下面討論了五種氫基煉鋼技術(shù)，每種技術(shù)都考慮了優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),。

1.1 HYBRIT

2016年,，洛薩瓦拉-基律納瓦拉有限責(zé)任公司，Svenskt St?l AB和Vattenfall與瑞典能源署一起開始建造三個試點(diǎn)工廠,，使用氫直接還原鐵礦石,。該概念被稱為HYBRIT項目，在直接還原過程中,，使用優(yōu)化開發(fā)的鐵礦石球團(tuán)通過氫氣進(jìn)行還原,。還原在比高爐溫度更低的固態(tài)下發(fā)生，并產(chǎn)生直接還原海綿鐵（DRI）,。氫氣是通過使用可再生電力進(jìn)行電解產(chǎn)生的,，氧氣是副產(chǎn)品。

挪威斯塔萬格大學(xué)（University of Stavanger）研究了氫氣體在氧化鐵界面上吸附所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),。研究表明,，使用純氫比使用合成氣（CO和H₂的混合物）在700-900℃之間的溫度時鐵礦石還原率更高。還發(fā)現(xiàn),，在高于900℃的溫度下,，由于燒結(jié)和在鐵礦石球團(tuán)上形成致密的外層，反應(yīng)速率降低,。這些還原反應(yīng)的活化能值從11kJ/mol到246kl/mol不等,。有必要進(jìn)行更徹底的研究，以評估與純H₂的鐵礦石還原反應(yīng)所需的表觀活化能,。

優(yōu)點(diǎn)：① 生產(chǎn)靈活性高,；② 啟停方便；③ 將DRI作為HBI送入高爐-轉(zhuǎn)爐系統(tǒng),，意味著在豎爐/電爐生產(chǎn)增加的同時,，可以使用現(xiàn)有的傳統(tǒng)棕地工廠,。

缺點(diǎn)：該工藝仍然需要鐵礦石球團(tuán)，根據(jù)球團(tuán)廠的熱源,，生產(chǎn)可能會造成大量排放,。

試驗(yàn)項目：自2018年以來，HYBRIT試點(diǎn)工廠一直在瑞典Oxelosund和瑞典Lule?的SSAB基地開展,。

1.2 流化床氫氣直接還原鐵

Circored工藝使用精加工的鐵礦粉代替球團(tuán),，直接還原鐵礦粉，無需預(yù)先制球,。使用純氫作為還原氣體時,，其還原溫度比HYBRIT要低。這是一個三段的工藝,，每段都使用流化床,。第一個還原階段是循環(huán)流化床（CFB）對礦石進(jìn)行預(yù)熱，第二個階段是在第二流化床（FB）反應(yīng)器中進(jìn)行部分還原,，第三個階段使金屬化率達(dá)到93%-95%,。

循環(huán)過程的關(guān)鍵步驟如下：①對鐵礦粉進(jìn)行預(yù)熱大約850-900℃；② 630℃時,，在下一循環(huán)流化床中進(jìn)行快速預(yù)還原步驟,，實(shí)現(xiàn)65%-75%的金屬化率；③ 在650℃的流化床中最終還原,，達(dá)到93%-95%的金屬化率,。

Circored工藝優(yōu)點(diǎn)：① Circored-電爐路線排放的二氧化碳僅為BF-BOF路線排放的二氧化碳的50%左右；②使用礦粉代替球團(tuán),，可以消除球團(tuán)的生產(chǎn),，降低成本和CO₂高排放；③流化床反應(yīng)器比豎爐減少了內(nèi)部粘滯問題,，實(shí)現(xiàn)更高的金屬化率（約95%到90%）,。

缺點(diǎn)：①該工藝與豎爐法有同樣的H₂供應(yīng)、電解槽和運(yùn)行成本問題,。其供電必須是100%綠色能源,，才能實(shí)現(xiàn)碳中和。②流化床反應(yīng)器比豎爐投資高,。

試驗(yàn)項目：奧托昆普于1999年開始在特立尼達(dá)和多巴哥使用Circored工藝生產(chǎn)H₂-DRI,，HBI產(chǎn)量達(dá)到65t/ h。然而,，如今,，該工廠歸安賽樂米塔爾所有，自2015年以來一直處于閑置狀態(tài),。

1.3 等離子體直接煉鋼

等離子煉鋼反應(yīng)器中,，細(xì)粒鐵礦或鐵礦被氫等離子體還原,。向反應(yīng)器中添加碳來生產(chǎn)鋼。氫等離子體是經(jīng)過加熱或帶電分離或電離成氫原子的H₂氣體,。

優(yōu)點(diǎn)：該工藝不需要對鐵礦石進(jìn)行預(yù)處理,，并允許降低反應(yīng)器溫度。這使其具有商業(yè)吸引力,。

缺點(diǎn)：該技術(shù)處于非常早期的發(fā)展階段,，最佳工藝和完整的反應(yīng)器設(shè)計尚未開發(fā)，商業(yè)可行性還有待證實(shí),。

試驗(yàn)項目：奧地利鋼鐵制造商奧鋼聯(lián)（Voestalpine）在其多納維茨工廠建造了一個小型氫等離子體還原反應(yīng)器試驗(yàn)基地,。

1.4 電解工藝

電解工藝有兩種類型：電解法和電解沉積法。電解法利用電作為還原劑,，在1550℃左右將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鋼液,。在電積法中，鐵礦石被磨成超細(xì)精礦,，浸出，然后在110℃左右,、流體在電解槽中被還原,。得到的鐵板在電弧爐中熔化。ULCOLYSIS是主要的電解方法,，ULCOWIN是主要的電積工藝,。  

優(yōu)點(diǎn)：由于這些方法跳過了其他生產(chǎn)路線所需的上游階段，如生產(chǎn)焦炭或氫作為還原劑,，因此電解工藝可能成為最節(jié)能的煉鋼方法,，尤其是電解。

缺點(diǎn)：鐵礦石的電解仍在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測試,，這意味著一個漫長而昂貴的開發(fā)過程,。與H₂直接還原鐵方法相比，該過程也相對不靈活,，因?yàn)槠洳荒茌p易停止,。

試驗(yàn)項目：歐盟的ULCOS項目涉及包括安賽樂米塔爾在內(nèi)的多家歐洲鋼鐵制造商，使ULCOLYSIS和ULCOWIN得到了發(fā)展,。項目演示了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的高溫電解直接生產(chǎn)鋼液,。

1.5 懸浮煉鐵

該工藝從對低品級鐵礦進(jìn)行超細(xì)磨礦生產(chǎn)鐵精礦開始。然后在高溫“閃蒸”反應(yīng)器中使用氫氣將其還原,，只需幾秒鐘,，如果添加碳，就可以直接生產(chǎn)鋼,。鐵精礦也可以在單獨(dú)的反應(yīng)器中在較低溫度下進(jìn)行預(yù)還原,，然后加入閃蒸反應(yīng)器,。

優(yōu)點(diǎn)：在一個反應(yīng)器中將鐵礦石直接還原為鐵，無需煉鐵,、燒結(jié)或球團(tuán),，具有顯著的成本和排放效益。由于高溫和快速反應(yīng)時間確保雜質(zhì)更少,，還可生產(chǎn)出更清潔的鋼,。

缺點(diǎn)：該技術(shù)尚未得到很好的發(fā)展，仍處于試驗(yàn)階段,，尚未進(jìn)行大型反應(yīng)器試驗(yàn),。

從實(shí)用的角度來看，鐵礦石必須磨成直徑小于100微米的顆粒,，這需要高能量強(qiáng)度并增加了工廠維護(hù),。

試驗(yàn)項目：猶他大學(xué)（美國）在實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)堆中進(jìn)行了概念驗(yàn)證試驗(yàn)，并正在開發(fā)用于工業(yè)工藝和反應(yīng)器設(shè)計,。

上述五種工藝中,，懸浮煉鐵、等離子體直接煉鋼和電解工藝三種技術(shù)尚處于早期發(fā)展階段,。它們的大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性還有待檢驗(yàn),。豎爐反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器處于較先進(jìn)的商業(yè)化階段。

歐洲各國政府計劃投資90億歐元促進(jìn)氫氣生產(chǎn),，該基金將重點(diǎn)關(guān)注“綠色”氫氣,。這包括：① 推廣電解槽；② 推廣氫的擴(kuò)大使用,；③啟動包括交通部門在內(nèi)的“氫技術(shù)2030”研究計劃,；④在轉(zhuǎn)向氣候友好型工業(yè)過程時，為氫氣生產(chǎn)提供投資和運(yùn)營贈款,；⑤ 加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),；⑥擴(kuò)大國際伙伴關(guān)系。

印度需要開始探索深度脫碳替代方案,，包括氫,、電氣化和碳捕獲、利用和儲存（CCUS）,。主要挑戰(zhàn)之一是以足夠低的成本生產(chǎn)足夠數(shù)量的氫氣,。圖1顯示了未來制氫技術(shù)的適用性。在圖1中,，綠色代表正評分,，橙色代表混合評分，紅色代表負(fù)評分,。技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）,，從1（基礎(chǔ)規(guī)范）到9（廣泛實(shí)現(xiàn)）,。

印度礦物和材料技術(shù)研究所（IMMT）在其上一輪研究（2010-2015年）中進(jìn)行了氫等離子體技術(shù)的試驗(yàn)，規(guī)模為5-10kg（IMMT,，2019年）,。據(jù)報道，要實(shí)現(xiàn)下一個規(guī)模試驗(yàn)（約100kg）,，將需要大約5億盧比（折合617萬美元）,。

塔塔鋼鐵公司已經(jīng)試驗(yàn)了由Hoogovens、Corus和塔塔鋼鐵歐洲公司在歐洲開發(fā)的Hisarna直接還原工藝,。該工藝使用粉煤作為燃料和還原劑,。礦石在位于第二反應(yīng)器——熔融還原爐（SRV）上方的旋風(fēng)轉(zhuǎn)爐（CCF）中加熱并被部分還原為固態(tài)DRI。將煤粉和氧氣注入頂部容器,，生成的DRI落入SRV,，再向SRV注入煤和氧氣，最終還原為液態(tài)鐵和熔渣,。

塔塔公司在2018年表示,，從2030年起，與傳統(tǒng)高爐相比,，這項技術(shù)可以減少60%的煉鐵排放,。

雖然氫是地球上最豐富的元素之一，但從化合物中提取氫需要很高的能量,。目前,，綠色制氫的成本高于傳統(tǒng)的化石燃料方法,，并且依賴于可再生能源的成本,。這一數(shù)值因地區(qū)而異，隨著可再生能源和綠色氫氣的生產(chǎn)能力和補(bǔ)貼的增加,，這一數(shù)值會下降,。氫氣可以用作生產(chǎn)DRI的替代還原劑，DRI在電弧爐中熔化進(jìn)一步加工成鋼,。值得注意的是,，要實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)碳中和的目標(biāo)，并不需要完全過渡到純氫基煉鋼生產(chǎn),。