从世界的视角看钢铁脱碳技术

2020年，全球生产了约18.64亿吨钢，由于炼钢所用的能源大约75%来自煤炭，生产实践显示，每吨钢时向大气中排放约1.9吨二氧化碳。世界钢铁每年的碳排放量占全球碳排放量的7%-8%。所以钢铁行业首当其冲成为低碳化的关键目标。

“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，是对生产、消费、技术、经济和能源体系的一次历史性革命。作为工业行业中最主要的上游产业，同时也是最大的碳排放行业（约占中国碳排放总量的16%），钢铁行业应提前布局，为其他新兴工业部门提供碳排放空间。目前，钢铁行业碳达峰目标初定为：2025年前实现碳达峰，2030年碳排放量较峰值减少30%。”此评论引自中国冶金报，比较宏观的描述了中国钢铁的碳减排的迫切形势和目标。这也是在全球降低温室气体行动的重要行动。在此背景下，世界上前沿的钢铁公司正在做什么技术研究和发展布局呢？

第一条路线就是：保留高炉工艺，从入炉料、富氧鼓风和排放高炉煤气方面采取降CO2一直被认为是重要的发展方向之一。围绕此工艺正在研究和试验的厂家有以下：

1、高炉直接加入直接还原铁  2020年10月在加古川制铁所的大型高炉（4844m3）内启动为期约一个月，向高炉内投入了大量MIDREX所产生的HBI（热压铁），高炉燃料比从518kg/吨铁（吨铁水）稳定降至415kg/吨铁。与传统方法相比，该技术可以降低约20％的二氧化碳排放量。

由于采用高炉添加HBI，再加高品位铁粉资源受限，现在Vale公司正在开发低品位的HBI，以改善对铁粉的广泛适应，从而降低成本。

2、绿氢+高炉工艺 采用氢气或天然气在高炉风口进行喷吹。

蒂森克虏伯钢铁是全球第一家将氢气吹入运行中的高炉的公司，用氢代替煤粉作为额外的还原剂最终目的是：减少二氧化碳排放。

韩国浦项制铁的富氢高炉炼铁技术，目标是减少10%的二氧化碳排放。韩国浦项制铁计划在2018年-2024年发展二氧化碳减排型炼铁技术，2025年开始进行试验，到2030年投入2座高炉试运行，到2040年投入12座高炉。

美国在Cliffs的8座高炉上采用喷吹天然气，实现降低CO2排放9%的目标。同时高炉加入经过天然气预还原的还原铁，实现高炉、转炉、电炉同时添加，达到其在2030年CO2排放减少25%的宏伟目标。

八钢富氢碳循环高炉：（1）实现全球首次脱碳煤气循环利用的重大技术突破；（2）实现第二阶段50%高富氧冶炼目标，部分时段富氧率已超过50%，高炉燃料比较喷吹脱碳煤气前基准期燃料比每吨降低70kg；（3）将开展富氢冶金工业试验，向更高的低碳绿色冶炼目标迈进。八钢以480m3氧气高炉富氢还原低碳炼铁项目主要建设内容是喷吹焦炉煤气（富氢冶炼）、顶煤气自循环与喷吹（脱碳+加热+炉型改造）、煤粉喷吹系统升级。

3、采用生物炭替代烧结和炼铁的燃料，部分降低CO2排放。

4、采用碳排捉和碳存储工艺，减少高炉煤气中CO2的排放。

5、高炉、转炉采用铁粉冷压块技术（Vale公司正在进行研究）。

第二条路线就是去掉高炉，采用直接还原铁+电炉的模式。这条技术路线从工艺上看是没有问题的，特别是在能源价格有优势的国家，成为主流钢铁生产路线。比如在俄罗斯、中东国家和南非国家，普遍采用此工艺。该工艺的发展方向就是采用绿电化和绿氢化转变，也有很长一段路要走。同时欧洲有些国家，也试验性的采用此路线，打造所谓的“绿色工厂”。

如：最近Primetals, Midrex和Metalloinvest三家公司签定合同，投资6亿美元，在俄罗斯的古布金建设新的年产208万吨的HBI工厂，采用氢气还原，预计2025年投产。

绿氢+直接还原铁+电炉，目前被视为最有可能实现绿色冶金的工艺路线。但工艺中的几个问题同样不容忽视。

第三条路线废钢+电炉，中国发展电炉炼钢短流程遇到了废钢原料根本不足价格昂贵、吨钢成本高的困难，以致电炉钢占比徘徊在低水平态势。我国电炉以冶炼优特钢为主，不同于国外以冶炼普通钢为主。我国的绝大多数电炉钢企业（不管是冶炼优特钢还是冶炼普通钢）均采用热兑铁水炼钢，可替代一部分/全部质量差价格昂贵的废钢，提高生产效率、降低炼钢工序能耗（电耗）、降低生产成本。

另外一方面的需要考虑是必须用低杂质的还原铁或者铁水，稀释废钢带入钢水的有害元素，才能使炼制的钢种质量达标，即便电炉冶炼普通钢。由于铁水/还原铁在质量和经济方面优越于废钢照样采用大量热兑铁水工艺炼钢。废钢热兑铁水是中国电炉炼钢的主流工艺。这个主流工艺是废钢原料质量差和价格昂贵确立的。采用这样的工艺是巧妙地使用铁水/还原铁稀释废钢带入钢水的有害元素和同时在铁水成本价格/ 还原铁成本价格与废钢价格持平条件下，使用铁水/还原铁比使用废钢更经济。

废钢存在两个致命缺点：一是含有大量不能去除严重影响钢材性能的有害元素；二是废钢在电炉中重熔消耗远大于铁水/还原铁所消耗的能量。

氢冶金主要是：富氢还原高炉、氢基竖炉直接还原、氢冶金熔融还原三种方式。目前行业内主要天然气、焦炉煤气为气基，含少量氢气做还原反应。

1、富氢还原高炉

以纯氢或富氢还原气部分代替煤或焦炭，通过风口喷吹入高炉，增加炉内煤气含氢量，强化氢还原，减少CO₂排放，实现低碳炼铁。此工艺相对成熟，但氢利用比例低，碳减排只有10%-20%。

高炉中通入富氢气体后，需要高炉富氧来保证较高炉温便于气体还原，在试验数据中喷吹焦炉煤气50m³/吨铁时，炉内最大氢气浓度由6%增至10%，氢气还原FeO最大速度由0.0003mol/(m³·s)增至0.0007mol/(m³·s)，生铁产量增加28.8%，碳排放降低8.05%、焦比降低12.98%，CO利用率提高9.09%，随着氢气量的增加，氢利用率会减少。

2、氢基竖炉直接还原

将含氢高于55%（H₂/CO大于1.5）还原气通入竖炉，还原铁矿石、球团矿，生产优质直接还原铁。此工艺碳减排能达到50%-98%，是未来氢冶金的主要方向。但受到氢成本、制备能力的限制，还远未达到理想效果。目前各企业使用高浓度煤气和天然气为气基，逐步增加氢气量进行试验。

由于工艺要求原料为高品位铁矿石或球团矿，试验数据表示原料品位在67%-70%之间最佳，品位高于71.9%的超高品位铁精粉在制备氧化球团会出现恶性膨胀，不适用于气基竖炉。随还原气氛中H₂含量的增加，还原反应速率加快。但超过50%后，H₂含量增加对加速还原反应的影响逐渐减弱。

3、氢冶金熔融还原

在熔融状态下通入氢气做还原反应，得到纯净铁水的工艺，处于实验室研究阶段，未工业化，近期难成为氢冶金主导方向。

1、氢气原料成本较焦炭更高、制氢成本高昂。

根据国际能源署汇总数据，在中国生产氢气各种不同技术路径的成本、碳强度如下所示：电网电解水制氢成本最高（约5.5美元/公斤）；可再生能源发电制氢成本（约3美元/公斤）；天然气加碳捕捉与贮存制氢（约2.5美元/公斤）；天然气制氢（约1.8美元/公斤）；煤制氢（1美元/公斤）；煤加碳捕捉与贮存制氢（1.5美元/公斤）。按照中国目前氢能市场价格，采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。

从各国研究机构公布的数据来看，受制氢成本高的影响，氢冶金成本整体高于目前传统工艺。目前，欧洲氢气制备市场年产规模约为1150万吨，且绝大部分为灰氢（基于传统能源）。欧盟委员会计划到2024年将电解槽产能扩大到6吉瓦，可生产100万吨绿氢；到2030年达到40吉瓦，可生产1000万吨绿氢。欧洲氢能联盟计划到2030年完成氢产业链的技术布局，整合绿氢和蓝氢的整个产业链，包括制造、使用、运输和分配等环节。灰氢目前的成本价格为1.5欧元/千克，蓝氢的成本价格为2欧元/千克，绿氢的成本价格目前最高为5.5欧元/千克（42.57元）。欧洲钢铁行业内普遍预计，绿氢大约到2030年能够具备和蓝氢相当的成本竞争力。

在绿氢制备技术方面，目前已经成熟的技术有3项：质子交换膜技术、碱性水电解技术、固体氧化物电解技术。

Thyssenkrupp的第一个绿氢项目目前已经获得了工程合同，即为加拿大魁北克水电公司建设一座88兆瓦、年产1.11万吨绿氢的电解水厂。该电解水厂的调试工作计划于2023年下半年进行。除此之外，蒂森还与STEAG能源公司合作，在蒂森的杜伊斯堡STEAG工厂建立电解水厂，该厂所制造的绿氢将被应用于蒂森自己的氢冶金工艺。

2、氢气存储要求高，难度大。

氢的高密度储存一直是较大难题。目前储氢方法主要有低温液态储氢、高压气态储氢及储氢材料储氢三种。

液态氢的密度是气体氢的845倍，体积能量密度比压缩状态下的氢气高出数倍，对于储氢容器的要求异常严格，需要耐超低温、长时间可保持超低温、抗压以及严格绝热，对于材料的要求极高，目前只有航空航天领域在使用。高压气态储存是最常见的储氢方式，依靠压缩机将氢气压缩到储氢瓶中，然后用集装格和长管拖车等工具进行运输，长管拖车运输设备产业较为成熟，但在大规模、长距离储运技术上，成本和技术仍有待进一步改善。

3、部分氢冶金技术还处在研发阶段，高炉大比例喷吹存在工艺约束等工艺有待完善。

3.1除日本 COURSE50 在高炉中富氢实现验证减碳10%的效果；欲实现减碳 30%，还需要与采用碳捕捉和碳存储配合；如果碳捕捉和碳存储技术无法取得较大突破，高炉富氢对于钢铁行业大规模深度降碳可操作性不大。其它高炉富氢工艺都停留在试验阶段。

3.2氢冶金用氢气替代C直接还原和CO间接还原，由于此反应是吸热反应，高炉冶炼大比例增加氢气使用量存在工艺约束。高炉富氢还原炼铁在一定程度上能够有效促进提高生铁产量，但由于该工艺是基于传统的高炉，焦炭的骨架作用无法完全替代，同时氢还原需要补充热量，因此在高炉中喷吹氢气量存在极限值。

1、高炉增加球团和HBI使用量；由烧结工序的碳排放大于球团和HBI，生产1吨烧结矿排放262kg/t的碳排放，而球团工序的每吨排放60-80kg/t的CO2。但使用100%球团需要增加循环料处理设施。如压块或小烧结机。

2、增加喷吹煤；增加喷煤或改变煤种对CO2的影响很微小，一般影响1-10kg/t（主要贡献来自于提高喷吹煤质量）

3、喷天然气、喷焦炉煤气；用天然气代替100kg/t煤，可以实现4%的碳排放降低。但喷吹焦炉煤气或天然气需投资净化和加压系统。

4、喷吹废塑料和废物。影响碳排放较小。

5、喷吹氢气。可以降低碳排放5%。（在140kg/t煤比情况下加入15kg/t喷氢，氢为绿氢，生产1kg氢消耗50-58kwh电）

6、增加热风温度。如果风温由1120度提高到1250度，可以降低4%的碳排放。（受益于焦比降低，经验数据，增加100度风温可以降低焦比10kg/t），同时提高风温有利于提高煤比。