姜濤院士：氫冶金是解決鋼鐵生產(chǎn)過程碳排放的終極方案

大國(guó)鋼鐵，向新而行。回望過去五年，中國(guó)鋼鐵工業(yè)在科技自立自強(qiáng)中筑就強(qiáng)國(guó)基石，走向更高、更智、更綠的跨越之路。在“十四五”科技發(fā)展的宏大坐標(biāo)中，科學(xué)家們以深厚造詣洞察產(chǎn)業(yè)前沿，其真知灼見如金石之聲，振聾發(fā)聵。世界金屬導(dǎo)報(bào)特設(shè)《國(guó)士金聲》專訪欄目，以院士對(duì)話為軸，著眼新質(zhì)生產(chǎn)力，追問突破從何而來、未來向何處去。讓我們透過這鏗鏘之音，感悟中國(guó)鋼鐵的創(chuàng)新律動(dòng)。本期《國(guó)士金聲》，我們對(duì)話姜濤院士，深度聚焦《氫冶金是解決鋼鐵生產(chǎn)過程碳排放的終極方案》。

 

記者：在碳達(dá)峰碳中和背景下，氫冶金被視為鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)方向，您如何看待氫冶金的發(fā)展？

 

姜濤院士：我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模大，粗鋼產(chǎn)量占世界一半以上，鋼鐵行業(yè)碳排放量占我國(guó)碳排放總量15%左右，減碳任務(wù)十分艱巨。氫冶金是解決鋼碳排放問題的終極方案之一。從原理上，傳統(tǒng)高爐煉鐵以焦炭為能源，匹配轉(zhuǎn)爐煉鋼，每生產(chǎn)1噸粗鋼約排放1.8噸二氧化碳；采用氫冶金工藝時(shí)，副產(chǎn)物是水而不是二氧化碳，可以從根本上解決碳排放問題。但氫冶金的落地，首先要解決“氫從哪里來”這一核心問題。

 

采用綠電電解水可獲得綠氫，然而成本等原因?qū)е庐?dāng)前不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

 

天然氣重整制氫，氫含量可達(dá)60~70%。中東地區(qū)國(guó)家以及北美地區(qū)部分國(guó)家，選擇以天然氣為能源，以天然氣為能源、豎爐還原工藝生產(chǎn)直接還原鐵，可被視為一種氫冶金路徑。但我國(guó)天然氣資源短缺，在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。

 

我國(guó)煤炭資源豐富，煤制氣也是一種方案。但煤制氣行業(yè)本身的碳排放量很高，噸氫二氧化碳排放在20噸以上。

 

我國(guó)還有一種十分豐富氫資源——焦?fàn)t煤氣。我國(guó)粗鋼產(chǎn)量大，長(zhǎng)流程占比高，相應(yīng)的焦炭產(chǎn)量和消耗量比較大，每噸焦炭副產(chǎn)300-400m³焦?fàn)t煤氣，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)每年副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣1800億立方米以上。焦?fàn)t煤氣中氫含量高達(dá)55%-60%，且含有甲烷、一氧化碳等可燃成分。所以，我國(guó)采用焦?fàn)t煤氣發(fā)展氫冶金是一種非?，F(xiàn)實(shí)可行的過渡方案。

 

總之，國(guó)外主要以天然氣為氣源，我國(guó)的現(xiàn)實(shí)路徑是以焦?fàn)t煤氣為氣源，作為發(fā)展氫冶金的過渡方案。這些過渡方案可以為發(fā)展綠氫冶金積累經(jīng)驗(yàn)，一旦大規(guī)模低成本綠氫制備技術(shù)取得突破，可以快速過渡到綠氫氫冶金階段。

 

記者：當(dāng)前我國(guó)鋼鐵以高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為主，您如何看待流程結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)？

 

姜濤院士：綜合考慮資源和能源變化、發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)計(jì)未來較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程結(jié)構(gòu)還將還將繼續(xù)存在。主要有兩方面原因，一方面是能源問題，如前所述，要找到可替代的新型綠色能源才能實(shí)現(xiàn)流程結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，比如綠氫，但還有待成本上的突破。另一方面是資源問題，隨著全球鋼鐵生產(chǎn)的快速發(fā)展，鐵礦石資源不斷劣化，高爐工藝對(duì)原料適應(yīng)性好，可以高效處理中低品位資源，而氫冶金等新工藝對(duì)原料的品質(zhì)和鐵品位要求高，其發(fā)展還將受制于資源條件。

 

記者：您在紅土鎳礦利用方面有很深造詣，請(qǐng)您介紹一下紅土鎳礦如何支撐不銹鋼與新能源產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展？

 

姜濤院士：世界早期開發(fā)利用的鎳資源是硫化礦，但硫化鎳礦儲(chǔ)量不足，且主要集中在加拿大、俄羅斯等國(guó)家。隨著過去數(shù)十年的開發(fā)，全世界范圍內(nèi)硫化鎳礦資源日漸枯竭。相對(duì)于硫化礦，紅土鎳礦更為豐富，近二十年來逐漸成為生產(chǎn)不銹鋼和新能源的主要原料，2024年全球精煉鎳產(chǎn)量約350萬噸，其中80%以上的產(chǎn)量來自于紅土鎳礦，其應(yīng)用變得越來越重要。紅土鎳礦中可利用的元素包括鎳、鈷、鐵等，可用于生產(chǎn)不銹鋼，也可用于發(fā)展新能源材料，比如鎳鈷鋰電池。

 

2024年全球不銹鋼產(chǎn)量6262萬噸，其中中國(guó)不銹鋼產(chǎn)量3944萬噸，約占全球總產(chǎn)量的63%。采用紅土鎳礦發(fā)展不銹鋼，首先要制備鎳鐵這種中間產(chǎn)品，主流工藝是預(yù)還原-電爐法，通過回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原，在電爐中熔化為含鎳鐵水，再進(jìn)一步脫碳及合金化等精煉處理以制備不銹鋼。

 

采用紅土鎳礦生產(chǎn)電池材料，主要以濕法為主，即高壓酸浸法。該工藝主要存在兩方面問題，一是設(shè)備材質(zhì)要求高。生產(chǎn)過程高溫高壓，浸出溫度為250℃左右，壓力為4-5MPa，需要鈦合金高壓釜等特殊設(shè)備。二是浸出渣排放量大。紅土鎳礦中平均鎳品位在1.5%左右，每生產(chǎn)1噸鎳金屬大約產(chǎn)生120噸酸浸渣。

 

目前，上述兩條發(fā)展路徑均面臨挑戰(zhàn)，前者主要是鎳鐵和不銹鋼市場(chǎng)飽和問題，后者的發(fā)展因?yàn)樗峤鼪]有有效的處理利用途徑受到限制。為此，我們考慮把兩個(gè)工藝貫通起來，實(shí)現(xiàn)兩類產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，即以預(yù)還原-電爐法生產(chǎn)的鎳鐵為原料，嫁接濕法浸出工藝生產(chǎn)電池材料。該工藝路線僅在紅土鎳礦冶煉工序產(chǎn)生冶煉渣，鎳鐵酸浸工序不產(chǎn)生酸浸渣，可實(shí)現(xiàn)酸浸渣近零排放。此外該工藝酸浸工序不需要高溫高壓并實(shí)現(xiàn)鐵和鎳的同步浸出，鐵組分可制備成磷酸鐵，鎳、鈷組分可制備氫氧化鎳鈷，兩者均為電池原材料。通過該工藝路線，鎳鐵既可用于生產(chǎn)不銹鋼，也可用于生產(chǎn)電池材料，增強(qiáng)了生產(chǎn)靈活性、市場(chǎng)適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼產(chǎn)業(yè)和電池材料產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。我們團(tuán)隊(duì)與相關(guān)企業(yè)合作開發(fā)的以鎳鐵為原料制備電池材料工藝在福建實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，該成果通過了2025年中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)的會(huì)議評(píng)審。

 

記者：面對(duì)冶金固廢、復(fù)合礦等特殊資源，在其規(guī)?；?、高質(zhì)化利用方面有哪些戰(zhàn)略路徑？

 

姜濤院士：冶金固廢可以分成兩大類，一類是冶金渣，包括高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣等，產(chǎn)生量約占粗鋼量的40%左右，其處理技術(shù)相對(duì)成熟，利用率高，只是目前鋼渣的處理遇到建材行業(yè)限制的新問題，鋼協(xié)及有關(guān)科研和企業(yè)目前積極研發(fā)鋼渣利用的新途徑。另一類是含鐵固廢，包括燒結(jié)除塵灰、高爐灰、軋鋼鐵皮等，產(chǎn)生量約占粗鋼量的5~10%，成分中除鐵外，通常還含有鈉、鉀、鉛、鋅等堿金屬或有色金屬元素，其利用效果不如冶金渣好。針對(duì)含鐵固廢，最早是通過燒結(jié)進(jìn)行循環(huán)利用，但隨著含鐵固廢不斷地循環(huán)，堿金屬不斷富集，對(duì)燒結(jié)以及高爐煉鐵的影響越來越大；之后，國(guó)內(nèi)外開始研究采用單獨(dú)處理方法，比如轉(zhuǎn)底爐法、回轉(zhuǎn)窯法等，實(shí)現(xiàn)鋅元素的回收利用，鐵氧化物轉(zhuǎn)化為還原鐵用于高爐冶煉。但此類方法對(duì)鈉、鉀等元素含量高的含鐵固廢處理效果不好，主要因?yàn)檫€原過程中堿金屬易與硅、鋁形成低熔點(diǎn)化合物，附著在爐壁形成“結(jié)圈”，導(dǎo)致設(shè)備被迫停機(jī)、正常生產(chǎn)難?？傮w而言，含鐵固廢利用的核心問題是實(shí)現(xiàn)鈉、鉀、鉛、鋅等有色金屬以及鐵的高效回收和利用，其難點(diǎn)在于鈉、鉀的處理。針對(duì)這一難題，我們做了大量研究工作，比如，包鋼含鐵固廢非常典型，鈉、鉀含量高，我們與包鋼合作通過大量的研究開發(fā)出一種新技術(shù)，鈉、鉀脫出率達(dá)到96%-97%。目前正推進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，一旦成功將顯著促進(jìn)我國(guó)含鐵固廢資源的利用。

 

關(guān)于復(fù)合礦資源的利用，主要問題是提高復(fù)合礦資源的利用率，可從四方面考慮：第一，加強(qiáng)選礦工作。進(jìn)一步提鐵降雜，使鐵精礦中的鐵更純，為低碳煉鐵生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。第二，發(fā)展球團(tuán)工藝。針對(duì)釩鈦礦、稀土、鈮伴生鐵礦等難處理共伴生鐵礦的鐵精礦，早年主要采用燒結(jié)工藝處理制備煉鐵爐料，但燒結(jié)礦質(zhì)量差。而近年來的研究發(fā)現(xiàn)這些共伴生礦精礦球團(tuán)在高爐內(nèi)的還原行為有其特殊性，采用球團(tuán)工藝處理復(fù)合礦鐵精礦并用于高爐冶煉具有一定優(yōu)勢(shì)，可顯著提高復(fù)合礦的利用率，當(dāng)然高爐冶煉渣型和操作制度需要相應(yīng)調(diào)整和改變。第三，選冶流程再造。如釩鈦磁鐵礦，現(xiàn)有工藝流程中鐵釩精礦中的鈦和鈦精礦中的鐵，沒有得到很好回收和利用，導(dǎo)致資源利用率低。對(duì)釩鈦磁鐵礦進(jìn)行鐵釩鈦共選，然后在冶煉環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)梯級(jí)回收，可大幅提高鐵、釩、鈦的回收率。第四，發(fā)展氫還原工藝。釩鈦磁鐵礦和稀土、鈮伴生鐵礦等的氫還原行為與碳還原行為是不一樣的，氫還原技術(shù)可為提高復(fù)合礦資源的利用率提供另一條新的途徑。另外，在產(chǎn)業(yè)政策方面，關(guān)于復(fù)合礦資源利用過程中副產(chǎn)鐵所涉及的產(chǎn)能問題，這是共伴生復(fù)合資源利用過程無法避免的，建議有關(guān)部門要統(tǒng)籌考慮，制定特殊政策，以支持產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和我國(guó)特有的復(fù)合礦資源的開發(fā)利用。