對于鋼鐵行業(yè)來說，作為溫室氣體的主要排放大戶（占人為CO2排放量約7%），在應(yīng)對不斷變化的環(huán)境和采取何種行動方面出現(xiàn)了許多問題。如今鋼鐵生產(chǎn)幾乎完全依靠化石原料。從熱化學(xué)的觀點來看，基于氫的可持續(xù)煉鋼生產(chǎn)是可能的，并且在未來可能成為替代方案。這是大自然賜予我們的禮物。由于環(huán)境模式的轉(zhuǎn)變，迫切需要對以綠色能源氫氣來替代化石能源的煉鋼生產(chǎn)潛力進(jìn)行戰(zhàn)略評估。
近幾十年來，全球研究并安裝了各種基于氫氣的煉鋼生產(chǎn)工藝。然而，到目前為止，只使用氫氣的可靠工藝還不能實現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)應(yīng)用。鑒于這些潛在條件，需要對未來在煉鋼生產(chǎn)中使用綠色能源和氫氣作為化石原料替代品的能力進(jìn)行研究。這種產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的可行性在很大程度上取決于未來的綠色能源能力、技術(shù)準(zhǔn)備、分配和儲存選擇、電力和氫氣的價格以及公眾認(rèn)可度和政策措施。
先進(jìn)煉鋼工藝和技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
現(xiàn)代煉鋼可分為堿性氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼（BOF煉鋼）和電弧爐煉鋼（EAF煉鋼）。在這兩種工藝中，三種中間產(chǎn)品是液態(tài)鐵水（或是固態(tài)生鐵）、直接還原鐵（DRI）和熱壓塊鐵（HBI）。鐵水、生鐵、DRI和HBI都是原始的鐵原料，它們是通過煉鐵技術(shù)從鐵礦石中生產(chǎn)出來的。廢鋼作為一種可回收的原料加入這個過程中。2018年，全球粗鋼產(chǎn)量的70.8%是通過“氧”基BOF轉(zhuǎn)爐工藝（集成-熔融還原工藝）生產(chǎn)的，28.8%通過“電”基EAF電弧爐工藝（直接還原-EAF和廢鋼-EAF）生產(chǎn)的。余下的（0.4%）工藝是一些過時的工藝，如平爐煉鋼。
目前的煉鐵和煉鋼工藝技術(shù)的布局，一方面是按照從原材料到最終產(chǎn)品的工藝路線進(jìn)行劃分，另一方面是一些特殊工藝（例如集成工藝，熔融還原、直接還原和廢鋼煉鋼工藝）。工藝步驟包括原料準(zhǔn)備、煉鐵、煉鋼和深加工（連鑄、軋制/加工、精加工）。第一個工序中，用于后續(xù)工藝的原材料要經(jīng)過選礦和提煉。在煉鐵工序中，根據(jù)工藝的不同，原料被轉(zhuǎn)化為液態(tài)鐵水或固態(tài)DRI或HBI。這一工序是能源密集型階段，需要利用碳和氫載體作為還原劑。還原反應(yīng)在此發(fā)生，通過還原劑CO和H2從鐵礦石中移除氧，形成CO2和H2O。其產(chǎn)品鐵水或海綿鐵（DRI/HBI）隨后在后續(xù)工序中通過脫碳和添加合金元素以達(dá)到需要的鋼種成分，轉(zhuǎn)化為鋼水。最后，對鋼水進(jìn)行澆鑄、加工和精加工。
特殊工藝可分為集成工藝（包括高爐-堿性氧氣轉(zhuǎn)爐：BF-BOF）、替代工藝熔融還原（SR-BOF）和直接還原（DR-EAF）、廢鋼-EAF工藝。同時也可組合這些工藝，例如在高爐或轉(zhuǎn)爐中使用HBI。
前三種工藝?yán)迷荚牧仙a(chǎn)鐵水和鋼水，廢鋼只是作為一種添加原料。因此，該產(chǎn)品純度很高，幾乎不含有害或質(zhì)量敏感元素。這是廢鋼-電弧爐工藝的缺陷，由于不同等級的廢鋼混合/熔化，最終產(chǎn)品中可能含有許多雜質(zhì)元素。這種工藝可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋼，但廢鋼必須經(jīng)過清潔和分類，這是非常復(fù)雜和昂貴的。除了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這也是通過原始工藝路線生產(chǎn)鋼鐵繼續(xù)占主導(dǎo)地位的原因之一。
可持續(xù)煉鋼的技術(shù)選擇
諸如直接還原煉鐵和熔融還原煉鐵等煉鐵替代技術(shù)從20世紀(jì)50年代以來就已開始得到發(fā)展了。從那時起，研究者共設(shè)計了73種直接還原煉鐵工藝和59種熔融還原煉鐵工藝。但其中僅有少數(shù)幾種工藝達(dá)到了試驗階段或甚至進(jìn)行到工業(yè)應(yīng)用階段?？傮w而言，其他工藝組合也是有可能的，例如，集成直接還原或熔融還原工藝以提高生產(chǎn)率和協(xié)同效率。從熱化學(xué)和能量學(xué)的角度來看，鐵礦石可以通過使用碳、氫或電能轉(zhuǎn)化為鐵中間產(chǎn)品。
在C-H2-電力系統(tǒng)中，標(biāo)明了能量在不同煉鐵工藝中的位置?！疤蓟睙挕惫に囄挥谔寄茉唇?，原則上是BF-BOF工藝和熔融還原工藝的集成。根據(jù)工藝中電力和氫的使用量，此位置向H2和電力角移動。這是基于天然氣（NG）或氫氣的直接還原工藝，也可以利用CO和H2的混合物作為還原氣氛。在最佳的情況下，H2含量達(dá)到100%也是可能的。在電弧爐中熔化中間產(chǎn)品DRI需要使用電力。
在所有現(xiàn)代煉鐵和煉鋼工藝中，氫氣都以不同比例用于與CO的混合氣體中，作為氣體還原劑。在傳統(tǒng)的高爐鐵水碳熱還原工藝中，焦炭作為主要的還原劑，通過加入還原劑替代品，例如煤粉、油、塑料或煤氣以產(chǎn)生氫氣。現(xiàn)代高爐煤氣中的氫氣含量可高達(dá)10%。新型的熔融還原工藝，例如COREX、FINEX、HIsmelt或DIOS，其工藝氣體中的氫含量大幅增加，最高可達(dá)30%，僅使用煤粉作為還原劑。另一方面，直接還原工藝中氫氣占比最高，從60%到100%不等。這些工藝?yán)酶粴涿簹?，而不使用焦粉或煤粉作為原料，富氫煤氣通過對天然氣進(jìn)行催化氣體重整或蒸汽重整來獲得。直接還原煉鐵工藝包括基于豎爐技術(shù)的ENERGIRON（<85%H2）和MIDREX（<65%H2）工藝，以及基于流化床的FIOR/FINMET和CIRCORED（最高100%H2）工藝。豎爐工藝已經(jīng)投入商業(yè)化運(yùn)行，而流化床工藝FIOR/FINMET卻因為技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題陸續(xù)終止。
對于氫基技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，直接還原工藝如ENERGIRON和MIDREX似乎潛力最大，因為ENERGIRON工藝已經(jīng)以高于60%的氫氣比例在工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)中運(yùn)行。未來幾年和幾十年，隨著直接還原技術(shù)的發(fā)展，工藝中氫氣的比例會增加至近100%。所有這些工藝設(shè)備都是經(jīng)過驗證的技術(shù)，但對這些技術(shù)的整合則是新創(chuàng)意。關(guān)于CO2排放方面，這一工藝的噸鐵排放量僅為0.15tCO2，傳統(tǒng)的BF-BOF工藝的噸鐵排放量則為1.76tCO2，意味著減排量超過85%。
未來，還有另一種可能性——氫等離子體熔融還原技術(shù)（HPSR），此技術(shù)利用高溫下的氣體等離子體，將氫分子分裂成氫原子和氫離子（H或H+）。這種氫具有比氫分子高得多的還原勢，可以將所有的氧化物還原為金屬，即液態(tài)鋼水。近幾年在蒙大拿里奧本大學(xué)的實驗室里第一次試驗成功，且目前正在建設(shè)一個新的試驗工廠，但仍有許多研究工作需要開展。另一項技術(shù)是電解鐵生產(chǎn)工藝，屬于歐洲ULCOS項目，由南希大學(xué)和安賽樂米塔爾公司進(jìn)行了實驗室試驗。目前，試驗仍處于實驗室階段，這項技術(shù)似乎并不適合更大規(guī)模的生產(chǎn)。
為了確定以氫為基礎(chǔ)的鋼鐵生產(chǎn)對綠色能源的需求，需要研究鐵礦石轉(zhuǎn)變?yōu)殍F的具體理論能源需求。根據(jù)典型直接還原煉鐵工藝的數(shù)據(jù)，對“基本情況”（當(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)）和未來“最佳情況”（預(yù)計到2050年能夠達(dá)到的技術(shù)改進(jìn)）進(jìn)行了闡述。該數(shù)據(jù)用于計算氫基煉鋼生產(chǎn)所需綠色能源總量，計算依據(jù)全球所有國家和地區(qū)2018年的鋼產(chǎn)量。煉鋼生產(chǎn)的第一個能源密集型工序是將鐵礦石轉(zhuǎn)化為富鐵的中間產(chǎn)品（DRI）。
在熱化學(xué)反應(yīng)中，還原劑（H2）根據(jù)以下反應(yīng)方程將鐵氧化物還原：
Fe2O3+3H2 → 2Fe+3H2O（1）
根據(jù)氫的熱值，可以計算出氫將氧化鐵還原為鐵所需的最小能量單耗，約為6.5GJ/t。
這是整個煉鋼生產(chǎn)中能耗最大的工序。對于目前的現(xiàn)代化直接還原廠，假定DRI生產(chǎn)工藝的能耗為11GJ/t。根據(jù)這個值，計算每噸DRI的氣體消耗（SGR）為1020.12m3H2（STP）/t。根據(jù)鐵礦石的質(zhì)量不同，每噸粗鋼需要投入DRI大約為1150kg，也使SGR的消耗量提高至1177m3H2（STP）/t粗鋼。如果加入廢鋼（如在BF-BOF工藝中），SGR的噸鋼消耗量也會隨廢鋼的加入量而變化。在這種情況下，為了比較傳統(tǒng)的BF-BOF工藝和直接還原煉鋼工藝，假設(shè)廢鋼加入量是相同的。當(dāng)廢鋼加入量為155kg時，粗鋼的SRG為1013.46m3H2（STP）（見表1）。計算EAF中熔煉工藝需要的氫氣生產(chǎn)所需能源和電能，現(xiàn)今的能源單耗為5408kWh/t。在最佳的情況下（根據(jù)未來直接還原煉鋼工藝和電解工藝技術(shù)的發(fā)展而調(diào)整輸入?yún)?shù)），未來粗鋼生產(chǎn)的能源單耗可降低至4075 kWh/t。
為了比較DR-EAF工藝和BF-BOF煉鋼工藝，下游工序需要使用的額外能源也必須考慮在內(nèi)。原因是BF-BOF工藝是能源自給的，且能從工藝煤氣中生產(chǎn)額外的能源（焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣），并在就地發(fā)電廠中轉(zhuǎn)化為電能。這些能源隨后用于下游工序（軋鋼/精加工）以及其他能源用戶。而另一方面，DR-EAF工藝和廢鋼-EAF工藝則需要外部能源輸入。因此，基于氫的直接還原工藝必須從外部為下游工序提供能量，這些工序的典型能耗值為2.8GJ/t，或7778kWh/t。加上這個值，目前HRC/最終產(chǎn)品的噸鋼能耗為6186kWh，未來最佳的情況下是4853kWh。
通過這些計算和參數(shù)，可以對碳基BF-BOF工藝和氫基煉鋼工藝進(jìn)行比較。以不同地區(qū)煉鋼生產(chǎn)的H2需求量以2018年鋼產(chǎn)量為例，闡述全球各國和地區(qū)如將煉鋼生產(chǎn)中的碳基工藝轉(zhuǎn)化為氫基工藝對綠色能源的需求。如上文所述，全球71%的粗鋼是通過碳基“氧”BOF工藝（集成-熔融還原工藝）生產(chǎn)的，29%是通過“電”基EAF工藝（DR-EAF和廢鋼-EAF）生產(chǎn)的。可以設(shè)想，未來可以采用氫基工藝生產(chǎn)目前碳基氧工藝中的碳基鋼。根據(jù)基本情況（包括當(dāng)今最佳可用技術(shù)的能源數(shù)據(jù)）和2050年目標(biāo)的最佳情況進(jìn)行計算。計算數(shù)據(jù)和參數(shù)見表1。對各國和地區(qū)的氫基生產(chǎn)HRC的綠色能源需求量進(jìn)行了計算。
將全球煉鋼生產(chǎn)從碳基轉(zhuǎn)型為氫基工藝，在基本情況下，生產(chǎn)HRC的綠色能源需求量為7920TWh/a，在最佳情況下，為6210TWh/a。相應(yīng)所需的氫氣量將在13000億到11200億m3（STP）之間。圖1和圖2給出了HRC/最終產(chǎn)品按區(qū)域劃分的綠色能源需求。對于HRC生產(chǎn)，亞洲目前擁有最大的綠色能源需求量（基本情況為6300TWh/a；最佳情況為4940TWh/a），其次是歐盟（基本情況為610TWh/a；最佳情況為480TWh/a）和獨聯(lián)體國家（基本情況為420TWh/a；最佳情況為310TWh/a）。
在歐盟內(nèi)部，德國對HRC/最終產(chǎn)品生產(chǎn)的綠色能源需求量最高，為184TWh/a（最佳情況為144TWh/a）。法國為57TWh/a（最佳情況為43TWh/a），荷蘭和奧地利的需求量大約為35TWh/a（最佳情況為25TWh/a）。
結(jié)論：
原材料的減少、環(huán)境污染和公共壓力的增加，導(dǎo)致各國都迫切需要解決能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的問題。特別是化石原料密集型行業(yè)，如鋼鐵行業(yè)，必須調(diào)整或改變其商業(yè)模式和技術(shù)組合。技術(shù)發(fā)展表明，基于綠色氫能源的可持續(xù)煉鋼生產(chǎn)在不久的將來似乎是可行的。綜合這些基本條件，本文對氫在煉鋼生產(chǎn)中作為化石原料替代品的技術(shù)和未來潛力進(jìn)行了研究。
目前，全球鋼產(chǎn)量的約75%是通過碳密集型BF-BOF工藝生產(chǎn)的。對于替代工藝可持續(xù)性氫基煉鋼生產(chǎn)的工業(yè)化實施，直接還原工藝（DR-EAF工藝）似乎具有的潛力最大，因其已經(jīng)以H2用量超過60%應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。未來幾年和幾十年，鑒于直接還原煉鋼技術(shù)的發(fā)展，氫氣在工序中的用量有望大幅提高至接近100%。與此同時，噸鋼CO2排放量將從1.76t（傳統(tǒng)的BF-BOF 工藝）下降至0.15t（氫基DR-EAF工藝）。所有的直接還原工藝設(shè)備都是經(jīng)過驗證的技術(shù)，但對這些工藝進(jìn)行整合則是創(chuàng)新技術(shù)。除了直接還原工藝，其他一些氫基技術(shù)也正在研發(fā)和進(jìn)行測試中。但這些工藝仍需要幾十年的時間才能達(dá)到工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。
從定量的角度看，從碳基煉鋼到氫基煉鋼的轉(zhuǎn)型將會需要大量的氫，屬于綠色能源?；谀壳暗匿摦a(chǎn)量，對不同的國家和地區(qū)生產(chǎn)H2需要的能源進(jìn)行了計算。行業(yè)轉(zhuǎn)型的可行性很大程度上取決于未來的綠色能源產(chǎn)能、先進(jìn)的電解技術(shù)準(zhǔn)備程度、H2的輸送和儲存選擇、電力和氫氣的價格以及公眾認(rèn)可度和政策措施。
