一、钢铁冶炼用氢气的目的：减碳、脱碳
目前中国是世界上最大的钢铁生产国和钢铁消费国。
然而，我国钢铁行业的能源结构以煤炭为主体，主要采用高炉—转炉冶炼技术路线，吨钢二氧化碳排放量约1.76吨，其中炼铁环节占70%以上。
钢铁行业的碳排放机理大体可以分为三类：
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一是焦炭作为生产原料，参与化学反应所 产生的碳排放，如烧结、炼焦、石灰焙烧、钢铁冶炼和钢材酸洗，其中碳排放主要是炼铁工序中还原反应所产生；
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二是化石能源作为燃料，燃烧所产生的碳排放，如炼钢焦炉、高炉和转炉中的燃料 燃烧；
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三是化石能源作为发电来源，钢铁生产中电力消耗所引起的间接碳排放。
因此，如何减少在钢铁冶炼阶段的碳排放量，对钢铁行业低碳转型具有重要意义。
氢能是一种来源丰富、绿色低碳的二次能源，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，实际应用范围非常广泛。在高消耗、高排放的冶金行业，合理利用氢能是促进其低碳发展的可行路径之一。
图源自 中国宝武
二、钢铁冶炼传统工艺
铁矿石变成钢，是经过了两步变化：铁矿石—生铁—钢。
前面提到，我国主要采用高炉—转炉冶炼技术路线，工艺流程是：经过烧结处理的铁矿石和焦炭在高炉内反应，炼出液态生铁，再到转炉炼钢。
图源自 碳道
三、钢铁冶炼工艺中氢的应用方式
1、氢、碳还原铁的反应式对比
氢气可用于钢铁生产的方式有两种：
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氢气可作为高炉-转炉 BF-BOF 路线（长流程）的辅助还原剂
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氢气可用作铁的直接还原或 DRI（短流程）过程中的唯一还原剂
涉及的碳排放反应式如下：
Fe₂O₃ + 1.5C → 2Fe + 1.5CO₂ 直接还原
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ 间接还原
用氢冶金的反应式为：
Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O
2、冶金中氢的应用方式
氢是初级钢冶炼过程中最有效的清洁还原剂之一，其应用方式一般有三种：高炉富氢冶炼、氢直接还原铁、氢熔融还原铁。
高炉富氢冶炼：是指将氢气与现有还原剂混合后，在冶炼过程中所产生的还原反应。该方法可以减少还原反应的碳排放，却不能实现零碳，不过仍可被视为一种渐进式的减碳方案。
宝武钢铁正在新疆进行的高炉富氢冶炼试点项目
氢直接还原铁：是指通过氢基还原反应直接还原固体铁矿石，该路径有潜力实现几乎完全脱碳。目前，众多钢铁企业已经开始进 行此类技术的试点项目。
河钢集团张宣科技全球首例富氢气体（焦炉煤气）零重整竖炉直接还原氢冶金示范工程
氢熔融还原铁：是指将熔融还原与氢还原相结合，以此来减少焦化和铁矿石烧结前的处理步骤。
建龙钢铁的氢熔融还原冶炼项目 已在中国内蒙古成功投产
3、氢冶金需要的改造和设备
氢气供应系统：建设一个稳定的氢气供应系统，包括制氢、储氢和输送氢气的设备。这些设备可能包括制氢站、氢气储罐、压缩机、管道和阀门等。
氢气还原反应装置：引入氢气还原反应装置，用于将氢气与铁矿石进行反应，实现直接还原过程，产生金属铁和水蒸气。这可能需要定制化的还原反应设备和控制系统。
水蒸气回收系统：建设水蒸气回收系统，用于从还原过程中产生的水蒸气进行回收和再利用。
钢铁生产流程设备：根据具体需求可能需要对钢铁生产流程的设备进行改造或更新，以适应氢气冶炼的要求。这可能包括原料处理设备、熔炼炉、连铸机、轧制设备等。
氢气回收和处理设备：钢厂可以安装氢气回收和处理设备，从冶炼过程中产生的废气中回收未利用的氢气并进行处理，以提高氢气的利用率和环境友好性。
四、氢冶金技术未来应用展望
自然资源保护协会（NRDC）发布的《面向碳中和的氢冶金发展战略研究》报告指出，经济性是制约钢铁行业氢冶金发展的关键因素之一，其中主要涉及氢气成本及碳排放成本。
随着技术进步，制氢成本逐渐降低，当企业需要为碳排放支付费用时，氢冶金就可以显示出成本优势。碳排放的成本越高，氢冶金的成本优势越大。因此，合理利用碳市场将对氢冶金技术推广应用起到积极推动作用。
报告预计，氢基直接还原技术有望在2040年后大规模推广，先决条件是绿氢产业链的发展，包括绿色、经济、大规模氢源的获取，氢气长距离的安全储运，氢源供需的合理配置等。
国内主要钢铁企业：
中国宝武钢铁集团、鞍钢集团、沙钢集团、河钢集团、建龙集团、首钢集团、山钢集团、德龙集团、湖南钢铁集团、方大集团、柳钢集团、日照钢铁、中信泰富特钢集团、广西盛隆冶金、包钢集团、敬业集团、新华联合冶金控股集团、青山控股集团、中天钢铁、陕钢集团、安钢集团、福建三钢集团、南钢集团、河北东海特钢集团、酒钢集团、津西集团。
制氢电解槽企业：
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原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：氢气在钢铁冶炼工艺中的应用
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