钢铁⼯业作为国民经济重要的基础原材料⼯业，属于能源、⽔资源、矿⽯资源消耗⼤的资源密集型产业，⽣产过程中会产⽣⼤量的⼆氧化碳等污染物。⼯信部资料显⽰，2020年中国全国⽣产⽣铁、粗钢和钢材产量分别为8.88亿吨、10.53亿吨和13.25亿吨，同⽐分别增长4.3%、5.2%和7.7%，粗钢产量⾸次超过10亿吨，⼀直稳居全球第⼀。世界钢铁协会统计数据显⽰，全球平均每⽣产1吨钢会排放1.8吨CO2，钢铁⾏业CO2排放量约占全球CO2总排放量的6.7%，⽽我国作为钢铁⼤国，钢铁⾏业碳排放量占全国碳排放总量约15%。在传统的⼯艺流程中，需要在⾼炉中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作为还原剂，才能⽣产出1吨⽣铁。⽽以氢代煤的钢铁冶⾦能⼤⼤减少污染物的排放。 2020年9⽉我国⾸次提出“碳达峰”和“碳中和”国家战略⽬标，在此背景下，钢铁⾏业转型升级势在必⾏。为解决钢铁⾏业⾼排放的现状，氢冶⾦技术被给予厚望。
下⾯跟⼩编⼀起来了解⼀下氢冶⾦技术吧！
氢冶⾦的基本原理
碳冶⾦是钢铁⼯业代表性的发展模式，冶炼的基本反应式为Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，碳作为还原剂并⽣成产物⼆氧化碳。⽽氢冶⾦的概念是基于碳冶⾦的概念提出的，氢冶⾦的基本反应式为Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，氢⽓充当了还原剂且产物是⽔，⼆氧化碳的排放量为零。 影视烟火从氢冶⾦热⼒学来看，根据Fe-O-H体系平衡，临界温度（570℃左右）以下，H 2 还原Fe 2 O 3 的顺序为Fe 2 O 3 —Fe 3 O 4 —Fe；临界温度以上，H 2 还原Fe 2 O 3 的顺序为Fe 2 O 3 —Fe 3 O 4 —FeO—Fe。反应过程氢还原热⼒学包括低温还原和⾼温熔态还原两种⼯艺路线。从氢冶⾦动⼒学来看，氢还原氧化铁的动⼒学条件要优于CO，氢⽓的传质速率明显⾼于CO的传质速率；相⽐于CO的还原动⼒学条件，富氢煤⽓或纯氢的还原动⼒学条件得以改善 [1] 。
氢冶⾦⼯艺
氢冶⾦⼯艺⽬前主要有富氢还原⾼炉与⽓基直接还原竖炉两类⼯艺。富氢还原⾼炉⼯艺是对现有长流程⼯艺的改进，减排潜⼒有限；⽓基直接还原竖炉是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，减排潜⼒较⼤。纯氢⽓炼铁的探索同样⼀直在积极推进。与长流程⼯艺相⽐，该⼯艺下⼆氧化碳排放将降低98%。但是现有技术条件下，还不能⼤⾯积推⼴应⽤，成本较⾼是主要原因。
国内外氢冶⾦发展情况香仁夏露
在氢冶⾦应⽤⽅⾯，⽬前国内还处于研发试验阶段，⽽在国际上，已经开始超⾼温煤⽓炉和智能原⼦炉等氢冶炼技术密切相关技术的研究，蒂森克虏伯已经实现了在⾼炉中使⽤氢⽓。
国外⽰范项⽬
（1）蒂森克虏伯“⾼炉氢能炼钢”项⽬
2019年11⽉11⽇，德国钢铁⽣产商蒂森克虏伯正式启动了氢能冶⾦的测试。据蒂森克虏伯称，这是全球范围内钢铁公司第⼀次在炼钢⼯艺中使⽤氢⽓代替煤炭，以减少⼆氧化碳的排放。2021年2⽉3⽇，蒂森克虏伯已成功完成了杜伊斯堡9号⾼炉氢利⽤的第⼀阶段试验。受新冠肺炎疫情影响，第⼆阶段试验计划推迟到2022年开始。第⼆阶段试验的研究重点将放在氢⽓利⽤技术对⾼炉冶⾦⼯艺的影响上。
（2）瑞典HYBRIT项⽬——全球第⼀个⽆化⽯燃料海绵铁中试线
HYBRIT为瑞典的“突破性氢能炼铁技术”技术攻关项⽬，由三家⾏业巨头（SSAB、欧洲最⼤铁矿⽯⽣产商LKAB公司和欧洲最⼤电⼒⽣产商之⼀瑞典⼤瀑布电⼒公司）合资创建的HYBRIT发展有限公司负责推进。SSAB、LKAB和Vattenfall计划打造世界上第⼀个拥有“⽆化⽯钢铁制造”价值链。SSAB的⽬标是，到2026年，通过HYBRIT技术，在世界上率先实现⽆化⽯冶炼技术；到2045年，SSAB将完全按⽆化⽯⼯艺路线制造钢铁。
旋转装置
图1 ⾼炉⼯艺和HYBRIT⼯艺⽣产铁⽔和海绵铁的流程对⽐
（3）奥钢联H2FUTURE项⽬
气瓶水压试验
2017年初，由奥钢联合发起的H2FUTURE项⽬旨在通过研发突破性的氢⽓替代焦炭炼铁技术，降低钢铁⽣产过程中的⼆氧化碳排放，最终⽬标是到2050年减少80%的⼆氧化碳排放。H2FUTURE项⽬的成员单位包括奥钢联、西门⼦、VERBUND（奥地利领先的电⼒供应商，也是欧洲最⼤的⽔⼒发电商）公司、奥地利电⽹（APG）公司、奥地利K1-MET（冶⾦能⼒中⼼）中⼼组等。水管温度传感器
图2 奥钢联H2FUTURE项⽬产业链
⽬前国外的氢冶⾦项⽬情况，如下表所⽰。
表1 国外钢企氢冶⾦发展态势
国内氢冶⾦发展情况
（1）中国宝武的核能-制氢-冶⾦耦合技术
2019年1⽉15⽇，中国宝武与中核集团、清华⼤学签订《核能-制氢-冶⾦耦合技术战略合作框架协议》，三⽅将合作共同打造世界领先的核氢冶⾦产业联盟。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。中国宝武的低碳冶⾦技术路线图见图3。
图3 中国宝武的低碳冶⾦技术路线图
2020年7⽉宝武在⼋钢进⾏了富氢碳循环氧⽓⾼炉⼯艺实验，把脱碳后的煤⽓接⼊富氢碳循环⾼炉，与接⼊欧冶炉脱碳煤⽓前相⽐，富氢碳循环⾼炉吨铁燃料⽐下降近45千克，⽐传统⾼炉减排CO230%。2021年7⽉⼋钢富氢碳循环⾼炉已完成第⼆阶段50%（第⼀阶段35%）富氧⽬标，后期⼋钢富氢碳循环⾼炉将通过技术升级和优化，实现全氧冶炼⽬标。宝武2021年1⽉宣布2023年实现碳达峰，2035年实现减碳30%，2050年实现碳中和。
（2）河钢集团富氢利⽤项⽬
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2019年11⽉22⽇，河钢集团与意⼤利特诺恩集团签署谅解备忘录，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，并联⼿中冶京诚，共同研发、建设全球⾸例120万吨规模的氢冶⾦⽰范⼯程，应⽤于河钢宣钢转型升级项⽬。2021年5⽉，河钢宣钢氢能源开发和利⽤⼯程⽰范项⽬正式启动建设。该项⽬充分利⽤张家⼝地区国家级可再⽣能源⽰范区优势，打造可推⼴、可复制的“零碳”制氢与氢能产业发展协同互补的创新发展模式。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%。
⽬前国内的氢冶⾦发展情况，如下表所⽰。
表2 国内氢冶⾦发展态势
[1]：吴凡，孙竞超，邱梓洋，等. 浅谈氢冶⾦技术现状和发展前景[A]. 中国⾦属学会能源与热⼯分会. 第⼗⼀届全国能源与热⼯学术年会论⽂集[C]. 中国⾦属学会能源与热⼯分会：中国⾦属学会能源与热⼯分会，2021：6.
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