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为了应对全球气候变化这一挑战，我国推出了绿色低碳的发展战略。在我国，钢铁行业紧随电力行业之后，成为了碳排放量第二大的行业。在实现“碳达峰”和“碳中和”的既定目标过程中，该行业需主动贡献其低碳发展的力量，致力于研发能够减少碳排放的冶炼技术，尤其是氢冶金技术。本文详细阐述了钢铁行业在国内外氢冶金领域的核心技术路径、当前状况、面临的问题以及未来的发展方向，同时提出，在国内高炉富氢冶炼技术作为氢能成为主流能源之前，这一技术将在较长的时期内占据氢冶金领域的主导位置。
A 钢铁行业碳减排（含氢冶金）主要技术路线
以“废钢—电弧炉”短流程替代“高炉—转炉”长流程
我国正处于工业化与城镇化进程的高速发展阶段，钢铁需求量显著增加，然而，废钢资源的供应总量却难以满足这一巨大的需求。鉴于此，国内钢铁生产与供应主要依赖“高炉—转炉”的长流程生产方式，其占比高达90%左右。不过，这种长流程生产方式每生产一吨钢铁的碳排放量在1.8至2.5吨之间，这一数值明显超过了“废钢—电弧炉”短流程生产方式每吨钢铁的碳排放量，后者仅为0.25至0.3吨。鉴于废钢资源持续增长并能在一定程度上替代进口铁矿石，我们能够采用“废钢—电弧炉”的短流程来替换“高炉—转炉”的常规长流程，从而显著减少每吨钢材的碳排放量。
高炉喷吹工艺
高炉喷吹技术涉及将天然气、重油或煤粉喷入高炉中，以此取代部分焦炭进行冶炼。这一技术自20世纪50年代起便实现了工业化应用，并在60年代得到了广泛的推广。不同国家在高炉喷吹技术中所选用的燃料种类，主要依据各自燃料资源的经济获取情况来决定。例如，在北美、俄罗斯和乌克兰等天然气资源丰沛的地区，普遍运用高炉喷吹天然气技术；而在那些“煤炭丰富、石油和天然气匮乏”的国家，则主要利用喷吹煤粉来作为高炉燃料或炼铁还原剂的补充。尽管喷吹燃料能在一定程度上生成一氧化碳和氢气，参与炼铁还原过程，但氢气的含量普遍较低；这虽对减少焦炭使用量和降低焦炭成本有所助益，但对于减少碳排放的贡献却相对有限。
熔融还原工艺
熔融还原工艺主要由奥钢联研发的COREX非焦炼铁技术引领，该工艺包括竖炉还原和熔炼造气炉熔融两个阶段。竖炉通过利用熔炼造气炉产生的煤气对铁矿石进行预还原，进而制成海绵铁；随后，海绵铁与煤炭一同投入熔炼造气炉中，进而熔炼成铁水和煤气。
熔融还原技术实质上是一种“以煤代焦”的方法，这样做可以减少对焦炭支撑作用的依赖（尽管如此，仍需一定量的焦炭来优化透气性和顺畅度），因此即便不使用优质铁矿石和焦炭，也能炼制出高质量的铁水。然而，熔融还原技术并未减少对含碳燃料和碳还原方法的依赖，因此其在降低碳排放方面的作用也相当有限。
直接还原工艺
直接还原工艺涵盖了两种类型，即以气体为基质的直接还原工艺和以煤炭为基质的直接还原工艺，其中，以气体为基质的直接还原工艺在现实应用中更为普遍。
气基直接还原技术利用还原气体作为还原剂，该技术在还原炉（即气基竖炉）中运行，其所需热量主要来源于还原气体的物理热能。在此过程中，铁矿石被直接转化为金属铁。鉴于气基直接还原工艺中使用的还原气体大多源自天然气的裂解，其中氢气含量高达55%，因此，该工艺能够在一定程度上实现氢冶金对碳冶金的替代作用。
煤基直接还原技术多应用于天然气资源不足的国家和地区，比如我国就采用了煤基隧道窑法或是回转窑法，结合煤制气和还原竖炉技术。然而，这种煤基（竖炉）直接还原技术依旧属于碳冶金范畴，并未实现部分氢冶金的替代，因此对于减少碳排放的贡献并不显著。
高炉富氢冶炼工艺
在上述的气基直接还原技术中，我们能够察觉到氢冶金逐渐取代碳冶金的趋势，然而，该工艺中采用的氢冶金技术，主要是利用气基竖炉内天然气裂解产生的氢气进行还原反应，而非采用高炉进行。而高炉富氢冶炼技术，则是通过将焦炉煤气进行改质或天然气裂解制得还原气体，然后将其喷吹进高炉中实现冶炼。
在焦炉煤气中，氢气的含量介于55%至60%之间。对于那些天然气资源匮乏而焦炉煤气资源却十分充裕的国家或地区，采用高炉富氢冶炼技术的主要策略是利用焦炉煤气进行冶炼。这样的做法能够有效减少焦炭的消耗和二氧化碳的排放，从而实现降低焦比和碳排放的双重目标。
图为钢铁行业碳减排（含氢冶金）主要技术路线
全氢直接还原工艺
全氢直接还原技术是在气基还原竖炉工艺的基础上发展而来，通过逐步提升天然气裂解制气、焦炉煤气制气和煤制气过程中氢气与一氧化碳的体积比，最终达到了全氢还原的目的。
在现实操作中，为了提升碳含量并调节炉内温度，所谓的纯氢冶炼技术实际上极为罕见，炉内用于还原的气体中氢的体积占比通常不超过90%。鉴于此，钢铁工业中的氢基冶金技术尚未达到零碳排放的水平，其碳排放量最多可降低至90%左右。而且，那些能够实现如此高比例减排的氢冶金项目大多还处于试验初期钢材深加工发展趋势，尚未形成大规模的生产能力。
B 钢铁行业氢冶金技术发展现状及存在问题
高炉富氢冶炼工艺
高炉富氢冶炼过程中所需的还原气体，通常涵盖天然气、焦炉煤气以及氢气。在现有的生产操作中，天然气和焦炉煤气被广泛采用，而氢气的使用相对较少。这一现象主要源于对还原气体经济性的考量。天然气和焦炉煤气中富含甲烷和氢，它们在经过高炉软熔带下部的喷吹裂解后，能生成一氧化碳和氢气钢材深加工发展趋势，从而提升了高炉内这两种气体在还原反应中的浓度和效率。此外，通过在高炉风口喷吹天然气或焦炉煤气，可以替代喷煤，进而为降低碳排放提供了一条新的途径。
高炉富氢冶炼技术面临的主要挑战包括：首先，焦炭在炉内形成的骨架结构对于维持高炉内充足的透气性至关重要，而富氢还原气体仅能部分替代焦炭的热反应和还原功能，却无法取代焦炭的骨架支撑作用。其次，氢分子体积较小，在喷吹氢气过程中，风口回旋区的气流分布将发生改变，这直接影响了喷吹作业的效率。第三点，在富氢冶炼过程中，高炉局部会出现上冷下热的现象，这种不均匀的受热情况可能会对炉体造成损害。第四点，关于富氢还原气是应该从软熔带下部喷射，还是从风口喷射，亦或是两者同时喷射，以及各自的比例，这些都是需要持续优化的工艺细节。第五点，还包括高炉中氢气含量与其他气体含量之间的安全配比问题。
全氢直接还原工艺
目前，全氢直接还原技术尚在实验探索之中，而所谓的全氢（即零碳排放）直接还原技术，主要是在气基竖炉中持续提升氢气与一氧化碳的体积比，旨在实现以全氢（零碳）直接还原为最终目标的氢基冶金方法。
全氢直接还原技术面临的主要挑战包括：首先，氢气的生产过程需要投入较大的经济成本；其次，相较于传统能源，氢气的储存和运输存在不少难题；再者，氢气本身具有易燃易爆的特性；最后，实现经济、高效地制取氢气、安全地储存和运输氢气，以及安全地使用氢气，对相关技术和设备提出了极为严格的要求。二是全氢还原或近乎全氢还原过程展现出显著的吸热特性，这种特性会对竖炉反应器的温度分布造成不利影响，从而降低氢气的反应效率。因此，如何有效补充因氢气参与反应而带走的热量，成为改进和完善该工艺的关键所在。第三点，若向含有氢气的还原气体增加热量，则对氢气自身的耐高温性能、炉内反应物的抗氢腐蚀能力以及防止还原气体泄漏等方面提出了更高的标准，相应的加热与输送设备也必须具备更优越的性能。第四点，氢气在竖炉中的流动速度应根据实际情况进行合理调整，以确保达到最佳的还原反应效果。第五点，在全氢还原或接近全氢还原的工艺中，必须考虑如何科学地实现碳的渗入。
C 钢铁行业氢冶金技术未来的发展趋势分析
在国内，全氢或近乎全氢的冶炼技术目前尚在实验阶段，尚未满足大规模工业生产的标准。与此同时，我国作为焦炭生产的重要国家，焦炉煤气产量庞大，这一资源优势使得高炉富氢冶炼技术得以充分发挥。在氢能尚未成为主流能源之前，高炉富氢冶炼技术作为一项过渡性技术，预计将在相当长的一段时间里占据氢冶金领域的主导地位。
另一方面，尽管氢冶金技术预示着钢铁冶炼的未来发展趋势，然而，截至目前，即便是在西方发达国家，这项技术仍处于起步阶段，尚未实现对传统“高炉—转炉”长流程工艺和“废钢—电弧炉”短流程工艺的广泛替代。氢冶金技术面临诸多挑战，如高昂的成本、较低的安全性、运输储存的不便，以及需对现有设备和流程进行改进与工艺细节的完善。此外，它还需要经过较长时间的论证与检验，方可实现量产。在这些问题得到有效解决之前，氢冶金技术预计将持续作为碳还原技术的辅助手段，在较长一段时间内发挥作用。无论从哪个角度来考虑全球气候变化的应对措施，探究碳还原技术能否被氢冶金技术有效替代，都是一个值得深入探讨和实践的重要课题。
