氫冶金的原理

HYBRIT工藝是基于使用無(wú)化石能源和氫氣（H?）直接還原鐵礦石。氫氣是利用無(wú)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(yīng)，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(guò)利用電解方式將電流通過(guò)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(gè)工藝的碳排放可以忽略不計(jì)。

高爐工藝和HYBRIT工藝生產(chǎn)鐵水和海綿鐵的流程對(duì)比

研究?jī)?nèi)容：一是以氫直接還原鐵礦石的高爐減排二氧化碳技術(shù)，主要包括氫還原鐵礦石的技術(shù)，增加氫含量的焦?fàn)t煤氣改質(zhì)技術(shù)，以及高強(qiáng)度高反應(yīng)性焦炭的生產(chǎn)技術(shù)，目標(biāo)是實(shí)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(shù)，包括二氧化碳在高爐煤氣中的分離和捕集技術(shù)，利用鋼廠廢熱能源對(duì)二氧化碳進(jìn)行分離和捕集，目標(biāo)是減排20%的二氧化碳。

薩爾茨吉特先期策劃實(shí)施了薩爾茨吉特風(fēng)電制氫項(xiàng)目（Wind H?）項(xiàng)目思路是采用風(fēng)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(dòng)了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，綠色工業(yè)制氫）項(xiàng)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(chǔ)存起來(lái)。

以世界領(lǐng)先的第四代高溫氣冷堆核電技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)展超高溫氣冷堆核能制氫技術(shù)的研發(fā)，并與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，依托中國(guó)寶武產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，實(shí)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(yīng)堆與采用先進(jìn)制氫工藝的制氫廠耦合，進(jìn)行大規(guī)模H?生產(chǎn)。經(jīng)初步計(jì)算，一臺(tái)60萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆機(jī)組可滿足180萬(wàn)噸鋼對(duì)氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬(wàn)噸二氧化碳，減少能源消費(fèi)約100萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，將有效緩解我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的碳減排壓力。

中國(guó)寶武主要技術(shù)方向有：以富氫碳循環(huán)高爐工藝為核心的低碳高爐技術(shù)；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(shù)等。

氫基直接還原鐵項(xiàng)目（CSDRI）工藝突破了焦?fàn)t煤氣改質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)，包括氣體轉(zhuǎn)化和凈化技術(shù)，特別是低壓深度脫硫凈化技術(shù)。

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(quán)縣龍泉鄉(xiāng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)示范園區(qū)，建設(shè)的1套氣基豎爐直接還原鐵工業(yè)化試驗(yàn)裝置點(diǎn)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(fēng)口噴吹副產(chǎn)氫氣的研發(fā)、設(shè)計(jì)和工業(yè)化應(yīng)用。本項(xiàng)目是氫冶金中心自主研發(fā)并推廣的高爐噴氫技術(shù)的工程落地，也是首次實(shí)現(xiàn)在大型高爐連續(xù)安全噴氫的工程實(shí)踐。經(jīng)過(guò)半年多的高爐噴氫運(yùn)行表明，晉南鋼鐵2座1860m3高爐實(shí)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?fàn)t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(jì)、社會(huì)、環(huán)境和降碳效果，對(duì)我國(guó)鋼鐵企業(yè)高爐低碳綠色冶煉具有引領(lǐng)示范作用。

該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的氫還原新工藝，依靠自主和集成創(chuàng)新，采用產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的模式，核心技術(shù)為Tenova公司的Energiron-ZR（零重整）技術(shù)，可替代傳統(tǒng)高爐碳冶金工藝，預(yù)計(jì)年可減碳幅度達(dá)60%。

酒鋼煤基氫冶金中試基地以高爐瓦斯灰為原料進(jìn)行了多次試驗(yàn)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分別以酒鋼自產(chǎn)冶金焦丁和褐煤為還原劑，進(jìn)行了碳冶金和氫冶金的對(duì)比試驗(yàn)，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(shù)的優(yōu)勢(shì)。

鞍鋼集團(tuán)正在研究制定碳規(guī)劃、碳達(dá)峰行動(dòng)方案，將低碳冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)作為科技創(chuàng)新重點(diǎn)方向，積極布局氫能冶金相關(guān)技術(shù)研究。2021年7月，鞍鋼集團(tuán)、鞍山鋼鐵與中科院過(guò)程所、中科院大化所、上海大學(xué)簽訂“綠色氫能冶金技術(shù)”五方聯(lián)合研發(fā)協(xié)議，共同推動(dòng)綠色氫能冶金技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低碳冶金新技術(shù)路線的突破。項(xiàng)目主要是風(fēng)電+光伏（綠電）-電解水制氫（綠氫）-氫冶金工藝，配加釩電池儲(chǔ)能調(diào)峰。光伏發(fā)電和電解水由大連化物所負(fù)責(zé)；氫冶金工藝由中科院過(guò)程所負(fù)責(zé)；上海大學(xué)配合作氫冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)。集聚各方優(yōu)勢(shì)，深化產(chǎn)學(xué)研合作，為行業(yè)提供可行的低碳冶金技術(shù)解決方案。

2021年，包鋼集團(tuán)發(fā)布碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展宣言，部署碳匯合作、開(kāi)展氫冶金等技術(shù)研究。2021年7月，包鋼股份技術(shù)中心成立低碳?xì)湟苯鹧芯克e極開(kāi)展低碳?xì)湟苯鸺夹g(shù)研究及工業(yè)化應(yīng)用。2021年8月，包鋼集團(tuán)與億利集團(tuán)、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(yīng)用的具體實(shí)踐路徑。以包鋼集團(tuán)氫冶金工藝路線為基礎(chǔ)和應(yīng)用場(chǎng)景，充分發(fā)揮億利集團(tuán)在制氫及西部天然氣公司在管網(wǎng)輸氣方面的優(yōu)勢(shì)，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(shí)，積極探索發(fā)展氫能重卡等終端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)和碳減排指標(biāo)交易模式，合作打造區(qū)域企業(yè)攜手實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的成功范例。

2021年4月，建龍集團(tuán)內(nèi)蒙古賽思普科技有限公司在內(nèi)蒙古烏海市國(guó)家級(jí)低碳工業(yè)示范園，建設(shè)的氫基熔融還原法冶煉高純鑄造生鐵項(xiàng)目順利投產(chǎn)，一次性產(chǎn)出高純鑄造生鐵156噸。項(xiàng)目于2009年8月開(kāi)工建設(shè)，年產(chǎn)能30萬(wàn)噸，總投資10.9億元。建龍烏海項(xiàng)目是建龍集團(tuán)聯(lián)合北京科技大學(xué)等科研院所開(kāi)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(bào)專利79項(xiàng)，授權(quán)專利45項(xiàng)。CISP工藝將通過(guò)三代技術(shù)更迭，最終實(shí)現(xiàn)等離子氫熔融還原：第一階段，實(shí)現(xiàn)煤+焦?fàn)t煤氣熔融還原煉鐵工藝；第二階段，實(shí)現(xiàn)純焦?fàn)t煤氣熔融還原煉鐵工藝；第三階段，實(shí)現(xiàn)純氫熔融還原煉鐵工藝；第四階段，實(shí)現(xiàn)等離子氫熔融還原煉鐵工藝。