氫直接還原工藝項目
隨著歐盟“2030年氣候和能源政策目標(biāo)”的發(fā)布，歐盟各國都推出更為嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)，特別是歐盟排放權(quán)交易體系（EU-ETS）的建立使各行業(yè)碳排放成本大大增加。在此背景下，高能耗、高污染的鋼鐵行業(yè)不得不將節(jié)能減排重視程度提升至同增長利潤相等的高度。為此，國外多家鋼鐵企業(yè)對氫氣直接還原工藝進行了深度布局，項目大都進入了建設(shè)或試驗階段。
安賽樂米塔爾開展純氫煉鐵技術(shù)研發(fā)
安賽樂米塔爾投資6500萬歐元在其德國漢堡廠進行氫直接還原鐵礦石的項目研究，項目思路與瑞典 HYBRIT項目類似，并計劃在未來幾年建設(shè)中試廠。目前安米漢堡廠采用天然氣生產(chǎn)直接還原鐵，安米與弗萊貝格工業(yè)大學(xué)合作，計劃在未來幾年在漢堡廠對氫直接還原鐵礦石工藝進行試驗，中試廠的規(guī)模為10萬噸/年。另外，該研究項目的氫氣來源將首先采用變壓吸附法，從安米漢堡廠爐頂煤氣中分離氫氣，使其純度達到95%以上，待未來有足夠數(shù)量綠氫（來自可再生能源的氫）時，將采用綠氫生產(chǎn)。
瑞典鋼鐵 HYBRIT項目
2016年，瑞典鋼鐵公司（SSAB）、瑞典國有鐵礦石公司（LKAB）和瑞典大瀑布電力公司聯(lián)合發(fā)起“突破性氫能煉鐵技術(shù)”（HYBRIT）項目。HYBRIT項目研究采用氫與球團礦生產(chǎn)直接還原鐵，而氫由非化石能源制備。
2018年6月，HYBRIT項目在瑞典呂勒奧動工建設(shè)中試廠，預(yù)計2021-2024年運行，年產(chǎn)50萬噸直接還原鐵。2021年6月，該中試廠已成功生產(chǎn)出氫還原海綿鐵。到2024年，該中試廠的建造和運營成本預(yù)計為10億-20億瑞典克朗，目標(biāo)是在2035年之前形成無碳解決方案。SSAB計劃2026年向市場提供第一批非化石能源生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品。
奧鋼聯(lián)H2 FUTURE項目
2017年初由奧鋼聯(lián)發(fā)起的H2 FUTURE項目，旨在通過研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術(shù)，降低鋼鐵生產(chǎn)中的CO2排放，最終目標(biāo)是到2050年減少80%的CO2排放。H2 FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯(lián)、西門子、歐洲電力供應(yīng)商Verbund、奧地利電網(wǎng)（APG）公司、奧地利K1-MET中心組等。該項目將建設(shè)世界最大的氫還原中試工廠。
普銳特冶金技術(shù)開發(fā)無碳氫基鐵礦粉直接還原技術(shù)
2019年6月，普銳特金技術(shù)宣布正在開發(fā)一種不需要燒結(jié)或球團等任何預(yù)處理工序即可使用鐵精礦的直接還原工藝。該工藝借鑒了Finmet工藝開發(fā)和設(shè)備安裝的經(jīng)驗，可采用所有類型的精礦，甚至是粒度小于0.15mm的粉礦。新工藝使用氫氣作為主要還原劑，氫氣來自綠氫（可再生能源制備的氫氣）、傳統(tǒng)蒸汽重整爐的富氫氣體或者富氫廢氣。該工藝可顯著減少CO2排放，甚至減少到零。直接還原設(shè)備采用模塊化設(shè)計，每個模塊的設(shè)計產(chǎn)能為25萬噸/年，可適用于所有規(guī)模的鋼廠。
為了試驗該工藝，并為下一步的工業(yè)規(guī)模設(shè)備的設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，普銳特在奧鋼聯(lián)多納維茨鋼廠建立了中試廠，于2020年二季度投入運行。中試廠由三個部分組成，包括預(yù)熱-氧化裝置、氣體處理設(shè)備和還原設(shè)備。精礦粉在預(yù)熱-氧化裝置中加熱到大約900℃進入還原設(shè)備；氫氣由氣體供應(yīng)裝置通過導(dǎo)流柵提供；配套的廢氣余熱回收系統(tǒng)保證能源使用得到優(yōu)化，干法除塵系統(tǒng)解決粉塵排放問題。生產(chǎn)的熱態(tài)直接還原鐵（HDRI）以大約600℃的溫度離開還原設(shè)備，供給電弧爐或生產(chǎn)熱壓塊鐵。
特諾恩與河鋼合作建設(shè)氫基 ENERGIRON直接還原廠
2020年11月，特諾恩與河鋼集團簽訂合同建設(shè)高科技的氫能源開發(fā)和利用工程，項目中包括一座年產(chǎn)60萬噸的 ENERGIRON直接還原廠。該廠的建立將成為中國首座，也是全球首座使用富氫氣體的直接還原鐵工業(yè)化生產(chǎn)廠。
該直接還原廠將使用含氫量約70%的補充氣源，由于高含量的氫氣，該廠以噸直接還原鐵僅產(chǎn)生250千克CO2的指標(biāo)，成為全球最綠色的直接還原廠。同時，產(chǎn)生的二氧化碳還將進行選擇性回收，并可以在下游工藝進行再利用。因此，噸產(chǎn)品產(chǎn)生的最終凈排放僅為約125千克CO2。該工廠計劃于2021年底投產(chǎn)。
德國薩爾茨吉特集團μDRAL項目
2020年12月，德國薩爾茨吉特委托特諾恩公司為其建立一個利用純度高達100%氫氣作為還原劑生產(chǎn)直接還原鐵的示范工廠，即μDRAL項目。該工廠將以 ENERGIRON技術(shù)為基礎(chǔ)，地址設(shè)立在Flachstahl鋼廠。
μDRAL項目的額定生產(chǎn)能力為100kg/h。將利用氫氣與天然氣，在可選還原劑的范圍上充分展現(xiàn)出該技術(shù)的高度靈活性，可使用純度高達100%的氫氣進行冶煉生產(chǎn)。該工廠所生產(chǎn)的直接還原鐵將被用于高爐工藝以節(jié)省噴煤，還可用在派納工廠電弧爐的熔煉過程中。
氫直接還原工藝發(fā)展趨勢
直接還原鐵作為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)的上等煉鋼原料得到迅速發(fā)展，氫氣直接還原技術(shù)已進入技術(shù)成熟、穩(wěn)定發(fā)展的新階段。而由于國際環(huán)保政策日益嚴(yán)格，直接還原氣體的選用逐漸由H、C混合氣向純氫氣轉(zhuǎn)變。從整體發(fā)展趨勢上看，當(dāng)前全球針對氫氣直接還原工藝的研究可以分為三個階段：首先，建立中試裝置研究大規(guī)模工業(yè)用氫能冶煉的可行性；其次，實現(xiàn)從焦?fàn)t煤氣、化工等副產(chǎn)品中產(chǎn)生的氫氣的工業(yè)化生產(chǎn)；最終，實現(xiàn)清潔能源及可再生能源生產(chǎn)的綠色經(jīng)濟氫氣的工業(yè)化生產(chǎn)，并進行鋼鐵高純氫能冶煉，其中氫能以水電、風(fēng)電及核電電解水為主。
而目前全球氫氣直接還原工藝的研究尚處于第一階段，即研發(fā)、試驗階段，針對氫氣直接還原工藝的工業(yè)化生產(chǎn)仍存在諸多問題需要解決：
1）溫度影響。由于氫氣還原鐵氧化物為吸熱反應(yīng)，故當(dāng)還原氣體為純氫氣時，還原氣體進入豎爐進行反應(yīng)后直接還原鐵會被冷卻。因此，為了保證還原反應(yīng)的穩(wěn)定進行，需通過加裝預(yù)熱裝置或是改進工藝以實時向反應(yīng)系統(tǒng)中提供能量以保證還原溫度恒定，若通過注入天然氣來維持理想的還原溫度，根據(jù) Midrex模型，每噸直接還原鐵的天然氣注入量（標(biāo)態(tài)）需要保持在50m3。
2）氫基產(chǎn)品的應(yīng)用。大多數(shù)直接還原鐵用于電爐煉鋼。目前電爐煉鋼工藝的增碳方式主要是利用金屬爐料（如直接還原鐵、熱壓塊鐵、生鐵）或純碳。在注入氧氣后，碳燃燒會產(chǎn)生巨大熱量，減少電力消耗，并實現(xiàn)快速熔化。大多數(shù)電爐鋼廠更傾向于采用碳含量為1.5%-3%的直接還原鐵，而氫基直接還原工藝生產(chǎn)的直接還原鐵中碳含量極低，會對電弧爐冶煉產(chǎn)生負(fù)面影響，故氫基直接還原鐵的應(yīng)用成為未來需要解決的問題之
3）綠色氫氣生產(chǎn)成本過高。氫氣的來源比較廣泛，主要有化石能源制氫、含氫物質(zhì)制氫、化工副產(chǎn)品氫氣回收、太陽能和風(fēng)能制氫等，但就目前來看，大部分綠色氫氣生產(chǎn)成本過高，僅有少部分灰色氫氣從成本上能夠用于氫氣直接還原生產(chǎn)。以中國為例，根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，中國生產(chǎn)氫氣不同技術(shù)路徑的成本分別為：電解水制氫5.5美元/kg，可再生能源發(fā)電制氫3美元/kg，天然氣制氫1.8美元/kg，煤制氫1美元/kg。相信隨著科技的進步，綠色氫氣的制取成本將會逐漸降低，使氫氣直接還原煉鐵工藝真正實現(xiàn)“零污染、零排放”。
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