[C-TechNow]钢铁业碳中和难题，正从“氢能”中寻找答案

by Kang Heejong

Published 14 Oct.2024 10:20(KST)

Updated 14 Oct.2024 15:50(KST)

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为“绿色钢铁”铺路的氢基还原炼铁
用氢气替代高炉中作还原剂的煤炭
欧洲采用竖炉还原工艺，浦项制铁采用流化床还原工艺
氢价合理化与大规模电力保障成关键课题

浦项制铁浦项制铁厂的FINEX高炉正喷涌出铁水。

德国钢铁企业蒂森克虏伯今年3月宣布，将在杜伊斯堡投资约30亿欧元（约4.4万亿韩元）建设用于生产直接还原铁（DRI）的示范工厂。其中约三分之二、即20亿欧元的投资资金由德国联邦政府和蒂森克虏伯总部所在的北莱茵-威斯特法伦州提供。所谓直接还原铁，是指不用煤炭炼铁的传统高炉工艺，而是利用氢气的炼钢技术。该工厂原计划于2027年开始投产。

但近日，德国日报《商报》利用该公司内部文件报道，蒂森克虏伯正以财政困难为由重新审视这一计划。该企业并未正式承认这一报道，但这已成为一个典型案例，显示出即便有政府的大规模补贴，钢铁企业在脱碳方面仍面临困难。

钢铁产业的脱碳是实现2050年碳中和必须跨越的一道关口，像我国这样制造业基础雄厚的国家更是如此。根据国内气候相关非政府组织“气候解决方案”的数据，国内钢铁产业的碳排放量占工业部门排放总量的40%，占全国碳排放总量的15%。其中，仅浦项制铁一家企业就占到10%。欧洲的碳边境调节机制（CBAM）、美国与欧盟之间的全球可持续钢铁协定等监管也在不断强化。为了实现碳中和目标并保持国内钢铁产业的全球竞争力，钢铁产业的脱碳已成为必不可少的课题。

选择流动还原炉的浦项制铁，欧洲则采用竖炉还原炉

不排放碳的绿色钢铁，以在还原剂中用氢气替代传统煤炭的氢基直接还原炼铁为基础。目前广泛使用的高炉·转炉结构，将被转变为还原炉·电炉的结构。阿塞洛米塔尔、萨博、萨尔茨吉特等欧洲钢铁企业以及日本制铁，采用竖炉（Shaft）还原炉生产直接还原铁；而国内的浦项制铁则通过其独有的流动还原炉技术推进减碳。

由于铁（Fe）是一种不稳定物质，在自然状态下通常以两个铁原子和三个氧原子结合的氧化铁（Fe2O3）形式存在。从中剥离氧原子、制成纯铁，是基本的钢铁制造工序。剥离氧的过程称为还原，此时所需的物质就是还原剂。以往一直使用煤炭作为还原剂。

在传统的高炉·转炉工艺中，铁矿石和煤炭被用作炼钢原料。首先，粉末状铁矿石（粉矿）和煤炭分别被送往烧结厂（将粉矿在高温下加热烧结成块状烧结矿的工厂）和焦化厂（在高温下除去挥发性物质制成焦炭块的工厂）。

将这样制成的烧结矿和焦炭在高炉内层层堆积，再从下部风口鼓入1200度的热风。此时焦炭燃烧生成一氧化碳（CO），一氧化碳再将铁矿石还原，生成纯铁（Fe）和二氧化碳（CO2）。高炉内部产生的1500度以上高温，引发熔融反应，使铁矿石熔化生成铁水。煤炭在其中既充当还原剂，又同时充当熔融反应的原料。在高炉工艺中，每生产1吨铁约会排放2吨二氧化碳。将粉矿和煤粉制成烧结矿和焦炭，是为了改善高炉内的通气性，使还原反应顺利进行。

在高炉中制得的铁水会被转移到巨大的罐形转炉（BOF）。在转炉内向铁水吹入纯氧（O2），以此去除磷、硫、碳等杂质，制成经过精炼的钢水——粗钢。

以煤炭为基础的高炉·转炉工艺，占全球钢铁产量的70%。这一方式在长期优化过程中实现了高效利用能源，但一直被指排放温室气体碳及各种环境污染物质。

因此，关于不排放碳和污染物质的环保工艺研究一直在持续开展。以颗粒状铁矿石替代传统高炉使用的粉矿，即使用球团矿（Pellet）或还原铁（HBI），是代表性方案。球团矿是将铁矿石加工成一定大小的球形颗粒，其含铁量高、还原效率高，因此碳排放较少。还原铁则是预先从铁矿石中除去氧的原料，因此可以减少煤炭用量。

还有一种是用天然气（NG）替代高炉中的煤炭来减少碳排放的方法。但这些方式都属于一种“过渡性技术”，要实现碳中和则需要完全不同的工艺。

欧洲钢铁企业为减少碳排放，首先在竖炉还原炉中尝试以天然气作为燃料兼还原剂的方式。将加工好的球团矿投入竖炉中加热，再注入天然气。此时天然气转化为一氧化碳和氢气，引发还原反应，生成固态还原铁。然后将这样制成的还原铁送入电炉熔化，生产钢材。与传统高炉·转炉工艺相比，利用天然气的竖炉还原炉·电炉方式可大幅削减温室气体排放。

在此基础上更进一步，是在竖炉还原炉中利用氢气实现碳中和。若在还原炉中让球团矿与高温氢气接触，氢气会夺取铁矿石中的氧，生成水（H2O）和固态直接还原铁。直接还原铁再被送入电炉进行熔融工序。此时应使用借助可再生能源制得的绿色氢气。如果电炉同样使用可再生能源，则将完全不再排放碳。

浦项制铁则发展出与此不同的流动还原炉工艺。与欧洲不同，我国铁矿石完全依赖进口，不易获得球团矿，因此开发了直接利用粉状铁矿石的技术。如果欧洲钢铁企业全面转向竖炉还原炉方式，可能会出现球团矿供应紧张的情况。

▲浦项制铁厂 FINEX3工厂全景

流动还原炉是在还原炉中投入粉矿，从下部喷射高温还原气体，使铁矿石在空中像液体一样翻腾混合并完成还原的方式。浦项制铁的流动还原炉技术——FINEX工艺，是向还原炉投入粉矿，并使用75%一氧化碳和25%氢气进行还原的技术。

在流动还原炉中生成的粉末状还原铁被送入熔融炉转化为铁水，随后再进入转炉进行精炼工序。此时，还原剂采用在投入煤炭的熔融炉中产生的一氧化碳，将其作为流动还原炉的还原剂。由于FINEX工艺无需经过烧结和焦化工序，因此可以降低成本并减少碳排放。

在FINEX工艺中去除煤炭，改为100%使用氢气作为还原剂的工艺，即HyREX工艺。在HyREX中，将在流动炉中用氢气还原得到的还原铁送入电炉进行精炼。浦项制铁计划在2030年前完成HyREX技术开发，并在2050年前用HyREX取代现有设备。

氢价与电力供应是待解难题

虽然氢基直接还原炼铁被提出作为通往2050年碳中和的解决方案，但仍有不少难题需要克服。首先，为确保氢基直接还原炼铁的经济性，必须实现氢气的大规模生产，并将价格降低到当前水平之下。浦项制铁预测，每套HyREX商用装置每年需要17万吨氢气。目前绿色氢气的生产成本因国家而异，每公斤约在5至10美元之间。专家认为，只有当绿色氢气价格降至每公斤1美元以下时，氢基直接还原炼铁的经济性才有望得到保障。

氢基直接还原炼铁采用电炉，因此需要大量电力。以2021年为基准，约使用2.9吉瓦电力，预计到转型为氢基直接还原炼铁的2050年，电力需求将增至4.6吉瓦。如果不能制定可靠的电力供应方案，向氢基直接还原炼铁的转型将难以实现。