氫冶金的原理

HYBRIT工藝是基于使用無化石能源和氫氣（H?）直接還原鐵礦石。氫氣是利用無化石電力電解水而產(chǎn)生的。氫與鐵礦石中的氧發(fā)生反應，形成金屬鐵和水蒸氣。

HYBRIT工藝的特別之處在于，所有氫氣均是通過利用電解方式將電流通過水中而獲得。雖然此工藝屬于能源密集型，但是如果所需電力可以再生，那么整個工藝的碳排放可以忽略不計。

高爐工藝和HYBRIT工藝生產(chǎn)鐵水和海綿鐵的流程對比

研究內(nèi)容：一是以氫直接還原鐵礦石的高爐減排二氧化碳技術，主要包括氫還原鐵礦石的技術，增加氫含量的焦爐煤氣改質(zhì)技術，以及高強度高反應性焦炭的生產(chǎn)技術，目標是實現(xiàn)10%的二氧化碳減排。二是高爐煤氣中二氧化碳的分離、回收技術，包括二氧化碳在高爐煤氣中的分離和捕集技術，利用鋼廠廢熱能源對二氧化碳進行分離和捕集，目標是減排20%的二氧化碳。

薩爾茨吉特先期策劃實施了薩爾茨吉特風電制氫項目（Wind H?）項目思路是采用風力發(fā)電，電解水制氫和氧，再將氫氣輸送給冷軋工序作為還原性氣體，將氧氣輸送給高爐使用。2016年4月正式啟動了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，綠色工業(yè)制氫）項目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產(chǎn)氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲存起來。

以世界領先的第四代高溫氣冷堆核電技術為基礎，開展超高溫氣冷堆核能制氫技術的研發(fā)，并與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，依托中國寶武產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的二氧化碳超低排放和綠色制造。其中核能制氫是將核反應堆與采用先進制氫工藝的制氫廠耦合，進行大規(guī)模H?生產(chǎn)。經(jīng)初步計算，一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬噸二氧化碳，減少能源消費約100萬噸標準煤，將有效緩解我國鋼鐵生產(chǎn)的碳減排壓力。

中國寶武主要技術方向有：以富氫碳循環(huán)高爐工藝為核心的低碳高爐技術；以氫還原代替碳還原的氫冶金工藝（氫基豎爐直接還原）；冶金尾氣CO?捕集和資源化利用技術等。

氫基直接還原鐵項目（CSDRI）工藝突破了焦爐煤氣改質(zhì)的關鍵技術，包括氣體轉化和凈化技術，特別是低壓深度脫硫凈化技術。

CSDRI工藝流程圖

2021年6月，中晉冶金科技有限公司旗下的中晉太行礦業(yè)有限公司，在山西左權縣龍泉鄉(xiāng)循環(huán)經(jīng)濟工業(yè)示范園區(qū)，建設的1套氣基豎爐直接還原鐵工業(yè)化試驗裝置點火投產(chǎn)，并生產(chǎn)出合格海綿鐵。

2021年，氫冶金中心完成了晉南鋼鐵2座1860m3高爐風口噴吹副產(chǎn)氫氣的研發(fā)、設計和工業(yè)化應用。本項目是氫冶金中心自主研發(fā)并推廣的高爐噴氫技術的工程落地，也是首次實現(xiàn)在大型高爐連續(xù)安全噴氫的工程實踐。經(jīng)過半年多的高爐噴氫運行表明，晉南鋼鐵2座1860m3高爐實現(xiàn)了噸鐵平均氫氣噴吹量為63Nm3，高爐燃料比平均降低36kg/t（其中焦炭降低6.5kg，煤粉降低29.5kg），焦爐煤氣與高爐固體燃料的平均置換比為0.57kg/Nm3，取得了較好的經(jīng)濟、社會、環(huán)境和降碳效果，對我國鋼鐵企業(yè)高爐低碳綠色冶煉具有引領示范作用。

該項目開發(fā)的氫還原新工藝，依靠自主和集成創(chuàng)新，采用產(chǎn)學研相結合的模式，核心技術為Tenova公司的Energiron-ZR（零重整）技術，可替代傳統(tǒng)高爐碳冶金工藝，預計年可減碳幅度達60%。

酒鋼煤基氫冶金中試基地以高爐瓦斯灰為原料進行了多次試驗。項目團隊分別以酒鋼自產(chǎn)冶金焦丁和褐煤為還原劑，進行了碳冶金和氫冶金的對比試驗，兩種工藝的金屬化率分別為40%左右和85%以上，體現(xiàn)出氫冶金技術的優(yōu)勢。

鞍鋼集團正在研究制定碳規(guī)劃、碳達峰行動方案，將低碳冶金技術開發(fā)作為科技創(chuàng)新重點方向，積極布局氫能冶金相關技術研究。2021年7月，鞍鋼集團、鞍山鋼鐵與中科院過程所、中科院大化所、上海大學簽訂“綠色氫能冶金技術”五方聯(lián)合研發(fā)協(xié)議，共同推動綠色氫能冶金技術的發(fā)展和應用，實現(xiàn)低碳冶金新技術路線的突破。項目主要是風電+光伏（綠電）-電解水制氫（綠氫）-氫冶金工藝，配加釩電池儲能調(diào)峰。光伏發(fā)電和電解水由大連化物所負責；氫冶金工藝由中科院過程所負責；上海大學配合作氫冶金技術開發(fā)。集聚各方優(yōu)勢，深化產(chǎn)學研合作，為行業(yè)提供可行的低碳冶金技術解決方案。

2021年，包鋼集團發(fā)布碳達峰、碳中和發(fā)展宣言，部署碳匯合作、開展氫冶金等技術研究。2021年7月，包鋼股份技術中心成立低碳氫冶金研究所，積極開展低碳氫冶金技術研究及工業(yè)化應用。2021年8月，包鋼集團與億利集團、西部天然氣公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同探索低碳冶金、綠色能源應用的具體實踐路徑。以包鋼集團氫冶金工藝路線為基礎和應用場景，充分發(fā)揮億利集團在制氫及西部天然氣公司在管網(wǎng)輸氣方面的優(yōu)勢，形成光伏制氫、管道輸氫和綠氫冶煉的產(chǎn)業(yè)共同體；同時，積極探索發(fā)展氫能重卡等終端應用產(chǎn)業(yè)和碳減排指標交易模式，合作打造區(qū)域企業(yè)攜手實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的成功范例。

2021年4月，建龍集團內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司在內(nèi)蒙古烏海市國家級低碳工業(yè)示范園，建設的氫基熔融還原法冶煉高純鑄造生鐵項目順利投產(chǎn)，一次性產(chǎn)出高純鑄造生鐵156噸。項目于2009年8月開工建設，年產(chǎn)能30萬噸，總投資10.9億元。建龍烏海項目是建龍集團聯(lián)合北京科技大學等科研院所開發(fā)出的富氫熔融還原賽思普（CISP）新工藝。截止目前已經(jīng)申報專利79項，授權專利45項。CISP工藝將通過三代技術更迭，最終實現(xiàn)等離子氫熔融還原：第一階段，實現(xiàn)煤+焦爐煤氣熔融還原煉鐵工藝；第二階段，實現(xiàn)純焦爐煤氣熔融還原煉鐵工藝；第三階段，實現(xiàn)純氫熔融還原煉鐵工藝；第四階段，實現(xiàn)等離子氫熔融還原煉鐵工藝。

來源：軋鋼之家