羅 曄

寶鋼中央研究院武鋼有限技術(shù)中心

0 前言

一直以來，綜合鋼鐵廠利用煤炭等化石原料，將其作為鐵礦石還原劑和能源資源。與此同時，全球都在致力于減少CO2等溫室氣體排放，2015巴黎氣候變化大會達成了新的全球氣候協(xié)議——《巴黎協(xié)定》，而韓國也確定了最新的減排目標，力爭到2030年將溫室氣體排放量較2017年減少24.4%[1]。因此，整個產(chǎn)業(yè)界需要減少溫室氣體排放，而鋼鐵工業(yè)也在試圖改變現(xiàn)狀。

亞洲地區(qū)的鋼鐵生產(chǎn)主要采用高爐長流程工藝，占全球鋼鐵產(chǎn)量的70%左右，這種生產(chǎn)方式以日本鋼鐵工業(yè)的“臨海綜合鋼鐵廠”模式最為成功，主要從澳大利亞及巴西大量進口原燃料，并在能源管理方面進行了優(yōu)化[2]。不過，為了實現(xiàn)2030年溫室氣體減排目標，達成現(xiàn)有高爐工藝溫室氣體的減排要求，還需要探索全新的技術(shù)手段，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的工藝模式。

1 高爐還原反應(yīng)及煉鐵工藝特點

鐵礦石由鐵、氧和脈石組成，通過與煤炭燃燒產(chǎn)物CO發(fā)生還原反應(yīng)，從而去除氧。煤炭與空氣中的O2燃燒發(fā)生還原反應(yīng)，持續(xù)提供CO，同時產(chǎn)生熔煉所需的熱量，維持一定溫度。盡管煤炭易于利用，且價格低廉，但燃燒時會排放大量CO2，而硫和氮等成分的不完全燃燒也會產(chǎn)生硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）等污染物。另一方面，煤基高爐工藝經(jīng)過長時間的優(yōu)化改進，現(xiàn)已成為鋼鐵工業(yè)的關(guān)鍵工藝。近年來隨著高爐設(shè)備趨于大型化，年產(chǎn)規(guī)模擴大到500萬t，實現(xiàn)了生產(chǎn)效率和能效的優(yōu)化。設(shè)備大型化是鋼鐵工業(yè)競爭力的根基，通過采用大型高爐，可以提高能效，進而實現(xiàn)經(jīng)濟性和環(huán)保性。在高爐中，從上部裝入燒結(jié)礦和焦炭，從下部噴吹預(yù)熱空氣，與焦炭燃燒而產(chǎn)生還原煤氣，從而實現(xiàn)熱交換和還原。也就是說，由于使用煤炭，同時實現(xiàn)了鐵礦石還原和供熱，產(chǎn)能利用率也保持在95%以上。盡管煤炭的作用非常重要，為了減少溫室氣體排放，還是迫切需要減少煤炭的使用量。

1.1 鐵礦石還原反應(yīng)

1.1.1 CO還原反應(yīng)

在高爐中，對于鐵礦石還原反應(yīng)和鐵水/爐渣熔化，C可以同時提供熱量。1 200 K溫度條件下，鐵礦石的間接還原反應(yīng)會持續(xù)產(chǎn)生CO2，整個反應(yīng)如表達式（1）～（4）所示。

在高爐中，CO間接還原鐵礦石的比例約占總還原的70%，并伴隨著輕微放熱，其余30%是爐下部C的直接還原反應(yīng)，如表達式(5)所示，此時以強大的吸熱反應(yīng)進行。

部分CO還原反應(yīng)與放熱反應(yīng)同時發(fā)生，也是提高能效的主要反應(yīng)，但CO2作為尾氣排放，直接造成溫室氣體排放。熱源主要用于還原反應(yīng)保溫，以及鐵水和爐渣的熔化。因此，除了用作熱源以外，通過還原反應(yīng)也會產(chǎn)生大量的CO2。通常用高爐還原劑比(Reduction Agent Ratio；RAR，%)表示煤炭的使用比例，如果按照還原和熱源以示區(qū)分，假設(shè)煤氣利用率(ηCO)為50%，大致為65:35的比例，如圖1中的(a)所示。這一比例可根據(jù)目標高爐的容積、使用年數(shù)、原料組成和各種運行環(huán)境而變化。此外，在制造高爐的主要原料燒結(jié)礦時，也使用了煤炭(焦炭粉、無煙煤等)作為熱源，如果綜合考慮，這一比例會再次調(diào)整為54:46，如圖1(b)所示。

圖1 (a)高爐的還原劑和熱源比例，(b)包括燒結(jié)工序的還原劑和熱源比例，ηCO=(%CO2)/[(%CO)+(%CO2)]

以同樣方法制造焦炭時也需要熱源，因此，煉鐵階段的煤炭用量中，用于還原反應(yīng)的比例估計在50%以下。由此可見，煤基煉鐵工藝的煤炭使用成本中，約50%用于還原，其余用作熱源。通過探討含H2煤氣或H2直接替代碳系還原劑的煉鐵工藝，可以更清楚地了解CO2減排問題。

1.1.2 H2還原反應(yīng)

與CO相比，H2還原分步驟進行，因而存在一定差異，但整體反應(yīng)可以用表達式（6）～（9）所示。

CO對鐵礦石的總還原反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)為-32.11 kJ/mol，具有放熱反應(yīng)特征，但H2總還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。這意味著整體或局部的H2還原反應(yīng)需要考慮額外的熱補償，由于水(H2O)是主要的反應(yīng)產(chǎn)物，因此環(huán)境友好。H2對鐵礦石的還原反應(yīng)從還原階段開始，連續(xù)發(fā)生一系列吸熱反應(yīng)，與CO還原相比，需要更多的熱量。因此，考慮到H2的主體反應(yīng)，反應(yīng)器的溫度分布會有很大的變化。根據(jù)標準和假設(shè)，將含H2的COG噴吹到高爐中，用部分H2代替CO。高爐內(nèi)維持爐腹煤氣量的高爐運行條件如表1所示，通過計算，估計可以減少90 832 kJ/t-HM的間接還原熱量。

表1 H2部分替代CO間接還原熱量計算的高爐運行條件

另一方面，H2還原反應(yīng)因溫度區(qū)域而不同，但由于反應(yīng)速率比CO還原快，考慮到70%的目標間接還原率，反應(yīng)在相對早期階段發(fā)生，在快速還原反應(yīng)時才有效果，因此，可以用于處理難還原的鐵礦石，相對提升反應(yīng)速率，加快鐵礦石熔化反應(yīng)。但在額外熱補償和滲碳的作用下，鐵的熔點沒有降低，因此，需要重新設(shè)計高溫熔煉所需的耐火材料和相關(guān)工藝。

綜上所述，在現(xiàn)有的高爐煉鐵設(shè)備中，使用H2替代煤炭時，隨著相對吸熱反應(yīng)量的增大，垂直溫度分布出現(xiàn)波動，加之H2密度相當于CO的1/12，通氣道、熔體的生成位置，脈石的分離性也會發(fā)生變化，加之爐上部熱量不足，針對這些問題，需要對集塵系統(tǒng)作出改進。換言之，傳統(tǒng)高爐設(shè)備是以CO氣體的還原-熱交換為前提而設(shè)計的，在含H2煤氣或者純H2在噴吹方面還受到一定限制，為了突破這一局限，需要采用全新概念的工藝設(shè)計。

1.2 碳基高爐基礎(chǔ)工藝特點

綜合鋼鐵廠的優(yōu)點是近距離生產(chǎn)燒結(jié)礦及焦炭，用于高爐煉鐵工序，并將鐵水連續(xù)供給煉鋼和軋制工序。通過利用上述工序產(chǎn)生的多余副產(chǎn)煤氣，主要用于電力生產(chǎn)以及加熱爐燃燒器的熱源，因此具有一定經(jīng)濟性[3]。

特別是大型軋機等電動機驅(qū)動需要消耗大量電力，用電量可達32～70 MVA，需要從外部采購，或者自發(fā)電。對外部電力的依賴程度較高時，采購成本的負擔和供給波動性增大，因此，鋼鐵企業(yè)自發(fā)電的比例也在不斷提高。此外，作為鋼鐵制造過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，爐渣主要用作水泥粘結(jié)劑的原料、道路填埋料及建筑骨料等。特別是用作水泥原料的高爐水淬渣，可以降低石灰石的使用比例，從而有助于CO2減排。因此，鋼鐵冶煉工藝中使用的化石燃料可以為鐵礦石還原反應(yīng)供熱，為二次精煉提供能量，同時還可以為加熱爐燃燒器提供煤氣燃料。因此，在現(xiàn)有的高爐長流程鋼鐵廠中，使用煤炭作為主要能源，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)為獨立的能源系統(tǒng)，用于鐵礦石的還原和熔化、加熱燃料和電力生產(chǎn)以及水泥原料來源等多種用途。綜合鋼鐵廠煉鐵工序的煤炭使用比如圖1所述，涉及還原反應(yīng)所需比例，根據(jù)運行條件的差異，僅有一半得到了充分利用。如果今后使用替代還原劑，這將成為重要的比較指標。

圖2 現(xiàn)代高爐綜合鋼鐵廠的能量和物質(zhì)流

1.3 日韓高爐CO2減排型復(fù)合煉鐵工藝開發(fā)

經(jīng)過前期的大型化和優(yōu)化改造，韓國鋼鐵企業(yè)高爐能效提升的空間已經(jīng)非常有限。因此，主要通過以下三種途徑減少CO2排放，而不是降低額外的燃料成本[4]。首先，將含H2資源或生物質(zhì)等碳中性資源用作還原劑；其二，將鐵礦石等原料裝入高爐之前，進行預(yù)改質(zhì)或還原，或使用完全還原的廢鋼或電爐用還原鐵(DRI)；其三，對高溫爐渣的顯熱進行回收。在第三種方法中，現(xiàn)有系統(tǒng)可以生產(chǎn)水淬渣，并用作水泥混合劑，盡管可以確保產(chǎn)品質(zhì)量，卻難以穩(wěn)定回收熱量，因此，仍在持續(xù)研究之中。以上方法在概念上屬于擬議的新工藝和新原料使用技術(shù)，需要逐步進行長期開發(fā)，并對能源成本進行審查，因此，還需要官方政策上的支持，而不僅僅是工業(yè)界單獨進行技術(shù)開發(fā)。

如圖3所示，在韓國政府的大力支持下，鋼鐵業(yè)界開始推進COOLSTAR（CO2Low Emission Technology of STeel making and Hydrogen Re‐duction，煉鋼及H2還原的CO2低排放技術(shù)）項目，項目的實施周期從2017年12月開始，到2024年11月結(jié)束。終極目標是實現(xiàn)鋼鐵冶煉的高效和環(huán)保生產(chǎn)，同時確保高質(zhì)量產(chǎn)品平穩(wěn)生產(chǎn)[5-6]。

圖3 COOLSTAR項目概況

該項目由韓國金屬材料研究合作社（KOMERA，韓國鋼鐵協(xié)會研究開發(fā)室）統(tǒng)管，POS‐CO、現(xiàn)代制鐵、SAC、韓國能源技術(shù)研究院（KIER）、浦項產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究院（RIST）等22家相關(guān)的產(chǎn)學(xué)研機構(gòu)和企業(yè)共同參與。從高爐、副產(chǎn)煤氣改質(zhì)與精制、電爐等三大領(lǐng)域分別進行技術(shù)開發(fā)，相關(guān)子課題如表2所示。

表2 COOLSTAR項目的子課題

從第一部分高爐課題來看，CO2直接減排技術(shù)是將含H2副產(chǎn)煤氣向高爐噴吹，同時在高爐中使用低還原鐵(Low Reduced Iron，LRI)。鋼鐵廠內(nèi)副產(chǎn)煤氣中H2含量較高的焦爐煤氣(COG)目前作為副產(chǎn)煤氣發(fā)電和后工序加熱爐的熱源。該研究將部分用于副產(chǎn)煤氣發(fā)電的含H2煤氣專用于鐵礦石還原劑，在制造LRI的同時，通過直接向高爐風口噴吹的方法推進CO2減排。副產(chǎn)煤氣的發(fā)電量減少，而增加的電力則是通過采購?fù)獠侩娏Φ姆椒?，碳排放系?shù)相對較低，從而實現(xiàn)鋼鐵廠整體的CO2減排，如圖4所示。

圖4 H2在高爐和LRI生產(chǎn)中的應(yīng)用

在上述煤基高爐工藝中，為了降低CO2排放量，在將副產(chǎn)煤氣作為還原劑的同時，對于下工序的能量供需，還可以選擇清潔電力進行替代。不過，在這種情況下，必須考慮到電力行業(yè)的結(jié)構(gòu)性重組、清潔電力的穩(wěn)定供應(yīng)等實際問題。如圖5所示，在本課題中，目前鋼鐵廠內(nèi)產(chǎn)生的副產(chǎn)煤氣向高爐噴吹時，如果還原劑配比減少產(chǎn)生的CO2減排量為201 kg/t-HM，而額外采購?fù)獠侩娏?dǎo)致的CO2排放量為68 kg/t-HM，兩者相互抵消，有望實現(xiàn)133 kg/t-HM的CO2凈減排量。如果考慮當前的經(jīng)濟成本，今后還需要進行一些調(diào)整，才能選擇這種方案。

圖5 向高爐噴吹含H2副產(chǎn)煤氣和LRI裝料對CO2減排的影響

在日本國內(nèi)，由日本鋼鐵聯(lián)盟主導(dǎo)，開展了COURSE50項目，該項目分為兩期，始于2008年，到2028年將完成中試階段的開發(fā)，該項目的總目標是到2050年實現(xiàn)CO2減排30%。如圖6所示，從高爐下部噴吹含H2煤氣，捕集和加熱還原煤氣，再向高爐上部噴吹，由此實現(xiàn)高爐工藝CO2減排10%，而通過捕集-儲存(CCS)的CO2減排比例為20%。此外，捕集的CO2將通過社會基礎(chǔ)設(shè)施進行處理。這意味著，在鋼鐵工業(yè)致力于CO2減排的同時，全社會也肩負著一定責任。在高爐工藝中，CO2減排目標還包括還原煤氣捕集后加熱再利用，但由于尾氣中含有大量N2，因此，主要采用CO2吸附式捕集的方式[7-9]。

圖6 日本COURSE50項目

韓國COOLSTAR項目中，含H2副產(chǎn)煤氣向高爐噴吹部分與COURSE50相似，但不同之處在于：采用含H2還原煤氣，在轉(zhuǎn)底爐中制備LRI，再將其用于高爐。此外，還將碳中性的生物質(zhì)原料同時作為還原劑和熱源，從而產(chǎn)生額外的碳替代效果。日韓CO2減排的共同技術(shù)途徑是以現(xiàn)有的高爐基礎(chǔ)為前提，包括H2部分還原的嘗試。也就是說，COOL‐STAR以現(xiàn)有碳還原劑為基礎(chǔ)，其目標就是用含H2煤氣部分替代碳還原劑。

2 H2還原煉鐵工藝

2.1 工藝特點

與CO還原相比，H2還原的產(chǎn)物是H2O，而不是CO2，可以減少溫室氣體的排放。不過，對于H2還原而言，確保廉價充足的H2至關(guān)重要。盡管學(xué)者已經(jīng)在反應(yīng)方面進行了詳細的研究和分析，但該工藝還未實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。目前，大多數(shù)H2含量較高的還原反應(yīng)采用天然氣重整工藝，典型的工藝包括MIDREX、HYL和FINMET等。MIDREX工藝利用水蒸氣對天然氣進行重整，在常壓的豎爐中利用重整氣體還原球團和塊礦，從而制造DRI；HYL工藝向高壓豎爐供應(yīng)天然氣和水蒸氣，天然氣重整的同時，還原礦石，制造DRI；FINMET工藝是將天然氣重整為水蒸氣，在多段通路上將粉礦還原并造塊，制造熱壓鐵塊(HBI)。此外，在高爐中通過風口噴吹天然氣和重油，同時將大量粉煤向高爐噴吹，從而將H2含量提高到一定水平。此外，就煤炭基非高爐煉鐵工藝而言，COREX和FINEX直接利用未加工的煤炭，利用了含有大量H2的還原煤氣，可以說采用了部分H2還原的概念。上述煉鐵工藝中，還原煤氣中所含的H2含量如圖7所示。將現(xiàn)有的天然氣或重油向風口噴吹時，可以參考COOLSTAR或COURSE50的模式進行解析。

圖7 不同煉鐵工藝中H2含量的比較

這種分類再次將C和H2的使用范圍以及產(chǎn)品形式進行分類，最終產(chǎn)品分為生鐵和DRI/HBI，如圖8所示。為了提高H2還原率，分別按照高爐-轉(zhuǎn)爐和DRI-電爐等兩大工藝路線進行。根據(jù)地區(qū)環(huán)境的實際情況，全球知名鋼鐵企業(yè)都在實施CO2減排戰(zhàn)略，但基本方向都是用H2替代C。大多數(shù)歐洲鋼鐵企業(yè)的長期戰(zhàn)略是利用相對豐富的可再生能源電力制備H2，而日韓兩國的高爐設(shè)備已經(jīng)具備了較高水平，很難通過擴大可再生能源制備綠色H2，因此，主要通過含H2副產(chǎn)煤氣在高爐的應(yīng)用，優(yōu)先采取部分H2還原的戰(zhàn)略。另外，塔塔歐洲鋼鐵公司正在開發(fā)CO2減排技術(shù)，目標是將CCS技術(shù)整合到過去10多年來開發(fā)的煤基HIsarna工藝中。

圖8 兩種工藝路線CO2排放比較

H2還原煉鐵工藝主要利用外部綠色H2，而不是依賴于化石燃料。從這個意義上說，H2還原煉鐵的基本概念是利用可再生能源電力制備的綠色H2，選用高品位的精制鐵礦石，制造DRI，然后在電爐中熔煉，如圖9（A）所示。該工藝利用可再生能源，廉價可靠地供應(yīng)H2，而不會生成C。盡管相關(guān)技術(shù)目標是在2050年開發(fā)完成，但由于目前的開發(fā)水平處于技術(shù)就緒水平(TRL)3～6級的初期階段，因此，還需要攻克許多困難，同時密切關(guān)注今后的整體進展情況。

2.2 歐洲H2還原煉鐵技術(shù)開發(fā)

知名歐洲鋼鐵企業(yè)大多在探討向H2還原煉鐵技術(shù)轉(zhuǎn)型，并將其作為低碳發(fā)展戰(zhàn)略的手段之一，如表3所示。從TRL來看，大部分技術(shù)從中試技術(shù)（TRL6）開始技術(shù)認證，為了驗證商用性，指向TRL8級水平。盡管名稱和概念各異，但基本上都有共同點，如圖9（B）所示，制H2方式可分為兩種：由綠色電力對水進行電解，以及利用固體電解質(zhì)將余熱產(chǎn)生的蒸汽置換成H2。兩者都是由外部提供廉價的綠色電力，以此作為制H2的主要能源。此外，利用生成的H2，在豎爐中還原高品位鐵礦石制造的球團礦，生產(chǎn)DRI，在電爐熔煉鋼水。根據(jù)實際情況，也可以不選用球團礦，而是直接利用選礦處理的精礦，在轉(zhuǎn)底爐中還原，生產(chǎn)DRI。或者以等離子體為介質(zhì)，將鐵礦石在高溫條件下進行H2還原。由于電爐熔化是電力驅(qū)動方式，因此，整體而言，H2還原煉鐵法就是以“綠色電力”為基礎(chǔ)的鋼鐵制造工藝。另一方面，H2還原在反應(yīng)過程中與煤基工藝不同，只關(guān)注鐵礦石的還原反應(yīng)，而并未實現(xiàn)脈石分離，因此，電爐煉鋼應(yīng)該在鐵熔點1 813 K以上的溫度條件下進行操作。因此，為了清除爐渣，減少能量消耗，需要對鐵礦石進行高品位化的預(yù)選礦處理。在H2還原中，大多傾向于直接或間接地利用高品位精礦，其中脈石的比例在3.5%以內(nèi)，在鐵礦石的使用方面受到了一定的限制。

圖9 歐洲H2煉鐵項目的共同特征

表3 歐洲鋼鐵企業(yè)低碳冶煉技術(shù)開發(fā)進展

歐洲地區(qū)鋼鐵工業(yè)的歷史超過150年，20世紀50年代后期開始運行的焦爐等相關(guān)設(shè)備已經(jīng)達到了使用壽命極限，而高爐、電爐等工藝主打設(shè)備老化嚴重，正處于設(shè)備更換或引進新工藝的十字路口[10]。一般來說，鋼鐵工業(yè)是資本及設(shè)備密集型產(chǎn)業(yè)，初期投資費用龐大。盡管如此，歐洲鋼鐵公司的設(shè)備大多為年產(chǎn)100萬～300萬t級的小型設(shè)備，與近年投資的設(shè)備相比，競爭力低下，最重要的是，在維護方面也存在一定困難。另一方面，區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也從包括鋼鐵工業(yè)在內(nèi)的重化工工業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨朔?wù)產(chǎn)業(yè)。汽車、造船等鋼鐵下游行業(yè)由于規(guī)模較小，對鋼鐵工業(yè)的依賴程度不大，這也非常有利于工藝和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。與之相反，考慮到工藝轉(zhuǎn)型和相關(guān)能源基建都需要巨大的資金投入，為了實現(xiàn)新工藝的商業(yè)化，鋼鐵產(chǎn)品的價格漲幅少則60%，最高可達200%以上。尤其值得注意的是，在CO2減排比例30%以上的場景中，設(shè)定了目標，假設(shè)目前正在進行的技術(shù)，包括傳統(tǒng)煤基工藝的碳捕集和儲存技術(shù)，都將如期進行。大部分的CO2減排部分是通過目前開發(fā)的CCUS技術(shù)實現(xiàn)，由此可見，H2還原煉鐵的減排比例相對較低[11]。

目前，歐洲鋼鐵企業(yè)正在積極推進H2還原煉鐵路線，特別是以瑞典的HYBRIT項目為代表，探討了綠色電力制H2還原煉鐵工藝的相關(guān)問題。截至2019年，瑞典的電力組合已經(jīng)轉(zhuǎn)向了低碳型發(fā)電結(jié)構(gòu)，其中，核能42%，水力39%，風力10%，熱聯(lián)合9%，預(yù)計今后這一趨勢還會持續(xù)擴大。為了確保綠色電力，HYBRIT項目在制定路線圖的同時，還需要考慮與電力行業(yè)的系統(tǒng)性聯(lián)系。在適度擴大可再生能源的前提下，還提出了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的行動計劃，確保H2還原所需綠色電力基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)[12-13]。此外，考慮到對電力行業(yè)依賴度越來越高，還需要結(jié)合整個項目的路線圖，考慮綜合的技術(shù)開發(fā)條件。

向H2還原綜合鋼鐵廠轉(zhuǎn)型后，能源供給體系也會發(fā)生變化。在2019年9月的日本氫能源內(nèi)閣會議上，日本制鐵公司曾公布全球鋼鐵工業(yè)所需H2的供應(yīng)價格及需求量[14]。在煉鐵工藝中，將煤炭轉(zhuǎn)換為H2時，假設(shè)煉鐵用煤炭價格為200美元/t，H2價應(yīng)為7.7美分/Nm3；假設(shè)生產(chǎn)1.0 t鐵水所需的H2用量為1 000 Nm3，那么全球每年需要1.3萬億Nm3。2020年韓國國內(nèi)的H2銷售價格（與制造工藝無關(guān)）為7.0美分/Nm3，根據(jù)韓國政府路線圖要求，盡管在2040年左右計劃將價格降至1/3，但H2的供應(yīng)價格依舊在20美分/Nm3以上。制造無碳排放H2需要額外的成本，同時還要滿足鋼鐵工業(yè)所需數(shù)量，實現(xiàn)穩(wěn)定供應(yīng)。就韓國而言，如果將年產(chǎn)量為3 800萬t的煤基鋼鐵制造工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃G色H2為基礎(chǔ)的H2還原工藝，每年需要消耗370萬t H2，這相當于韓國政府在2040年國家H2路線圖中提出的H2目標產(chǎn)量（每年526萬t）約70%的水平[15]。根據(jù)多種假設(shè)和前提，考慮H2供應(yīng)單價和供需，特別是目前的鋼鐵市場已經(jīng)成熟，可以預(yù)見，今后無碳排放鋼材的價格上漲是不可避免的。終端消費者使用鋼鐵產(chǎn)品時，價格可能比現(xiàn)在上漲數(shù)百歐元以上。H2還原煉鐵工藝將利用低碳排放的電力，為各工序供熱。未來H2基綜合鋼鐵廠如圖10所示，只有鐵礦石還原才使用綠色H2，其余熔煉和軋制過程所需的動力大部分會因依賴外部電力而波動。向H2還原煉鐵工藝轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵就是：所需的綠色電力必須來自鋼鐵工業(yè)外部的社會基礎(chǔ)系統(tǒng)，外部能源依賴將比目前更加嚴重。只有鐵礦石的還原反應(yīng)由H2承擔，其余所需能源必須通過單獨的途徑供應(yīng)，從而發(fā)生能源解耦。

圖10 未來H2基綜合鋼鐵廠

由此可見，利用綠色能源制備H2，為了確保電力供應(yīng)，都需要構(gòu)建完善的社會體系，也需要與相關(guān)產(chǎn)業(yè)緊密聯(lián)系。為了年產(chǎn)370萬t水平的綠色H2需要電力約23.7 GWh，價格也要在制造成本的基礎(chǔ)上達到0.7美元/kg的水平，同時還要考慮必須在鋼廠附近構(gòu)建H2供應(yīng)網(wǎng)。另一方面，轉(zhuǎn)為H2還原后，韓國鋼鐵廠的電力購買量將急劇上升，現(xiàn)在約80%的自給水平將變成100%的外購，因此，水電規(guī)模將提高到每年3 700 MWh，比目前高出約6.4倍。這是古里核電站新1號機組容量的3.7倍，可見其需求巨大。另據(jù)歐洲2050鋼鐵路線圖預(yù)測，在顯著削減碳排放的戰(zhàn)略構(gòu)想中，新技術(shù)和更多能源的使用將產(chǎn)生每噸35%～100%的額外成本，碳中和鋼鐵生產(chǎn)所需的額外能量為400 TWh，相當于目前的7倍[12]。

與此同時，只有供應(yīng)綠色電力，煉鐵工藝才能全流程減少碳排放，因此，必須對相關(guān)能源組合轉(zhuǎn)型進行長期規(guī)劃，并予以實施。此外，在碳基高爐工藝中，此前還使用了低品位鐵礦石，但在H2還原煉鐵工藝中，考慮到電爐鋼材的質(zhì)量，采用了DRI制造用球團礦或精礦，對低品位礦石的選礦處理和造球過程至關(guān)重要，因此，預(yù)計物流系統(tǒng)在相關(guān)原料供需等方面會有變化。

3 借鑒與思考

時至今日，全球知名鋼鐵企業(yè)都非常關(guān)注CO2減排的問題，盡管鋼鐵市場趨于全球化，但世界各國的碳稅法律并不統(tǒng)一，因此，還存在不公平競爭。鋼鐵工業(yè)的CO2減排不僅需要持續(xù)的技術(shù)開發(fā)和設(shè)備更新，還需要加強與上下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)系，同時推進國際合作研究。特別是H2還原煉鐵工藝，由于鐵礦石還原反應(yīng)與其他能源使用解耦，使得鋼鐵工業(yè)對外部電力能源的依賴程度大大增加，因此，只有綠色能源的H2和電力具有足夠的經(jīng)濟性，鋼鐵工業(yè)的競爭力才能得以繼續(xù)維持。

在全球“脫碳”大潮的背景之下，鋼鐵工業(yè)的綠色低碳發(fā)展勢不可擋。目前歐洲鋼鐵企業(yè)主要利用綠色電力制備H2，再用于鋼鐵生產(chǎn)[16]，而日韓則采用含H2副產(chǎn)煤氣進行高爐煉鐵。用H2代替煤炭，改變能源消耗結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)煉鐵工藝的近零排放，將帶動鋼鐵工業(yè)以及上下游相關(guān)行業(yè)的同步調(diào)整和變革，逐步向綠色化、精深化、高端化轉(zhuǎn)型。

近年來，中國鋼鐵企業(yè)也在積極布局H2冶金產(chǎn)業(yè)，但國內(nèi)現(xiàn)有的H2產(chǎn)能還遠不能滿足鋼鐵工業(yè)的需求。除了制H2產(chǎn)能有限，制H2成本也是居高不下。因此，要想全面實現(xiàn)H2還原煉鐵生產(chǎn)，首先應(yīng)該解決制H2工藝水平和成本問題，這需要集結(jié)多方力量，同時確保足夠的資金支持。