氢气直接还原工艺实践及发展趋势
氢直接还原工艺项目
随着欧盟“2030年气候和能源政策目标”的发布，欧盟各国都推出更为严格的环保法规和排放标准，特别是欧盟排放权交易体系（EU-ETS）的建立使各行业碳排放成本大大增加。在此背景下，高能耗、高污染的钢铁行业不得不将节能减排重视程度提升至同增长利润相等的高度。为此，国外多家钢铁企业对氢气直接还原工艺进行了深度布局，项目大都进入了建设或试验阶段。
安赛乐米塔尔开展纯氢炼铁技术研发
安赛乐米塔尔投资6500万欧元在其德国汉堡厂进行氢直接还原铁矿石的项目研究，项目思路与瑞典 HYBRIT项目类似，并计划在未来几年建设中试厂。目前安米汉堡厂采用天然气生产直接还原铁，安米与弗莱贝格工业大学合作，计划在未来几年在汉堡厂对氢直接还原铁矿石工艺进行试验，中试厂的规模为10万吨/年。另外，该研究项目的氢气来源将首先采用变压吸附法，从安米汉堡厂炉顶煤气中分离氢气，使其纯度达到95%以上，待未来有足够数量绿氢（来自可再生能源的氢）时，将采用绿氢生产。
瑞典钢铁 HYBRIT项目
2016年，瑞典钢铁公司（SSAB）、瑞典国有铁矿石公司（LKAB）和瑞典大瀑布电力公司联合发起“突破性氢能炼铁技术”（HYBRIT）项目。HYBRIT项目研究采用氢与球团矿生产直接还原铁，而氢由非化石能源制备。
2018年6月，HYBRIT项目在瑞典吕勒奥动工建设中试厂，预计2021-2024年运行，年产50万吨直接还原铁。2021年6月，该中试厂已成功生产出氢还原海绵铁。到2024年，该中试厂的建造和运营成本预计为10亿-20亿瑞典克朗，目标是在2035年之前形成无碳解决方案。SSAB计划2026年向市场提供第一批非化石能源生产的钢铁产品。
奥钢联H2 FUTURE项目
2017年初由奥钢联发起的H2 FUTURE项目，旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术，降低钢铁生产中的CO2排放，最终目标是到2050年减少80%的CO2排放。H2 FUTURE项目的成员单位包括奥钢联、西门子、欧洲电力供应商Verbund、奥地利电网（APG）公司、奥地利K1-MET中心组等。该项目将建设世界最大的氢还原中试工厂。
普锐特冶金技术开发无碳氢基铁矿粉直接还原技术
2019年6月，普锐特金技术宣布正在开发一种不需要烧结或球团等任何预处理工序即可使用铁精矿的直接还原工艺。该工艺借鉴了Finmet工艺开发和设备安装的经验，可采用所有类型的精矿，甚至是粒度小于0.15mm的粉矿。新工艺使用氢气作为主要还原剂，氢气来自绿氢（可再生能源制备的氢气）、传统蒸汽重整炉的富氢气体或者富氢废气。该工艺可显著减少CO2排放，甚至减少到零。直接还原设备采用模块化设计，每个模块的设计产能为25万吨/年，可适用于所有规模的钢厂。
为了试验该工艺，并为下一步的工业规模设备的设计提供基础数据，普锐特在奥钢联多纳维茨钢厂建立了中试厂，于2020年二季度投入运行。中试厂由三个部分组成，包括预热-氧化装置、气体处理设备和还原设备。精矿粉在预热-氧化装置中加热到大约900℃进入还原设备；氢气由气体供应装置通过导流栅提供；配套的废气余热回收系统保证能源使用得到优化，干法除尘系统解决粉尘排放问题。生产的热态直接还原铁（HDRI）以大约600℃的温度离开还原设备，供给电弧炉或生产热压块铁。
特诺恩与河钢合作建设氢基 ENERGIRON直接还原厂
2020年11月，特诺恩与河钢集团签订合同建设高科技的氢能源开发和利用工程，项目中包括一座年产60万吨的 ENERGIRON直接还原厂。该厂的建立将成为中国首座，也是全球首座使用富氢气体的直接还原铁工业化生产厂。
该直接还原厂将使用含氢量约70%的补充气源，由于高含量的氢气，该厂以吨直接还原铁仅产生250千克CO2的指标，成为全球最绿色的直接还原厂。同时，产生的二氧化碳还将进行选择性回收，并可以在下游工艺进行再利用。因此，吨产品产生的最终净排放仅为约125千克CO2。该工厂计划于2021年底投产。
德国萨尔茨吉特集团μDRAL项目
2020年12月，德国萨尔茨吉特委托特诺恩公司为其建立一个利用纯度高达100%氢气作为还原剂生产直接还原铁的示范工厂，即μDRAL项目。该工厂将以 ENERGIRON技术为基础，地址设立在Flachstahl钢厂。
μDRAL项目的额定生产能力为100kg/h。将利用氢气与天然气，在可选还原剂的范围上充分展现出该技术的高度灵活性，可使用纯度高达100%的氢气进行冶炼生产。该工厂所生产的直接还原铁将被用于高炉工艺以节省喷煤，还可用在派纳工厂电弧炉的熔炼过程中。
氢直接还原工艺发展趋势
直接还原铁作为优质产的上等炼钢原料得到迅速发展，氢气直接还原技术已进入技术成熟、稳定发展的新阶段。而由于国际环保政策日益严格，直接还原气体的选用逐渐由H、C混合气向纯氢气转变。从整体发展趋势上看，当前全球针对氢气直接还原工艺的研究可以分为三个阶段：首先，建立中试装置研究大规模工业用氢能冶炼的可行性；其次，实现从焦炉煤气、化工等副产品中产生的氢气的工业化生产；最终，实现清洁能源及可再生能源生产的绿色经济氢气的工业化生产，并进行钢铁高纯氢能冶炼，其中氢能以水电、风电及核电电解水为主。
而目前全球氢气直接还原工艺的研究尚处于第一阶段，即研发、试验阶段，针对氢气直接还原工艺的工业化生产仍存在诸多问题需要解决：
1）温度影响。由于氢气还原铁氧化物为吸热反应，故当还原气体为纯氢气时，还原气体进入竖炉进行反应后直接还原铁会被冷却。因此，为了保证还原反应的稳定进行，需通过加装预热装置或是改进工艺以实时向反应系统中提供能量以保证还原温度恒定，若通过注入天然气来维持理想的还原温度，根据 Midrex模型，每吨直接还原铁的天然气注入量（标态）需要保持在50m3。
2）氢基产品的应用。大多数直接还原铁用于电炉炼钢。目前电炉炼钢工艺的增碳方式主要是利用金属炉料（如直接还原铁、热压块铁、生铁）或纯碳。在注入氧气后，碳燃烧会产生巨大热量，减少电力消耗，并实现快速熔化。大多数电炉钢厂更倾向于采用碳含量为1.5%-3%的直接还原铁，而氢基直接还原工艺生产的直接还原铁中碳含量极低，会对电弧炉冶炼产生负面影响，故氢基直接还原铁的应用成为未来需要解决的问题之
3）绿色氢气生产成本过高。氢气的来源比较广泛，主要有化石能源制氢、含氢物质制氢、化工副产品氢气回收、太阳能和风能制氢等，但就目前来看，大部分绿色氢气生产成本过高，仅有少部分灰色氢气从成本上能够用于氢气直接还原生产。以中国为例，根据国际能源署的数据，中国生产氢气不同技术路径的成本分别为：电解水制氢5.5美元/kg，可再生能源发电制氢3美元/kg，天然气制氢1.8美元/kg，煤制氢1美元/kg。相信随着科技的进步，绿色氢气的制取成本将会逐渐降低，使氢气直接还原炼铁工艺真正实现“零污染、零排放”。
