秦阿寧 孫玉玲
2025年1月份，《麻省理工科技評(píng)論》發(fā)布了2025年“十大突破性技術(shù)”，憑借在創(chuàng)新領(lǐng)域的突出成就以及在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的卓越貢獻(xiàn)，綠色鋼鐵技術(shù)入選10大榜單。2025年1月8日，美國(guó)能源部宣布將在鋼鐵脫碳領(lǐng)域資助熔融氧化物電解煉鐵、電化學(xué)濕法冶金技術(shù)、新型脫碳鐵礦還原工藝等技術(shù)。在全球，鋼鐵行業(yè)碳排放約占排放總量的7%；在我國(guó)，鋼鐵行業(yè)碳排放占排放總量的15%左右，遠(yuǎn)高于全球平均水平，位居制造業(yè)31個(gè)門類首位。因此，鋼鐵行業(yè)碳減排對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有舉足輕重的作用。
鋼鐵行業(yè)關(guān)鍵減排技術(shù)研究進(jìn)展
氫冶金工藝的燃燒特性、流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值模擬，深入探索工藝特性與規(guī)律，可為氫冶金工藝優(yōu)化和改進(jìn)提供理論依據(jù)。1月（以下月份均為2024年），通過(guò)數(shù)字模擬HIsmelt工藝反應(yīng)爐內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和CO2濃度場(chǎng)，北京科技大學(xué)和昆士蘭大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)增加氧槍插入深度，U形渦流影響范圍變大，傳熱效果提高；增加溫差和降低CO2濃度會(huì)降低燃燒和傳熱效率。6月，澳大利亞南威爾士大學(xué)構(gòu)建多流體高爐模型，研究氫氣注入高爐后停留時(shí)間分布情況。11月，東北大學(xué)開發(fā)多尺度數(shù)學(xué)模型，計(jì)算氫基豎爐的流體動(dòng)力學(xué)，并深入研究H2與CO比例對(duì)熱化學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)以及關(guān)鍵性能指標(biāo)影響。
氫等離子體還原赤泥生產(chǎn)鋼鐵。1月，德國(guó)馬普學(xué)會(huì)研究人員將赤泥放在含氫10%的熱等離子體電弧爐中產(chǎn)生液態(tài)鐵，從15克赤泥中提取了2.6克金屬鐵，接近理論極限值，還原10分鐘時(shí)金屬化率達(dá)70%，平均鐵含量為95%，有害元素（如硫、磷和碳）可忽略。該工藝在工業(yè)化方面具有經(jīng)濟(jì)性，被Nature期刊“新聞與觀點(diǎn)”欄目評(píng)為2024年度科學(xué)亮點(diǎn)。
電化學(xué)煉鐵領(lǐng)域的惰性陽(yáng)極、電解質(zhì)設(shè)計(jì)。6月，東北大學(xué)研制出非消耗性氬等離子體陽(yáng)極，用于無(wú)碳電化學(xué)煉鐵。8月，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出一種電解質(zhì)設(shè)計(jì)原則，適用于任何電化學(xué)過(guò)程，通過(guò)嚴(yán)格控制陰離子-陽(yáng)離子-離子對(duì)相互作用的強(qiáng)度，可調(diào)整所得電解質(zhì)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和界面特性。在人工智能輔助下，利用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合的方法，可確定高性能陰離子衍生接觸離子對(duì)（CIP）結(jié)構(gòu)，為更快地研究提供了巨大組合空間。
聚光太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的氫基直接還原鐵。9月，利用1000℃的太陽(yáng)能加熱填充床反應(yīng)器，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心研究人員實(shí)驗(yàn)了氫直接還原鐵礦粉過(guò)程，驗(yàn)證了400℃～1000℃鐵礦石直接還原為鐵的可行性。11月，法國(guó)另一團(tuán)隊(duì)利用模擬太陽(yáng)能直接加熱反應(yīng)器，在曝光過(guò)程3次旋轉(zhuǎn)單個(gè)球團(tuán)，在12分鐘內(nèi)還原率達(dá)到96%，此還原率可滿足工業(yè)要求。
鋼鐵行業(yè)關(guān)鍵減排技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展
高爐富氫冶煉。12月，昌黎縣興國(guó)精密機(jī)件有限公司“300000m3/d綠電電解水制氫—儲(chǔ)氫—450m3高爐富氫冶煉”項(xiàng)目投運(yùn)。該項(xiàng)目噸鐵噴吹純氫達(dá)103m3，可實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵碳排放減少8%～11%。目前，該項(xiàng)目已進(jìn)入全工序關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化提高階段，旨在提高噸鐵噴氫量、優(yōu)化上下游協(xié)同性、降低能耗和成本。12月20日，日本高爐富氫冶煉項(xiàng)目Super COURSE50宣布成功實(shí)現(xiàn)43%的減排量，還將開發(fā)CO2排放量減少50%以上的技術(shù)，以及放大規(guī)模在大型高爐上應(yīng)用。
氫基豎爐直接還原項(xiàng)目。1月，中國(guó)鋼研自主研發(fā)和建設(shè)的純氫多穩(wěn)態(tài)豎爐示范工程運(yùn)行，常態(tài)金屬化率達(dá)到97%～99.4%。該項(xiàng)目對(duì)釩鈦磁鐵礦進(jìn)行了工業(yè)化試驗(yàn)，累計(jì)還原釩鈦球團(tuán)產(chǎn)品300余噸，平均金屬化率達(dá)97%，且使釩、鈦元素高效富集在渣中，為釩鈦磁鐵礦資源開發(fā)提供了新思路。8月，美國(guó)紐柯采用ENERGIRON直接還原工藝，創(chuàng)下每小時(shí)330.3噸冷態(tài)直接還原鐵（CDRI）的產(chǎn)量世界紀(jì)錄，日產(chǎn)量可達(dá)7928噸，產(chǎn)品金屬化率高達(dá)95%、含碳量為3.3%。8月27日，瑞典鋼鐵完成HYBRIT項(xiàng)目的試點(diǎn)階段工作，證明HYBRIT綠氫直接還原鐵工藝具有可行性，為 HYBRIT工業(yè)化鋪平了道路。9月，用綠氫作為還原氣體，河鋼120萬(wàn)噸氫冶金示范工程實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率為100%，金屬化率超94％，驗(yàn)證了“綠電—綠氫—綠鋼”的技術(shù)可行性，豐富了氫冶金氣源。
氫基流化床工藝HyREX成功出鐵。4月，浦項(xiàng)制鐵試驗(yàn)HyREX工藝，成功生產(chǎn)了15噸鐵水。9月，浦項(xiàng)制鐵研究人員在中試流態(tài)化還原爐中觀察鐵礦石流體反應(yīng)，該技術(shù)發(fā)展邁出了關(guān)鍵一步。浦項(xiàng)制鐵計(jì)劃在2026年建設(shè)一座30萬(wàn)噸的HyREX試驗(yàn)設(shè)施，驗(yàn)證其商業(yè)化運(yùn)營(yíng)情況，并計(jì)劃在 2030年之前完成商業(yè)化。
電解煉鐵試點(diǎn)工廠投入運(yùn)營(yíng)。3月，美國(guó)清潔鐵公司宣布電解煉鐵試點(diǎn)工廠投入運(yùn)營(yíng)。Electra工藝通過(guò)電化學(xué)方式，采用間歇性可再生能源，工作溫度在60℃時(shí)將鐵礦石轉(zhuǎn)化成金屬鐵。鐵礦石中的氧化鋁和二氧化硅等主雜質(zhì)被提煉為副產(chǎn)品。產(chǎn)品中鐵純度超過(guò)99%，與廢鋼結(jié)合為電爐提供原料，有望降低了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的投資成本。該項(xiàng)目中試廠正在反復(fù)試驗(yàn)連續(xù)生產(chǎn)能力，分階段提高產(chǎn)能，驗(yàn)證規(guī)模化前景，生產(chǎn)規(guī)模目標(biāo)為百萬(wàn)噸級(jí)。
總結(jié)與展望
目前，高爐富氫冶煉、氫基豎爐、氫基流化床處于工業(yè)示范階段，氫基熔融還原煉鐵、電化學(xué)煉鐵等正處于中試或工業(yè)驗(yàn)證階段。這些技術(shù)在推動(dòng)鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型中仍面臨著一系列挑戰(zhàn)。
高爐富氫冶煉面臨的挑戰(zhàn)包括：一是氫氣含量與氫氣利用率問(wèn)題，包括探索適宜的氫氣含量、協(xié)同優(yōu)化與CO的耦合還原、提高氫氣利用率等。二是熱量平衡與溫度控制問(wèn)題，富氫冶煉使?fàn)t內(nèi)溫度分布規(guī)律改變,如何保障反應(yīng)所需熱量和溫度是關(guān)鍵。三是富氫冶煉影響焦炭性能。高氫氣比例會(huì)加劇焦炭溶損反應(yīng)。為保證高爐順行，高爐富氫冶煉對(duì)焦炭強(qiáng)度提出更高要求。
氫基豎爐面臨的挑戰(zhàn)包括：一是需要新的熱能解決方案，應(yīng)對(duì)直接還原的吸熱反應(yīng)。二是需要高品位的鐵礦石、球團(tuán)。三是生產(chǎn)安全問(wèn)題，應(yīng)對(duì)氫氣的活潑性和易燃易爆特性。
氫基流化床面臨的挑戰(zhàn)包括：一是不同粒度的礦石流化行為不同，要實(shí)現(xiàn)大于100μm細(xì)粒和超細(xì)礦石均勻流化，最大限度減少超細(xì)礦石的洗脫和避免較細(xì)顆粒脫流/偏析。二是隨著還原反應(yīng)進(jìn)行，細(xì)/超細(xì)礦石顆粒表面會(huì)產(chǎn)生黏附趨勢(shì)，導(dǎo)致團(tuán)簇/團(tuán)聚體形成，減少黏附、保持穩(wěn)定流化并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)金屬化率。
另外，氫熔融還原工藝是生產(chǎn)無(wú)脈石液態(tài)鐵的一種可能途徑。必要高溫可通過(guò)太陽(yáng)能產(chǎn)生，采用這種方法必須解決反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、材料兼容性和間歇性等問(wèn)題。電解煉鐵在擴(kuò)大規(guī)模、材料降解和低品位礦石的兼容仍存在挑戰(zhàn)性。對(duì)于熔融氧化物電解來(lái)說(shuō)，能耗高是關(guān)鍵問(wèn)題。
（秦阿寧、孫玉玲系中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心助理研究員、研究員）
