中国钢铁业“以氢代碳”新进展：首次试验高炉纯氢冶炼技术

在碳达峰与碳中和的背景下，中国钢铁行业碳减排压力巨大。氢冶金是清洁的革命性钢铁生产技术，利用氢代替碳作为冶金过程燃料和还原剂，反应产物是水。与传统的碳冶金相比，可以从根本上减少碳排放，实现清洁生产目标。 

澎湃新闻记者获悉，近日，全球低碳冶金创新联盟成员单位上海大学与位于河北省昌黎县循环经济产业园的民营企业昌黎县兴国精密机件有限公司（下称“兴国公司”），联合完成了我国首次以纯氢为喷吹气源的高炉富氢冶炼技术开发试验。

据悉，试验中系统运行正常，相关数据达到预期标准。通过此次试验，实现了降低焦比10%以上、减少二氧化碳排放量10%以上和铁产量增加13%以上。同时，获得了钢铁生产中大规模安全使用氢气的宝贵经验。

从全球范围来看，据公开报道，此前的2019年11月11日，蒂森克虏伯钢厂杜伊斯堡9号高炉正式启动纯氢气注入试验，这是全球首次高炉注入氢气试验。蒂森克虏伯用氢气代替煤粉作为还原剂，从而减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放。

“氢与传统炼铁过程的耦合是此次项目试验中的关键难题之一。”上海大学材料学院教授张玉文介绍说，氢气和铁矿石发生氧化还原反应吸热，会造成高炉温度下降。怎样最大程度使用氢气，还保障炉温是技术难点。为此，技术团队在试验中采用富氧喷氢、装料调控等手段解决了高炉富氢与传统炼铁过程的耦合协调问题。

另外需要注意的是，要进行半工业化或工业化规模的纯氢冶金试验，大规模的氢源是基础，但大规模使用氢，存在生产安全隐患。张玉文提到，这次试验也突破了大规模氢气供应和氢气安全使用难题。

他表示，此次富氢冶炼试验纯氢气的喷吹量达到每小时1800立方米，吨铁250立方米，系统研究了氢气喷吹量变化对高炉冶炼过程的影响行为。

据兴国公司总经理周国成对媒体介绍，目前已经完成试验高炉解剖前的准备工作，解剖后就能获取炉内炉料结构和性状变化的试验数据。

值得关注的是，从上世纪90年代起，上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室在徐匡迪院士的领导下率先并持续开展了基于氢冶金的低碳炼铁新技术研究，围绕氢冶金、富氢煤气重整改质和还原铁矿石、经济规模制氢、CO2捕捉分离和利用等关键技术的基础理论和工艺的长期研究已形成了雄厚的积累和知名的行业影响力。早在1999年北京香山科学会议上，徐匡迪即提出了铁矿石氢还原工艺设想，并在2002年国家自然基金科学会议（上海）上再次提出氢冶金的技术思想。

据上海大学官网介绍，从全球氢冶金研发开展情况看，目前主要有两条技术路线，一条是基于高炉炼铁开展高炉喷吹富氢（或纯氢）技术，另一条是基于非高炉的富氢（或纯氢）气基还原工艺技术。

而高炉炼铁工艺技术成熟、生产能力大、效率高，未来几十年高炉仍将是支撑中国对钢铁材料庞大需求的主流炼铁装备。目前，以碳冶金和矿石为基础的高炉—转炉流程产钢量约占90%，其中高炉炼铁CO2排放量最大的工序，约占整个钢铁生产CO2排放总量的70%-90%。这也意味着，高炉低碳冶炼是规模化实现中国钢铁工业低碳的首要路径。

此前的2020年10月，上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室专门成立了“氢冶金技术研究与成果转化中心”。