氢能助力钢铁业绿色转型：从技术创新到实践应用
氢能助力钢铁业绿色转型：从技术创新到实践应用
在全球应对气候变化的大背景下，钢铁行业作为碳排放大户，其绿色转型已成为全球共识。据统计，全球钢铁行业碳排放量约占工业领域碳排放总量的25%，而在我国这一比例更是高达15%。面对日益严峻的环保压力，氢能作为一种清洁、高效的能源载体，正在为钢铁行业的绿色转型注入新的动力。
氢冶金技术：钢铁行业的绿色革命
氢冶金技术的核心原理是利用氢气的还原性，将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁。这一过程主要通过两种技术路线实现：高炉富氢冶炼和气基直接还原竖炉炼铁。
高炉富氢还原通过喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体参与炼铁过程。这种技术路线可以在一定程度上减少碳排放，但由于焦炭的骨架作用无法被完全替代，氢气喷吹量存在极限值，一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度可达10%-20%。
气基直接还原竖炉则使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。这种技术路线的碳减排效果更为显著，相较于富氢还原高炉，每吨二氧化碳排放量可减少50%以上。
氢冶金技术的优势在于：
- 显著减少碳排放：以氢代碳的还原过程几乎不产生二氧化碳，仅产生水蒸气，是实现“零碳冶金”的关键路径。
- 提高产品质量：氢气还原得到的直接还原铁纯度更高，有利于生产高品质钢材。
- 能源灵活性：可以使用多种能源制氢，包括可再生能源，实现能源结构的多元化。
全球钢铁行业的氢能探索
欧洲是氢冶金技术的先行者。瑞典钢铁公司（SSAB）于2020年8月投运了世界第一个全氢的HYBRIT（氢基直接还原铁）试验装置。目前，瑞典新兴绿色钢铁公司H2 Green Steel正在建设一座年产250万吨的纯氢大型绿色钢铁工厂。德国蒂森克虏伯钢铁集团也计划于2026年建成250万吨氢直接还原工厂。
日本和韩国同样在积极布局氢冶金技术。日本新日铁的EDRP项目以及韩国浦项制铁的HyREX+ESF工艺都在研究使用氢气还原低品位铁矿石。印度基础设施和能源集团（Essar Group）计划在沙特建设绿色钢铁厂，印度金达尔钢铁集团正在阿曼建设“hydrogen-ready”绿色钢铁厂。
中国钢铁企业的创新实践
我国钢铁企业也在积极探索氢冶金技术。宝武集团于2023年12月在广东湛江成功点火投产国内首套百万吨级氢基竖炉项目，标志着我国钢铁行业向绿色低碳转型迈出了坚实一步。
鞍钢集团与中集安瑞科合作建设的焦炉气制氢联产LNG项目于2024年9月正式投产。该项目总投资约6.38亿元，具备1.5万吨氢气的年产能，每年可减排47万吨二氧化碳。项目通过分离提纯钢铁企业副产的焦炉气，制取高纯度氢气和LNG，实现了资源的高附加值利用。
氢冶金发展面临的挑战
尽管氢冶金技术展现出巨大的发展潜力，但其大规模应用仍面临诸多挑战：
氢气供应问题：目前全球氢气供应体系尚不完善，绿氢（通过可再生能源电解水制得的氢气）的生产成本较高。据统计，我国电解水制绿氢的成本约为40元/千克，远高于工业副产氢的15元/千克。
技术成熟度：虽然氢冶金技术在实验室和中试阶段取得了积极进展，但大规模商业化应用仍需进一步验证。特别是全氢工艺的工程实践和商业化运行经验相对缺乏。
产能置换限制：我国执行的《钢铁行业产能置换实施办法》严禁钢铁行业新增产能，新建钢厂必须执行产能置换工作。虽然氢冶金属于鼓励类，可实施1∶1的等量置换，但钢铁产能主要集中在以长流程工艺为主的钢企，而具有氢气资源的独立焦化企业、具有化工副产氢的企业需要购买合规产能才能进行氢冶金生产，经济压力较大。
下游市场接受度：目前，全球范围内对“绿钢”的市场需求尚未完全形成。虽然瑞典绿色钢铁公司的年产250万吨纯氢“绿钢”已被多家行业头部企业预订，但这种商业模式能否在全球范围内推广仍需观察。
未来展望
随着全球对碳排放的关注日益增加，钢铁产业正积极寻求低碳技术以实现可持续发展。氢能作为一种新兴战略能源，在钢铁冶金过程中展现出巨大潜力。通过采用氢气替代传统碳还原剂，不仅能够显著减少二氧化碳排放，还能推动整个行业的绿色转型。特别是在“双碳”目标下，我国大型钢铁企业如宝武集团、鞍钢集团等已开始探索并实施氢冶金技术，为未来钢铁生产带来革命性的变化。