全球钢铁企业氢冶金工艺盘点

      氢冶金即用氢气取代碳作为还原剂和能量源炼铁，还原产物为水，可实现零碳排放（基本反应式为Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，还原剂为氢气，产物为铁和水）。

氢冶金的原理

钢铁行业主要降碳工艺对比

HYBRIT工艺是基于使用无化石能源和氢气(H2)直接还原铁矿石。氢气是利用无化石电力电解水而产生的。氢与铁矿石中的氧发生反应，形成金属铁和水蒸气。

HYBRIT工艺的特别之处在于，所有氢气均是通过利用电解方式将电流通过水中而获得。虽然此工艺属于能源密集型，但是如果所需电力可以再生，那么整个工艺的碳排放可以忽略不计。

高炉工艺和HYBRIT工艺生产铁水和海绵铁的流程对比

研究内容：一是以氢直接还原铁矿石的高炉减排二氧化碳技术，主要包括氢还原铁矿石的技术，增加氢含量的焦炉煤气改质技术，以及高强度高反应性焦炭的生产技术，目标是实现10%的二氧化碳减排。二是高炉煤气中二氧化碳的分离、回收技术，包括二氧化碳在高炉煤气中的分离和捕集技术，利用钢厂废热能源对二氧化碳进行分离和捕集，目标是减排20%的二氧化碳。

萨尔茨吉特先期策划实施了萨尔茨吉特风电制氢项目(Wind H2)，项目思路是采用风力发电，电解水制氢和氧，再将氢气输送给冷轧工序作为还原性气体，将氧气输送给高炉使用。2016年4 月正式启动了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，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。

以世界领先的第四代高温气冷堆核电技术为基础，开展超高温气冷堆核能制氢技术的研发，并与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合，依托中国宝武产业发展需求，实现钢铁行业的二氧化碳超低排放和绿色制造。其中核能制氢是将核反应堆与采用先进制氢工艺的制氢厂耦合，进行大规模H2生产。经初步计算，一台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的需求，每年可减排约300万吨二氧化碳，减少能源消费约100万吨标准煤，将有效缓解我国钢铁生产的碳减排压力。

中国宝武低碳冶金技术路线图

中国宝武主要技术方向有：以富氢碳循环高炉工艺为核心的低碳高炉技术；以氢还原代替碳还原的氢冶金工艺（氢基竖炉直接还原）；冶金尾气CO捕集和资源化利用技术等。

氢基直接还原铁项目（CSDRI）工艺突破了焦炉煤气改质的关键技术，包括气体转化和净化技术，特别是低压深度脱硫净化技术。

CSDRI工艺流程图

2021年6月，中晋冶金科技有限公司旗下的中晋太行矿业有限公司，在山西左权县龙泉乡循环经济工业示范园区，建设的1套气基竖炉直接还原铁工业化试验装置点火投产，并生产出合格海绵铁。

2021年，氢冶金中心完成了晋南钢铁2座1860m3高炉风口喷吹副产氢气的研发、设计和工业化应用。本项目是氢冶金中心自主研发并推广的高炉喷氢技术的工程落地，也是首次实现在大型高炉连续安全喷氢的工程实践。经过半年多的高炉喷氢运行表明，晋南钢铁2座1860m3高炉实现了吨铁平均氢气喷吹量为63Nm3，高炉燃料比平均降低36kg/t（其中焦炭降低6.5kg，煤粉降低29.5kg），焦炉煤气与高炉固体燃料的平均置换比为0.57kg/Nm3，取得了较好的经济、社会、环境和降碳效果，对我国钢铁企业高炉低碳绿色冶炼具有引领示范作用。

该项目开发的氢还原新工艺，依靠自主和集成创新，采用产学研相结合的模式，核心技术为Tenova公司的Energiron-ZR（零重整）技术，可替代传统高炉碳冶金工艺，预计年可减碳幅度达60%。

酒钢煤基氢冶金中试基地以高炉瓦斯灰为原料进行了多次试验。项目团队分别以酒钢自产冶金焦丁和褐煤为还原剂，进行了碳冶金和氢冶金的对比试验，两种工艺的金属化率分别为40%左右和85%以上，体现出氢冶金技术的优势。

鞍钢集团正在研究制定碳规划、碳达峰行动方案，将低碳冶金技术开发作为科技创新重点方向，积极布局氢能冶金相关技术研究。2021年7月，鞍钢集团、鞍山钢铁与中科院过程所、中科院大化所、上海大学签订“绿色氢能冶金技术”五方联合研发协议，共同推动绿色氢能冶金技术的发展和应用，实现低碳冶金新技术路线的突破。项目主要是风电+光伏（绿电）-电解水制氢（绿氢）-氢冶金工艺，配加钒电池储能调峰。光伏发电和电解水由大连化物所负责；氢冶金工艺由中科院过程所负责；上海大学配合作氢冶金技术开发。集聚各方优势，深化产学研合作，为行业提供可行的低碳冶金技术解决方案。

2021年，包钢集团发布碳达峰、碳中和发展宣言，部署碳汇合作、开展氢冶金等技术研究。2021年7月，包钢股份技术中心成立低碳氢冶金研究所，积极开展低碳氢冶金技术研究及工业化应用。2021年8月，包钢集团与亿利集团、西部天然气公司签署战略合作协议，共同探索低碳冶金、绿色能源应用的具体实践路径。以包钢集团氢冶金工艺路线为基础和应用场景，充分发挥亿利集团在制氢及西部天然气公司在管网输气方面的优势，形成光伏制氢、管道输氢和绿氢冶炼的产业共同体；同时，积极探索发展氢能重卡等终端应用产业和碳减排指标交易模式，合作打造区域企业携手实现碳达峰、碳中和目标的成功范例。

2021年4月，建龙集团内蒙古赛思普科技有限公司在内蒙古乌海市国家级低碳工业示范园，建设的氢基熔融还原法冶炼高纯铸造生铁项目顺利投产，一次性产出高纯铸造生铁156吨。项目于2009年8月开工建设，年产能30万吨，总投资10.9亿元。建龙乌海项目是建龙集团联合北京科技大学等科研院所开发出的富氢熔融还原赛思普（CISP）新工艺。截止目前已经申报专利79项，授权专利45项。CISP工艺将通过三代技术更迭，最终实现等离子氢熔融还原：第一阶段，实现煤+焦炉煤气熔融还原炼铁工艺；第二阶段，实现纯焦炉煤气熔融还原炼铁工艺；第三阶段，实现纯氢熔融还原炼铁工艺；第四阶段，实现等离子氢熔融还原炼铁工艺。