縱觀國內(nèi)外近年來氫冶金前沿技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)，主要的工藝路線有富氫還原高爐和氣基直接還原豎爐。下面通過對比分析兩者的碳減排潛力，分析討論我國發(fā)展氫冶金的適宜工藝路線。
高爐富氫還原煉鐵的碳減排潛力
高爐實(shí)現(xiàn)富氫還原冶煉的主要途徑是噴吹H 2 和天然氣、焦?fàn)t煤氣等含氫介質(zhì)。利用多流體高爐數(shù)學(xué)模型，分別對高爐噴吹H2、天然氣、焦?fàn)t煤氣冶煉進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，部分研究結(jié)果見圖2-圖4。
圖2 高爐噴吹H 2 的還原劑消耗、氣體利用率和碳排放
圖3 高爐噴吹天然氣的還原劑消耗、氣體利用率和碳排放
圖4 高爐噴吹焦?fàn)t煤氣的綜合經(jīng)濟(jì)效益、氣體利用率和碳排放
在正常噴煤的高爐噴吹常溫H2或富氫氣體時(shí)，可通過增大鼓風(fēng)富氧率進(jìn)行熱補(bǔ)償，以維持穩(wěn)定的風(fēng)口回旋區(qū)理論燃燒溫度和高爐下部良好的熱量條件。在同時(shí)噴煤的條件下，噴吹富氫氣體后，高爐生鐵產(chǎn)量增加，焦比和總還原劑比降低，碳排放量減少。模擬研究結(jié)果表明，當(dāng)不同高爐分別噴吹120Nm3/tHM氫氣（煤比不變，氫代焦）、100Nm3/tHM天然氣（氫同時(shí)代煤和焦）、50Nm3/tHM焦?fàn)t煤氣（煤比不變，氫代焦）時(shí)，焦比分別降低12.87%、17.27%、14.53%，高爐碳排放分別降低10.58%、20.84%、8.05%。雖然這些高爐爐容、操作條件和富氫方案不同，貢獻(xiàn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)改善幅度也不同，但有一個(gè)變化趨勢是共同的，也即：隨著高爐噴吹富氫氣體量的不斷增大，爐頂煤氣CO利用率增加，但H2利用率逐漸降低。以高爐噴吹H2為例，爐頂煤氣氣體利用率以及碳排放的變化趨勢見圖2（b）。當(dāng)高爐氫氣噴吹量由0增至120Nm3/tHM，爐頂煤氣H 2 利用率由41.30%降至29.26%，昂貴的氫氣未得到有效利用。這主要是因?yàn)楦郀t內(nèi)CO和H2除了參與鐵氧化物的間接還原反應(yīng)之外，主要參與如下三個(gè)反應(yīng)：
(1)碳?xì)饣軗p反應(yīng)CO 2 +C→2CO（ΔHθ 298=165.3kJ/mol）； (2)水煤氣反應(yīng)H 2 O+C→CO+H 2 （ΔHθ 298=124.2kJ/mol）；(3)水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)CO+H2 O?CO2 +H2 （ΔHθ 298=-41.2kJ/mol）。反應(yīng)（3）在高爐內(nèi)屬于可逆反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)向右進(jìn)行時(shí)，CO利用增大，H2 利用率降低；當(dāng)反應(yīng)向左進(jìn)行時(shí)，CO利用降低，H2 利用率增大。隨著高爐氫氣噴吹量的增加，氫參與間接還原反應(yīng)比例增加，向爐上部上升的煤氣流中水蒸氣分壓增大，而且爐內(nèi)溫度大于1,000℃的高溫區(qū)和軟熔帶下移，也即中上部中低溫區(qū)域變大，因此反應(yīng)（3）將更多地向右進(jìn)行，導(dǎo)致爐頂煤氣H2利用率降低。通過數(shù)學(xué)模擬計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴吹120Nm3/tHM H2 時(shí)，高爐爐頂煤氣中近70%的CO2由反應(yīng)（3）產(chǎn)生，這進(jìn)一步說明噴吹更多氫氣時(shí)爐內(nèi)中上部反應(yīng)（3）向右進(jìn)行，這將導(dǎo)致爐頂煤氣H2利用率降低，從而影響高爐噴吹H2或富氫氣體冶煉的綜合經(jīng)濟(jì)效益。綜合考慮成本效益、增產(chǎn)效益、碳稅效益，在同時(shí)噴吹煤粉而且爐頂煤氣不循環(huán)利用的情況下，焦?fàn)t煤氣的適宜噴吹量為50Nm3/tHM左右，而天然氣的適宜噴吹量為100 Nm3/tHM左右。H2 同樣也有一個(gè)適宜的噴吹量，相關(guān)研究正在開展。
高爐噴吹H2 或富氫氣體有助于增加生鐵產(chǎn)量，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)焦或節(jié)煤，降低碳排放。但由于噴吹H2 或富氫氣體后，爐頂煤氣H2利用率不斷降低，噴入的清潔能源H2 未能高效利用，而且在爐內(nèi)摻雜入N2 等雜質(zhì)成分（由于鼓風(fēng)使?fàn)t內(nèi)煤氣含有50%左右的N2 ），增加了爐頂煤氣分離難度，導(dǎo)致頂煤氣循環(huán)成本高；同時(shí)，富氧、H2 或富氫氣體的成本增加將制約高爐噴吹富氫氣體的綜合經(jīng)濟(jì)效益；另外，由于高爐的冶煉特性，焦炭的骨架作用無法被完全替代，H2 噴吹量存在極限值。因此，高爐通過噴吹含氫介質(zhì)富氫還原實(shí)現(xiàn)碳減排的潛力受到限制，一般認(rèn)為高爐富氫還原的碳減排幅度可達(dá)10%-20%，難以經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)更大幅度的碳減排以及碳中和的目標(biāo)。
富氫氣基豎爐-電爐短流程的環(huán)境負(fù)荷
基于GaBi7.3軟件和CML2001方法，對煤制氣（入爐煤氣中H257%，CO38%，H 2 /CO=1.5）-富氫氣基豎爐-電爐短流程以及常規(guī)高爐-轉(zhuǎn)爐長流程進(jìn)行生命周期評價(jià)，對比分析環(huán)境影響。選擇1噸鋼水作為功能單位（FU），長短流程系統(tǒng)邊界如圖5所示。以30%DRI+70%廢鋼入電爐冶煉為基準(zhǔn)條件，編制生命周期清單。選取資源消耗潛值（ADP）、酸化潛值（AP）、富營養(yǎng)化潛值（EP）、全球變暖潛值（GWP100）、人體健康毒害潛值（HTP）、光化學(xué)臭氧合成潛值（POCP）六種影響類型進(jìn)行生命周期環(huán)境影響評價(jià)。
圖5 煤制氣-富氫氣基豎爐-電爐短流程（a）和高爐-轉(zhuǎn)爐流程（b）工藝系統(tǒng)邊界
長短流程的環(huán)境影響單一指標(biāo)對比見圖6?？梢姡褐茪?氣基豎爐短流程免除了高污染、高能耗的燒結(jié)、焦化、高爐等工序，ADP、AP、EP、GWP100、HTP和POCP分別是高爐-轉(zhuǎn)爐工藝的75.5%、3.51%、1.53%、50.54%、58.3%和53.19%，具有顯著的低環(huán)境負(fù)荷優(yōu)勢。此外，長流程和短流程噸鋼能耗及主要污染物排放對比見圖7?？梢姡褐茪?氣基豎爐短流程噸鋼能耗僅為263.67kgce，碳排放量為859.55kg，相比BF-BOF流程，噸鋼能耗、CO 2 可分別減少60.64%和54.3%。而SO 2 、NOx和粉塵排放量可減少74.0%、22.7%和15.9%。綜合可知，煤制氣-氣基豎爐-電爐短流程工藝對環(huán)境影響更小，可在更大程度上實(shí)現(xiàn)CO2 減排。若在煤制氣-富氫氣基豎爐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展全氫氣基豎爐，碳減排效果將進(jìn)一步強(qiáng)化。
圖6 BF-BOF與氣基豎爐短流程單一指標(biāo)對比
圖7 BF-BOF流程與煤制氣-氣基豎爐-電爐流程能耗及主要污染物排放對比
綜上所述，高爐通過噴吹富氫氣體實(shí)現(xiàn)碳減排的潛力有限，而氣基豎爐短流程大幅降低碳排放和環(huán)境負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排?？梢姡瑲饣Q爐直接還原更適用于發(fā)展氫冶金，甚至實(shí)現(xiàn)碳中和煉鋼。針對可能的全氫豎爐或富氫豎爐氫冶金工藝，含氫的豎爐爐頂煤氣通過凈化和循環(huán)可實(shí)現(xiàn)氫氣高效利用（豎爐爐頂煤氣無N2等雜質(zhì)成分摻雜，氣體捕集分離難度和循環(huán)利用成本遠(yuǎn)低于高爐），從而降低能耗和生產(chǎn)成本。
