中國鋼鐵工業低碳綠色生產氫源思考與探索

周穎，周紅軍，徐春明

（1 中國石油大學（北京）理學院，北京 102249；2 中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京 102249）

中國的鋼鐵產業是繼煤電產業之后我國的第二大CO排放源，為實現我國30?60 雙碳目標，鋼鐵產業減碳轉型至關重要。2020 年中國鋼鐵工業的CO排放量占全國碳排放總量的16%左右，在國家政策的導引下，光伏風電的突破性發展可能會解決煤電產業的替代和低碳化，但鋼鐵工業的低碳化路徑何在？

世界鋼鐵工業主要分為長流程和短流程。長流程即以煤焦炭為主的高爐煉鐵加轉爐煉鋼；短流程為電爐鋼加直接還原鐵加工，其中直接還原鐵的加入占廢鋼的30%～50%，主要作用是降低電爐鋼主要原料回收廢鋼中的雜質，生產高質量的軋材和優質特鋼，同時主要以電代煤為能源供給，若為綠電生產過程，則更加低碳化。2020 年中國鋼產量為10.64億噸（其中長流程鋼鐵產量為9.54億噸，占89.6%；而短流程電鋼產量為1.1億噸，占10.4%），產量占世界鋼鐵總產量的50%以上。美國短流程鋼鐵已達產量的75%以上，歐洲已達55%，中國鋼鐵產業降碳減排國際、國內壓力巨大。

低碳化的短流程煉鋼流程除用綠電電爐煉鋼減碳外，另一低碳化因素是直接還原鐵，即海綿鐵的加入。世界上直接還原鐵主要以天然氣為原料，生產氫基還原氣，通過氣基豎爐還原球團鐵礦而成。傳統長流程煉鋼的碳排約1t 鋼排放2t CO，天然氣短流程直接還原鐵煉鋼，1t鋼可實現減排0.759t CO。世界直接還原鐵生產主要使用天然氣為氫源，2020 年產量最大國為印度，第二名為伊朗，此外中東、俄羅斯、東南亞以及美國等國家和地區也有產能分布。

中國富煤缺油少氣，天然氣價格高，以天然氣為供氫原料生產直接還原鐵不具經濟性，直至2020 年底中國才有第一套焦爐氣為原料的氣基豎爐工業裝置。中國缺少生產直接還原鐵所需氫源，必須找到低碳且價格便宜、量大易獲得的氫源才可能解決中國鋼鐵產業脫碳難題，所以氫源方向和技術路徑為何？本文進行了如下的思考和探索。

1 直接還原鐵生產技術

世界上主要是以天然氣制合成氣生產還原鐵，主要反應機理如式(1)～式(4)。

還原氣生產

鐵礦石還原

H還原FeO是吸熱反應，CO 還原FeO是放熱反應，反應過程中要控制H與CO的比例，否則易造成氣基豎爐的溫度下降而使還原難以進行。圖1 所示是典型的直接還原煉鐵MIDREX 工藝，但在中國實施該技術的主要難題是沒有低成本的氫源，中國的天然氣價格難以使還原鐵具有經濟性。圖2 所示為山西左權工藝流程簡圖及工業裝置圖，以焦爐煤氣為氫源生產直接還原氣。

圖1 MIDREX工藝流程簡圖[4]

2 中國直接還原鐵氫源分析

2.1 天然氣與資源限制

2020 年中國天然氣產量達1925 億立方米，進口10192.6 萬噸，相當于1427 億立方米天然氣。2020 年中國天然氣表觀消耗量達3289 億立方米，進口約40%以上。進口天然氣的價格與中東及周邊低天然氣價格地區相比，中國利用天然氣生產直接還原鐵既沒有資源優勢，也難以在經濟上可行。

2021 年全球能源在減碳大潮及疫情的影響下開始短缺，歐洲的天然氣價格大幅上漲，有些國家高達10CNY/m以上，許多國家以天然氣為氫源的直接還原鐵流程也難以為繼，面臨氫源經濟可行性挑戰。

2.2 各類煤氣與政策導向

各類煤氣包括焦爐、高爐、轉爐及蘭炭煤氣，有效成分含有氫氣、一氧化碳和甲烷，以此生產合成氣與天然氣生產合成氣技術類似，只是凈化和干轉化技術更加復雜和要求高。中國2021 年焦爐產能約5.4 億噸，按1t 焦炭生產340m焦爐煤氣計，中國焦爐煤氣產量約為1836 億立方米，以目前山西中晉太行30萬噸/年焦爐煤氣生產氣基還原鐵工業裝置運行數據看，原料氣加燃料氣生產1t 直接還原鐵所耗焦爐煤氣約840m，中國焦爐煤氣生產直接還原鐵潛能約為2.18億噸。圖2(b)為世界第一套焦爐氣干轉化氣基還原鐵工業裝置，也是中國第一套氣基豎爐還原鐵工業裝置，本文作者團隊2007 年申請第一個專利，歷經三代課題組，并與中晉太行公司合作，歷經10年攻關而成。

圖2 山西左權30萬噸/年焦爐氣氣基豎爐還原鐵流程圖及工業裝置

中國現實狀況是：焦爐煤氣被廣泛用于民用、發電，生產甲醇、合成氨、乙二醇等化學品，近年用于生產液化天然氣和氫氣，綜合鋼鐵廠的焦爐煤氣還被用于燃料加熱蒸汽供能等。要用于直接還原鐵生產還需政府與市場雙導引，把這一寶貴氫資源進行充分高值化低碳化應用。

從地域上看，焦化產能較大的幾個中部省份具有競爭優勢，特別是山西、河北、河南等的獨立焦化廠更具有市場機遇。

2.3 煉化干氣與技術創新

普通燃料型煉廠碳排放的56%來自于燃氣加熱爐和煉化煙氣，42%來自于外供電力與蒸汽，煉廠燃氣爐的燃氣主要是煉廠各工段副產的干氣。

傳統的乙烯生產廠采用蒸汽裂解技術生產乙烯和丙烯，1t乙烯能耗為0.5～0.6t標油，1t乙烯約排放2t CO，生產乙烯所需能量靠燃燒副產的裂解干氣外加外供的天然氣，裂解干氣主要是氫和甲烷。

在30?60雙碳目標下，煉油廠與乙烯廠的燃氣爐若被綠電電爐替代，即電代蒸汽和電代燃氣，將實現煉油廠和烯烴廠的低碳化。若電為光伏風電，綠電供能生產的乙烯產品將為綠電低碳產品，可打破碳壁壘出口歐洲。本文作者團隊于2007 年開始研發電代燃氣技術，即電烯氫技術，經過15 年的攻關，已完成催化劑和相關裝備及工藝的開發，計劃2022年實現工業示范，以此創新技術1度電約置換出1m氫資源。1t 烯烴生產需1000～1500 度電，1t 烯烴約副產1500m氫，電供能生產直接還原鐵需500～550m氫，1t烯烴可副產3t直接還原鐵的氫資源。

2020 年中國蒸汽裂解烯烴產能約5000 萬噸，其中生產乙烯約2700 萬噸，預計2025 年蒸汽裂解烯烴產能達7000 萬噸以上，乙烯產能達4000 萬噸。以此可提供生產直接還原鐵氫產能資源2020年1.5 億噸加工，2025 年可達2.1 億噸加工，電爐鋼按30%～50%加入直接還原鐵，到2025年可支撐（4.2～7）億噸/年的短流程煉鋼，再加上煉油廠電代燃氣置換出的氫資源，可支撐中國短流程煉鋼比例達42%～70%，基本達到目前美歐水平。

地域上，中國的乙烯工業主要分布在東部沿海，以此氫源與進口鐵礦石生產直接還原鐵將具世界市場競爭力，出口歐美。

2.4 電解水制氫

綠電電解水制氫以目前堿性電解水技術約5度電生產1m氫及0.5m氧，最大裝置規模為每小時1000m氫。每套裝置800～1000 萬元（人民幣，下同），中國已有多套裝置在運行。

電解水生產氫用于鋼鐵產業脫碳，顯然工程技術上已無大的難題，主要問題是制氫的經濟性。在中國目前煤電標桿電價約0.23元/度的情況下，1m氫的成本約為1.5 元，在中國市場目前難以與各類煤氣及煉化干氣競爭，但隨著光伏風電技術進步及電價下降，電解水制氫將會成為氫冶金的主要氫源，特別是在中國的西北五省。

3 中國鋼鐵產業低碳化路徑思考與實踐

2020 年中國氫耗過500 萬噸的有3 個產業鏈，分別為甲醇、合成氨和煉油化工。合成氨與甲醇折氫各約1000 萬噸，主要以煤為原料制氫；煉油化工耗氫約850萬噸，主要是煤焦、干氣、天然氣及甲醇制氫。生產1t直接還原鐵按還原氣550m氫氣計，1億噸加工約需490萬噸氫。

以中國2020 年10 億噸鋼鐵產量計，轉型短流程電爐鋼，按照30%～50% 添加直接還原鐵（DRI），中國需要（3～5）億噸/年DRI，折氫需(1500～2500)萬噸/年，約為目前中國合成氨、甲醇與煉油化工三大產業折氫總和，中國鋼鐵低碳化轉型向氫冶金方向發展，氫資源挑戰巨大。

天然氣作為氫源，中國資源不具可行性，進口難以有經濟性，特別是在全球減碳浪潮下，世界天然氣價格走高的概率極大，在中國以天然氣生產直接還原鐵難有可行性。

以各類煤氣，特別是焦爐煤氣生產直接還原鐵，中國有2.18億噸的資源量，在當前轉型初級階段，充分利用現有資源，特別是一些獨立焦化廠甚至仍在火炬排放，在中國CO排放和產業政策導引下，利用焦爐氣生產直接還原鐵，在中國中部一些省，特別是山西、河北、河南等具有競爭優勢。此技術核心已攻克，在山西左權已完成100 萬噸/年焦化配30萬噸/年直接還原鐵工業示范。

以電代燃氣置換煉油和烯烴生產副產的干氣用于直接還原鐵生產，適于中國未來中期的鋼鐵低碳化轉型氫源，特別是適于中國東部沿海，從北部渤海灣如草妃甸到山東日照、江蘇張家港、廣東湛江及海南島。以進口高品位鐵礦石和進口石油利用沿岸風電或特高壓綠電開發世界級的低碳綠色鋼鐵生產基地，是中國鋼鐵產業轉型升級國際化的戰略優先選擇，兩大初級原料鐵礦石和石油受限條件小、成本低、規模空間大。另一主要資源低碳綠電正是中國政府大力促進的產業，東部沿岸風電及西部綠電特高壓東輸具有支撐這一戰略的雄厚基礎。

本文作者團隊于2007 年開始組團隊攻關電代燃氣及電烯氫技術，已到工業示范階段，計劃2022 年在山東東營和甘肅玉門進行工業示范，2021 年已完成工藝包初步設計。該成套技術重構了中國的電力、煉化和鋼鐵產業，通過再電力化使煉化脫碳的同時，置換出的干氣氫資源用于鋼鐵產業脫碳，同時使中國煉化產業更加一體化、高值化，而中國鋼鐵工業在東部沿海獲得了低成本的氫源而具有經濟性和全球市場競爭力。這一產業模式還可復制到中東地區，即光伏風電、石油和鐵礦石都易獲得的地區。

電解水制氫用于直接還原鐵生產適用于布局中國鋼鐵產業遠期規劃，主要是在西部五省利用光伏風電電解水制氫，生產零碳甚至負碳的直接還原鐵，如歐洲一些鋼鐵公司目前示范展示的項目，西部五省生產的綠色鋼鐵通過中歐班列出口到歐洲，打破歐洲的綠色關稅壁壘。據報道，歐洲將于2023 年立法對進口鋼鐵產品征收100EUR/t 的碳邊境調節稅，2021 年12 月份歐洲的碳排放交易價格已達90EUR/t。低碳鋼鐵是世界發展大趨勢，也是中國產業創新轉型目標，同時也是國際貿易戰的工具。

4 結語與展望

鋼鐵作為支撐世界經濟發展的關鍵基礎材料，實現生產低碳化是必然趨勢，中國鋼鐵產業應對這一轉型的最大挑戰是直接還原鐵生產所需的氫資源。各類煤氣是中國鋼鐵產業低碳化的當前首選，中期2025—2030 年為煉化干氣與電烯氫，遠期2030 年以后為電解水制氫，沿固體煤到液體油，再到氣氫邏輯演變。成功的轉型離不開低碳核心技術的突破及政府政策的引導，以及頭部企業的戰略布局和工業示范。中國目前已擁有上述三階段氫源所需核心關鍵技術及裝備，已擁有氣基豎爐技術并完成工業示范，需要鋼鐵頭部企業在國家政策引導下完成資源集成與創新，打破中國氫源短缺瓶頸，為中國鋼鐵產業低碳生產找到出路。