而影響氫氣的反應效率，如何補充氫氣參與反應帶走的熱量是需要不斷改進、完善該工藝的重點。三是如果對含有氫氣的還原氣補充熱量，將對氫氣本身耐高溫、爐體內反應物耐氫腐蝕性、防還原氣逸散等提出更高要求，相關加熱和輸送設備要具備更高性能。四是氫氣在豎爐中的流速需要根據實際情況合理調節，才能取得最佳的還原反應效率。五是全氫還原或接近全氫還原工藝，需要考慮如何合理滲碳。
 

C鋼鐵行業氫冶金技術未來的發展趨勢分析
 

一方面，就國內來說，全氫或接近全氫冶煉工藝，目前仍處于試驗階段，還不能達到大規模工業化生產的要求。然而，高爐富氫冶煉工藝，可以充分利用我國是焦炭生產大國、焦爐煤氣產出規模巨大的資源稟賦優勢，在氫能成為主導能源之前，高爐富氫冶煉工藝作為過渡技術，將在相當長時間內占據氫冶金的主體地位。
 

另一方面，盡管氫冶金技術代表著未來鋼鐵冶煉的發展方向，但就目前來說，即使在西方發達國家，氫冶金技術也處于發展的初期，并沒有形成對傳統的“高爐—轉爐”長流程和“廢鋼—電弧爐”短流程工藝的規模化替代。其中，主要原因是氫冶金自身存在高成本、低安全性、儲運不便、需要在現有設備和流程中改進和完善工藝細節、需要較長時間的論證和檢驗才能實現量產等問題，在找到這些問題的解決方案之前，氫冶金技術也將在相當長時間內作為現有碳還原技術的輔助。無論如何，從全球氣候變化的應對考慮，碳還原技術如何被氫冶金技術成功取代，是值得深入研究和實踐的課題。