【国内】以宝武、河钢、鞍钢等为例看氢能冶金研究及最新进展

  “十四五”更趋严格的能耗“双控”要求和“双碳”目标约束，促使钢铁行业将碳减排摆在更突出的位置。钢铁行业要实现大幅碳减排，需要对传统冶炼工艺进行创新性变革，而氢冶金是实现低碳近零排放的终极冶金技术。氢能在冶金领域的创新与应用，将推动传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变，使钢铁生产摆脱对化石能源的绝对依赖，从源头上解决碳排放问题。因此，推动氢能冶金及其上下游产业链技术发展，是我国乃至全球钢铁工业实现低碳转型的重要方法之一。

  中国宝武早在2016年就启动了绿色低碳冶金技术创新工程，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CO2捕集和资源化利用技术等，目前，中国宝武已经组建低碳冶金创新中心，“一中心多试验基地”建设初步成形，启动研发了氢冶金技术、富氢碳循环高炉技术等10大科研项目。

  从2019年10月份，中国宝武在八一钢铁低碳冶金技术创新基地，开始改造建设和试验以富氢碳循环氧气高炉工艺为核心、辅以CO2捕集利用的创新型高炉低碳炼铁技术。2020年“富氢碳循环高炉”实现鼓风氧含量35%的冶炼目标，突破传统高炉的富氧极限，完成了第一阶段的试验任务。第二阶段通过工程改造，引入焦炉煤气、脱碳煤气，打通富氢碳循环工艺流程，2021年6月11日风口喷吹脱碳煤气，7月30日达到50%的超高富氧冶炼，8月8日风口喷吹焦炉煤气，首次实现富氢碳循环超高富氧冶炼创举，降低碳消耗15%，完成了第二阶段的试验任务。目前，“富氢碳循环高炉”正在进行第三阶段工业试验前的工程改造，预计明年中期完成改造任务，改造完成后将开展富氢碳循环全氧冶炼工业试验。此外，其将在八一钢铁建设1套万吨级CO2加氢转化制造化工产品的示范工程，并采用光伏发电-电解水制氢装置供应氢气。2020年宝钢股份建成1套高炉喷吹气体还原剂系统，研制出新型风口喷吹装置，10-11月在其炼铁厂1号高炉完成复合喷吹试验。天然气喷吹量为62Nm3/t，节约喷煤80kg/t，CO2直接减排20.3kg/t。

  中国宝武计划在湛江低碳冶金技术创新基地，开工建设1套100万吨/年氢基竖炉直接还原示范工程，同时使用天然气、焦炉煤气、氢气，还原气中氢气含量为60%。目前该项目已完成设计工作，正在进行项目报批，预计在今年年底或明年初开工建设，预计2023年9月投产。此外，湛江二期项目计划再建设1套100万吨/年氢基竖炉和配套电弧炉炼钢工程，采用可再次生产的能源发电-高效水电解槽生产的绿氢，氢气比例逐步达到80%-90%。

  在核能制氢方面，早在2019年初，中国宝武就与中核集团和清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，共同开发“核能制氢”技术，降氢成本，并与钢铁冶炼和煤化工耦合，实现钢铁行业CO2超低排放和绿色制造。目前，中核集团已完成10NL/h制氢工艺的闭合运行，建成了制氢能力为100NL/h规模的台架，并实现86h连续运行。

  在双碳背景下，河钢集团也在布局和推进低碳冶炼技术的研究及示范工程建设。2021年5月，河钢宣钢真正开始启动建设120万吨规模的氢冶金示范工程。项目采用Energiron-ZR（零重整）技术，可替代传统高炉碳冶金工艺，预计年减碳幅度达60%。项目充分的发挥张家口地区国家级可再次生产的能源示范区优势，充分的利用风能、太阳能等分布式可再次生产的能源，结合应用工业气体制氢和绿电电解水制氢，使用含氢量约70%的补充气源作为还原剂，生产1吨直接还原铁仅产生250kg CO2，同时对产生的CO2进行选择性回收，并在下游工艺再利用，1吨产品产生的最终净排放量仅约125kg CO2。同年7月底，河钢集团还投入运营了首批次30辆氢能重卡，打造钢铁生产氢能应用全产业链。

  河钢集团2019年3月，与中国工程院战略咨询中心、中国钢研、东北大学联合组建氢能技术与产业创新中心，积极开展氢能发展规划、应用技术、产业布局等领域合作。2019年11月，与意大利特诺恩集团签署谅解备忘录（MOU），商定双方在氢冶金技术方面开展深入合作，利用世界最先进的制氢和氢还原技术，并联合中钢国际等机构研发、建设120万吨规模的氢冶金示范工程。2020年11月，与特诺恩集团签订合同，建设高科技的氢能源开发和利用工程，这中间还包括一座年产60万吨的ENERGIKON直接还原厂。2021年3月，河钢集团和必和必拓签署合作备忘录，围绕氢气直接还原铁技术、钢渣处理及循环利用技术和铁矿石块矿使用率提升三大重点领域展开通力协作。

  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学技术创新重点方向，积极布局氢能冶金有关技术研究。

  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，一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。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。

  我国部分高等院校也开展了氢能冶金等低碳前沿技术的基础性、原创性研究及应用。

  东北大学：2020年8月成立低碳钢铁前沿技术研究院，加速研发氢冶金、CO2捕集利用、钢铁化工智能耦合联产等前沿技术；2021年6月与中钢国际合作进行低碳冶金技术、氢能制备储存利用技术、冶金-能源-化工耦合优化技术等重点任务的研究开发、示范应用和工程推广。

  上海大学：2020年11月和山西中升钢铁有限公司展开合作，共同建造半工业化试验系统——“富氢低碳冶炼模拟科学中心”大科学装置，用于高炉科学、低碳冶金、氢能利用等领域的研究。

  北京科技大学：联合其他研究机构，开发了建龙集团富氢熔融还原赛思普（CISP）新工艺；2021年1月成立二氧化碳科学研究中心，加速推动我们国家在CO2减排、捕集及资源化利用领域的重大突破和跨越，并在首钢集团已建成世界首条CO2工业大规模循环利用示范产线。

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