双碳背景下氢冶金还有多远？
氢能是21世纪全球公认最具发展力的清洁能源，具有来源广泛、清洁无（低）碳、热值高、灵活高效等特点，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择。在双碳背景下，氢能冶炼是钢铁生产实现无化石能源冶炼，达到零碳排放的重要路径之一，国内外多家钢铁公司正在大力布局氢能冶金、绿氢制备和氢能供应等项目，冶金工业信息标准研究院近期将系列报道氢能冶金全球动态、技术进展、氢能政策、专利研究等相关文章，以飨读者。
双碳背景下氢冶金还有多远？
国外氢冶金技术进展
冶金工业信息标准研究院
低碳研究团队
01
前言
在双碳背景下，钢铁行业绿色低碳发展已成为国际社会和行业的共识。近十年来，世界主要产钢国致力于开发能够显著降低CO₂排放的突破性低碳冶炼技术，氢能冶金氢能冶金应运而生，以氢代碳成为当前低碳发展、能源变革的重要方向，也将成为钢铁行业绿色低碳、高质量发展的重要路径之一。
目前，日本、韩国、欧美等高度重视氢能冶金发展，不同程度的将氢能冶金作为钢铁行业能源创新的重要方向，并进行了一系列氢能冶金方面的技术研发，如SSAB的HYBRIT项目、Thyssenkrupp高炉喷氢项目、日本COURSE50项目、韩国的全氢高炉等。
02
国外氢能冶金发展现状
国外多家钢铁企业对氢能冶金进行深度研究和布局，项目大都进入了建设或者试验阶段，其中典型的项目如表1所示。
2.1
欧洲
随着欧盟“2030年气候和能源政策目标”的发布，欧盟各国都推出更为严格的环保法规和排放标准，特别是欧盟排放权交易体系(EU-ETS)的建立使各行业碳排放的成本大大增加，在此背景下，欧洲钢铁行业对节能减排的重视程度再度提升。目前欧洲开展氢能冶金研究和实践的钢铁相关企业主要有AM集团、SSAB、萨尔茨吉特、Thyssenkrupp和Voestalpine等。
（1）AM集团开展纯氢炼铁技术研发
AM集团投资6500万欧元，在其德国汉堡厂进行氢直接还原铁矿石项目，并计划在未来几年建设中试厂，该项目思路与瑞典HYBRIT项目类似。目前AM集团汉堡厂采用天然气生产直接还原铁，并与弗莱贝格工业大学合作，计划未来几年在汉堡厂对氢直接还原铁矿石工艺进行试验，中试厂规模为10万吨/年。另外，该项目氢气来源将首先采用变压吸附法从AM集团汉堡厂炉顶煤气中分离氢气，其纯度可达95%以上，待未来有足够数量绿氢（来自可再生能源的氢）时，再采用绿氢生产。AM集团计划到2025年，将其西班牙Sestao厂改造成世界上第一家完全零碳排放钢铁厂。
此外，AM集团和位于比利时根特的OCAS研究中心启动了一个新钢种研发项目，用于氢气输送管线建设。其位于法国的Fos-sur-Mer钢厂和德国不来梅钢厂生产的L415ME储氢带钢被用于支持欧洲氢战略，首批2100mm带钢成功用于建设横跨意大利440公里的高压氢气输送管线，该管线输送氢气浓度高达100%。
（2）瑞典钢铁HYBRIT项目
HYBRIT项目是由瑞典SSAB公司、国有铁矿石公司(LKAB)和大瀑布电力公司联合建设，旨在联合开发用氢替代炼焦煤和焦炭的突破性炼铁技术。HYBRIT项目研究采用氢与球团矿直接还原炼铁，氢来源于非化石能源。项目研究任务包括：可再生能源发电及其对电力系统的影响，寻找有效的可再生能源用于发电，为非化石能源冶炼提供能源，同时降低制氢成本；建设制氢与存储工艺及相关装备，为HYBRIT工艺提供低成本、可靠稳定的氢气，并进行氢气产业链布局；研究氢基直接还原炼铁工艺；研究配套炼钢工艺；研究系统集成、过渡路径和政策等。
2018年6月，HYBRIT项目在瑞典Lulea建设中试厂，年产50万吨直接还原铁。预计到2024年，该中试厂建造和运营成本为10亿-20亿瑞典克朗，2035年前形成无碳解决方案。作为配套设施，2019年10月HYBRIT项目投资1.5亿瑞典克朗，瑞典能源署出资近5000万瑞典克朗，在靠近Lulea中试厂LKAB的Svartoberget地下25-35米建造新氢气储存设施，预计2022-2024年运行。计划2026年甚至更早，SSAB公司Lulea厂向市场提供第一批非化石能源生产的钢铁产品。据了解，中试工厂于2020年8月31日已经生产出世界上第一批氢还原海绵铁，产量10万吨以上。
（3）萨尔茨吉特SALCOS项目
SALCOS项目旨在将原有的高炉-转炉改造为直接还原炼铁+电弧炉工艺路线，同时实现富余氢气利用。2016年4月萨尔茨吉特正式启动GrInHy 1.0（绿色工业制氢）项目，采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，并将多余的氢气储存起来。当风能（或其他可再生能源）波动时，电解槽转变成燃料电池，向电网供电，平衡电力需求。2017年5月该系统安装了1500组固体氧化物电解槽，2018年1月完成系统工业化环境运行，2019年1月完成连续2000个小时系统测试后，萨尔茨吉特开展GrInHy 2.0项目。GrInHy 2.0项目显著特点是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气，用水蒸气与绿色再生能源发电，然后采用高温电解水法生产氢气，氢气既可用于直接还原铁及钢后生产。
据德国萨尔茨吉特公司称，该公司在其Flachstahl厂GrInHy2.0电解槽上进行了试运行。2021年7月20日，GrInHy2.0电解槽上生产的15吨绿氢已被用于退火和镀锌生产，以替代从天然气裂解生产的氢气。到今年年底，萨尔茨吉特GrInHy2.0电解槽计划实现每小时生产200Nm3氢气能力。到2022年底，该电解装置运行将超过13000小时，意味着可向Flachstahl厂提供超过所需95%的绿氢。
（4）奥钢联H2FUTURE项目
2017年初，由奥钢联发起的H2FUTURE项目，旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术，降低钢铁生产碳排放，到2050年实现年减少80%碳排放目标。H2FUTURE项目成员单位包括奥钢联、西门子、Verbund（奥地利领先的电力供应商，欧洲最大的水电商）公司、奥地利电网（APG）公司、奥地利K1-MET中心组等。该项目将建设世界最大的氢还原中试工厂。西门子作为质子交换膜电解槽的技术提供方，将为奥钢联林茨厂提供电解能力为6兆瓦的电解槽，氢气产量为1200m³/小时，电解水产氢效率目标为80%以上；Verbund公司作为项目协调方，将利用可再生能源发电，同时提供电网相关服务；奥地利电网公司负责确保电力供应平衡，保障电网频率稳定；奥地利K1-MET中心组将负责研发钢铁生产过程中氢气可替代碳或碳基能源的工序，定量对比研究电解槽系统与其他方案在钢铁行业应用的技术可行性和经济性，同时研究该项目在欧洲甚至是全球钢铁行业的可复制性和大规模应用的潜力。
（5）德国迪林根和萨尔公司富氢炼铁技术
德国迪林根（Dillinger）和萨尔公司（Saarstahl）计划投资1400万欧元，研究将联合钢铁企业产生的富氢焦炉煤气输入萨尔炼铁公司的两座高炉中，用氢取代部分碳作为还原剂的工艺技术。该项研究涉及的设备及基础设施不影响高炉的运行。
（6）Thyssenkrupp氢炼铁技术
Thyssenkrupp与液化气公司合作，计划到2050年实现将氢气大量喷入高炉的氢炼铁技术，项目投资100亿欧元。2019年11月11日，Thyssenkrupp正式将氢气注入杜伊斯堡厂9号高炉进行氢炼铁试验。氢气通过其中一个风口注入了9号高炉，标志该项目一系列测试开始。此外，Thyssenkrupp还计划从2022年开始，该厂其他三座高炉都将使用氢气进行钢铁冶炼，降低生产中的CO₂排放，降幅可高达20%。此外，液化气公司将通过其位于莱茵-鲁尔区全长200公里的管道确保稳定的氢气供应。
2020年，Thyssenkrupp和德国莱茵集团（RWE）决定建立长期的氢能源合作伙伴关系。第一批氢气将在2025年前后输入Thyssenkrupp杜伊斯堡钢铁厂的高炉中，所用的氢来源于水电解，而水电解所需的电力来源于可再生能源。RWE的林格发电厂计划建设一个100兆瓦的电解槽，每小时可生产1.7吨气态氢，相当于Thyssenkrupp杜伊斯堡钢厂高炉所需氢气量的70%左右，理论上可生产5万吨左右的气候中性钢材。Thyssenkrupp将于2022年起对高炉进行改造，最终在整个钢铁生产过程实现碳中和。
（7）普瑞特开发无碳氢基铁矿粉直接还原技术
2019年6月，普锐特宣布正在开发一种不需要烧结或球团等任何预处理工序，即可使用铁精矿的直接还原工艺。该工艺借鉴了Finmet 工艺开发和设备安装的经验，可采用所有类型的精矿，甚至是粒度小于0.15毫米的粉矿。新工艺使用氢气作为主要的还原剂，氢气来自绿氢（可再生能源制备的氢气）、传统蒸汽重整炉的富氢气体或者富氢废气，将显著减少CO₂排放甚至零排放。直接还原设备采用模块化设计，每个模块的设计产能为25万吨/年，可适用所有规模的钢厂。
为试验该工艺并为下一步的工业规模设备的设计提供基础数据，普锐特将在奥钢联多纳维茨钢铁公司建立中试厂。中试厂由三个部分组成，包括预热-氧化装置、气体处理设备和还原设备。精矿粉在预热-氧化装置中加热到约 900℃进入还原设备；氢气由气体供应装置通过导流栅提供；配套的废气余热回收系统保证能源使用得到优化，干法除尘系统解决粉尘排放问题。
2.2
日本
2008年日本启动“COURSE50”低碳炼铁项目，其核心技术是氢还原炼铁法，即用氢置换部分煤粉和焦炭，以减少高炉CO₂排放，以及使用化学吸收法和物理吸附法将高炉煤气中的CO₂进行分离和回收的技术。项目目标是：使用氢还原炼铁法减排10%，通过从高炉煤气中分离回收CO₂技术减排20%，从而达到整体减排30%的目标。日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托日本制铁、JFE、神户制钢、日新制钢、新日铁工程公司等5家公司进行实验，预计2030年实现1号机组工业生产，2050年普及到日本国内所有高炉。
（1） COURSE50项目基本达到CO₂减排10%目标
2019年日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）和日本钢铁联盟宣称，日本环境友好型炼铁工艺技术开发项目（COURSE50）通过在日本制铁君津厂厂内的炉容积为12m³的试验高炉上进行的试验证明，目前已基本达到减少高炉CO₂排放10%的目标，完成了确立CO₂削减、分离、回收技术的目标。
日本制铁炼铁部部长指出，由于焦炭用量减少，炉内气流阻力大幅增加，试验高炉与实际高炉（约4000-5000m³）的风口数量、焦炭运动形态均不相同，还存在大量热平衡和气体平衡等诸多技术课题有待攻克。
（2） COURSE50项目2022年开始实际高炉放大测试
2020年8月，COURSE50项目的第二阶段第1步中期试验在短时间内取得了优异的成绩，具体成果有：1）高炉CO₂减排技术：试验结果（试验高炉）和理论结果（数学模型）表明，通过高炉风口注入室温氢基气体的单独操作，可以实现约10%的CO₂减排，从而将高炉氢气还原技术的选择范围扩大到实际应用；2）高炉CO₂分离回收技术：①CO₂分离回收单位能耗达到1.63GJ/t-CO₂，接近理论极限；②基于燃气清洁度的研究，提出了考虑耐久性的余热回收设备的组成。2022年度将在两座高炉上进行工业试验，目前已开始高炉选定工作，包括管道气体设计、分析技术等。
2.3
韩国
2009年，韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议（KNHA），开展核能制氢信息交流和技术研发。2010年6月，以韩国电力公司为首的财团投资1000亿韩元，联合POSCO和韩国原子能研究院（KAERI）开展系统集成模块化先进反应堆（Smart）和超高温核反应堆（VHTR）技术研发工作。全氢高炉炼铁技术的短期目标是利用钢铁生产过程中的副产气体制取氢气，中长期目标是开发出低成本高纯度规模化制氢技术。
为了实现绿氢生产、引进和利用，浦项集团通正过技术开发及业务合作，全面确保氢能供应。2021年3月，POSCO在首尔浦项中心与韩国科学技术研究院（KIST）、浦项产业科学研究院（RIST）签署了《促进氢领域研究合作的业务协议》，旨在从氨气中提取氢的技术进行商业化。目前，运输氢气的方法包括氢液化、氨气合成以及各种新技术，其中最有效的方式是氨气合成法。因为将氢气合成氨气，运输时可以利用现有分销网络，运输过程中损失较少。利用氢气合成氨气的技术已经成熟，然而从氨气中重新提取氢气的技术还处于初期阶段，该技术一旦成功，将为加快韩国绿氢时代发展作出贡献。
03
小结
（1）氢能直接还原炼铁已取得实质性进展，但氢成本和储运仍是掣肘。以美国Midrex、AM集团氢直接还原和瑞典HYBRIT为代表的氢能直接还原炼铁项目，已经成功采用绿氢冶炼出生铁，标志着氢能用于直接还原炼铁技术已经取得实质性进展，随着制氢成本和储运技术取得突破，未来规模化生产可期。
（2）氢能用于高炉富氢冶炼取得了阶段性研究成果，规模化推广尚处于探索阶段。以Thyssenkrupp和日本COURSE50为代表的富氢高炉项目，经过多年发展，已经进入工业试验阶段，但仍然存在大量的热平衡和气体平衡等诸多课题有待攻克。
（3）灰氢仍是氢能冶金主要来源，绿氢规模化生产仍需多方突破。当前，工业中产生的氢气主要来自于焦化和化工副产氢气，仍为“灰氢”，低成本制取“绿氢”依然面临严峻的技术挑战。
（4）各国正在加速研究氢气储运，氢转液氨或将成为新的储运方式。浦项集团正在联合相关研究机构推动从氨气中提取氢的技术商业化。利用氢气合成氨气的技术已经成熟，然而从氨气中重新提取氢气的技术还处于初期阶段，该技术一旦成功，将为加快绿氢时代发展作出贡献。
（5）国外钢企正在加快氢气储运新钢种研发。AM集团已经开发出L415ME储氢用带钢，并成功用于意大利440公里100%氢气浓度的管线运输。
冶金工业信息标准研究院
低碳研究团队：
冶金工业信息标准院（CMISI）是我国钢铁行业最早开展低碳产 业研究、低碳政策研究、低碳科技跟踪、低碳项目咨询、低碳标准制 定、低碳宣传推广的单位。
CMISI 拥有丰富的低碳信息情报资源和最扎实的低碳平台支撑。承担了国家科技图书文献中心冶金分中心和中国工程科技知识中心 冶金分中心，负责国家钢铁行业绿色低碳发展的信息情报保障。拥有 国家认定授予的工业节能与绿色发展评价中心。承担了全国钢标委所 属低碳冶金、碳排放管理、冶金节能、冶金绿色制造、烟气综合治理、 冶金节水、电弧炉短流程炼钢、冶金固废资源等标准化组织的秘书处。承担了国家产业技术基础公共服务平台、国家新材料生产应用示范平 台、国家新材料产业资源共享平台。
CMISI 依托上述资源和平台优势，先后为政府部门、团体组织、 钢铁企业开展了数百项绿色低碳相关课题研究和项目咨询等服务。
● 内容来源：冶金工业信息标准研究院