冶金脫碳“氫”裝上陣

■本刊記者 余璇/ 編輯 王睿佳

據統計，我國鋼鐵行業碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是制造業中碳排放量最大的行業。“雙碳”目標下，我國鋼鐵行業成為工業領域綠色發展的主戰場。減污降碳是鋼鐵行業實現高質量發展、落實生態文明理念的必然選擇。

氫冶金成為鋼鐵行業重要降碳技術路徑

黨的二十大報告明確指出，“推動能源清潔低碳高效利用，推進工業、建筑、交通等領域清潔低碳轉型。”鋼鐵行業低碳轉型備受關注。

當前，我國主流的鋼鐵生產工藝是高爐—轉爐長流程，以煤炭作為主要能源和還原劑，即鐵礦石和焦炭在高爐煉鐵，鐵水再用轉爐煉成鋼。生產過程中必然產生大量的二氧化碳，形成較高的碳排放強度。

“在現階段碳排放強度到未來極致碳排放強度的過渡階段，依托鋼鐵工業現有生產工藝難以實現行業碳中和，必須尋求減煤降碳降焦，大幅替代化石能源的新型冶煉工藝。因此，基于氫冶金和綠色能源顛覆性冶煉技術將成為鋼鐵行業低碳發展的重要方向。”冶金工業經濟發展研究中心低碳研究所所長陳瑜坦言。

業內認為，氫冶金是替代碳還原最為可行的途徑，將對鋼鐵行業深度脫碳乃至“凈零碳”發揮決定性作用。

對于發展氫冶金技術，國家層面已作出清晰的規劃部署。

2022 年2 月，工信部、國家發展改革委、生態環境部聯合發布《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》提出，將制定氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術研發應用；到2025年，鋼鐵行業研發投入強度力爭達到1.5%，氫冶金、低碳冶金等先進工藝技術取得突破性進展。

2022 年3 月，國家發展改革委發布《氫能產業發展中長期規劃》提出，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發應用，探索氫能冶金示范應用。同月，國家發展改革委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》提出，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發應用；探索氫能在工業生產中作為高品質熱源的應用。

2022 年8 月，工信部、國家發展改革委、生態環境部聯合發布《工業領域碳達峰實施方案》提出，部署工業低碳前沿技術研究，實施低碳零碳工業流程再造工程，研究實施氫冶金行動計劃。

一系列政策的密集出臺，都明確宣示了國家對優化氫冶金、富氫冶煉等低碳冶煉技術的大力推進。與此同時，鋼鐵行業內部也在氫冶金技術應用和研發方面采取了積極行動。

2022 年8 月，中國鋼鐵工業協會發布的《中國鋼鐵工業“雙碳”愿景及技術路線圖》指出，鋼鐵行業低碳共性技術清單，涉及8 個技術方向，其中前3 個方向都涵蓋了富氫或全氫的直接還原、富氫碳循環高爐和氫基熔融還原技術方向。

記者了解到，目前中國寶武鋼鐵集團有限公司（以下簡稱“中國寶武”）、鞍鋼集團有限公司、河鋼集團有限公司（以下簡稱“河鋼集團”）、建龍鋼鐵控股有限公司等鋼鐵企業都已陸續確定并發布了各自的行動方案、技術路線、低碳發展路線等，都將氫冶金作為其中重要的降碳技術路徑。

陳瑜表示，目前氫還原是替代碳還原最可行的途徑，不僅有理論技術支撐，而且已經具備實踐應用條件，對高爐富氫循環、氫基熔融還原和氫基直接還原等路線，國內外企業都已經開展了示范研究，并取得了積極進展。

氫冶金經過持續探索已取得顯著突破

“較低碳排放的技術包括廢鋼電爐冶煉短流程、高爐富氫冶煉、氫基直接還原鐵（DRI）+電爐工藝等，其中，全廢鋼電爐綠電冶煉工藝、綠氫冶金+電爐綠電冶煉兩大路徑是實現近零排放的最終舉措。”由自然資源保護協會（NRDC）、冶金工業經濟發展研究中心聯合發布的《面向碳中和的氫冶金發展戰略研究》（以下簡稱《戰略研究》）如是指出。

當前，我國氫冶金技術均處于探索和示范階段，氫冶金技術主要包括高爐富氫冶煉技術和氫基直接還原技術。

據介紹，高爐富氫冶煉由于改造成本較低、富氫氣體易獲取、可操作性強，被認為是從現階段的碳冶金過渡到氫冶金的橋梁。但高爐富氫冶煉也絕非完美無瑕，其潛在碳減排幅度為10%—30%，碳減排潛力有限，并不能實現“近零碳排放”。

目前，高爐富氫冶煉的工藝示范通常采用易獲得的富氫焦爐煤氣或者提純后的氫氣（即“灰氫”）。焦爐煤氣是煉焦工序的副產氣體，氫氣含量60%以上（即富氫氣體），長流程自身就可以在煉焦過程生產足夠的氫氣支撐其富氫冶金，不會額外增加碳排。隨著“綠氫”（即可再生能源或其他非化石能源制取的氫）制備規模化和成本持續降低，高爐富氫冶煉也可以逐步使用更多的“綠氫”。

《戰略研究》預計，2030年之前，高爐富氫冶煉技術將取得突破性成果，具備大規模應用條件。2030 年后，高爐富氫冶煉技術有望迅速推廣。

記者了解到，2020 年7 月，寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限公司（以下簡稱“八鋼”）建立了低碳冶金試驗平臺；2022 年7 月，八鋼430 立方米富氫碳循環氧氣高爐（HyCROF）點火投運，目前已取得重大突破。2023 年6 月，八鋼對2500 立方米高爐進行富氫碳循環技術改造，預期化石燃料消耗降低30%，二氧化碳排放減少20%以上。三年時間，該技術從實驗室到工業化示范，進一步到商業化示范，實現了跨越式的進步。

此外，氫基直接還原鐵技術采用氫氣代替一氧化碳作為氧化鐵的還原劑，該技術可還原反應生成水而非二氧化碳，是最具降碳潛力的低碳冶金技術。

但同樣該技術也存在一定劣勢。據介紹，純氫氣與鐵礦石反應為吸熱反應，完全代替燃料煤炭后系統內熱量無法互補，因此延緩還原反應。氫基直接還原技術目前尚處于研發試驗階段。

“目前綜合各國研發進展，預計該技術具備大規模推廣條件需要等到2040 年以后；并且不是僅靠鋼鐵行業自身就能完成的，必須要依賴于‘綠氫’產業鏈的發展，包括綠色經濟、大規模氫源的獲取、氫氣長距離安全儲運以及氫源的合理配置等。”陳瑜介紹。

值得關注的是，我國鋼鐵行業對氫冶金技術進行了大量的探索和研究，覆蓋了高爐富氫、氫基直接還原、氫基熔融還原等主流的工藝技術，且在理論和實踐上都已經取得了顯著的突破。

目前河鋼集團120 萬噸氫冶金示范工程一期全線貫通，建成全球首套工程級別的氫基豎爐；中國寶武富氫碳循環氧氣高爐（HyCROF）取得重大技術突破，完成了全氧冶煉工況條件的工業化試驗，技術經濟指標再創新高。我國鋼鐵行業在氫冶金技術領域的實踐為整個技術進步，乃至全球鋼鐵行業低碳轉型都作出了突出的貢獻。

綠色經濟化制氫、安全規模化用氫或成氫冶金發展關鍵

“首先綠色經濟化制氫，穩定經濟的‘綠氫’供應是氫冶金大規模發展的基礎，同時也是氫能產業發展的必要前提。”陳瑜指出，氫冶金能否對鋼鐵行業碳中和起到關鍵支撐作用，從一定程度上，取決于“綠氫”能否實現穩定經濟供應。

“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規模經濟化制氫是基礎。《戰略研究》認為，綠色經濟化制氫和安全規模化用氫是發展氫冶金的關鍵因素。這也與國家提出的相關氫能發展目標相吻合。

2022 年3 月，國家發展改革委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035 年）》（以下簡稱《規劃》）提出，到2025 年，可再生能源制氫量達到10 萬—20 萬噸/年；到2030 年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系；到2035年，形成氫能產業體系。《規劃》明確了氫能發展的短、中、長期目標，進一步厘清了我國氫能發展思路。

據了解，目前我國年制氫產量約為3300 萬噸，主要以化石能源制氫和工業副產氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦爐煤氣、煉廠干氣等工業副產氫占比約20%。通過使用可再生能源制造“綠氫”是未來發展方向，但目前成本高、技術壁壘高，尚處于示范性工程導入階段。

對此，《戰略研究》建議，近中期可以充分利用各類工業產氫，就近消納，降低工業副產氫供給成本。遠期的光伏、風能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國鋼鐵工業的氫冶金低碳化轉型。

“另外一個重要的因素就是安全規模化用氫，由傳統的碳基能源轉變為清潔的氫能源，在儲存運輸等方面，對相應的安全、溫度、壓力和流量等都有一些特殊的要求。”陳瑜認為，在設計和建設規范等方面都應該有相應的基礎，在技術研發的同時，必須完善氫冶金和鋼鐵企業儲氫用氫相關的工程建設、安全防火等規范標準，以支撐用氫的安全化和規范化。同時，輸氫、儲氫等相關配套措施也要逐步完善。

“要建立氫冶金的標準，以后這個標準怎樣進行統一是個問題，所以我們是不是可以考慮在剛開始發展氫冶金經驗的時候，就把這個標準制定起來，包括氫的使用、制備，怎么安全地使用氫，這個很重要。”世界鋼鐵協會副總干事、中國區首席代表鐘紹良呼吁。

記者了解到，目前運氫方式最為成熟的是高壓長管拖車的方式，適合在城市內運輸，滿足短途內輸氫的需求。低溫液氫運輸的關鍵設備技術已實現國產化，并逐漸走向產業化，將成為民用氫能領域的重要運氫方式。天然氣摻混氫氣輸運方式，與新建純氫輸氫管道相比更具經濟性。值得關注的是，隨著東部等發達地區氫氣需求增長，利用西北地區的可再生電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實現氫氣的大規模遠距離輸送，有助于解決中國能源地域分布不平衡問題。

“預計在2040年前，焦爐煤氣制氫可以憑借制備、儲運、利用成本低、技術成熟、效率高等優點成為鋼鐵企業用氫主要來源。在2040 年后，鋼鐵產業氫冶金發展將取決于‘綠電’西電東送和‘綠氫’西氣東輸工程。只有實現上述兩大配套工程，才能夠實現東部地區鋼鐵工業深度脫碳。”陳瑜預測。

未來氫冶金經濟性取決于氫氣及碳排放成本

值得關注的是，《戰略研究》強調，經濟性是制約鋼鐵行業氫冶金推廣發展的又一關鍵因素，而影響氫冶金經濟性的可變因素主要是氫氣成本及碳排放成本。當隨著技術進步制氫成本逐漸降低，同時企業為碳排放支付一定費用時，氫冶金才能顯出成本優勢。

“對氫冶金應用發展最制約，也是最關鍵的一個因素，更多的還是碳成本和氫冶金成本。而且影響氫冶金經濟性的可變因素主要是氫氣成本和碳排放成本的配比。”陳瑜表示，當隨著技術進步，制氫成本將逐步降低，同時企業要為碳減排，在碳市場中支付一定的碳成本時，氫冶金才能顯示出它相應的成本優勢。在不同階段適當用碳市場手段來提高企業碳排放成本也是推動氫冶金發展和氫冶金示范應用的重要手段。

專家測算碳冶金和氫冶金成本相當時的“綠氫”和“綠電”價格時發現，按照電解1000 立方米“綠氫”、用電4500千瓦時、電力成本占總成本70%的情況，要達到冶煉成本平衡點為1337.2元/噸，“綠氫”價格需要低于15.02 元/千克，“綠電”價格需要低至0.208 元/千瓦時以下，而碳排放成本需要達400元/噸。

因此，碳成本越高，氫冶金越容易具備成本優勢。碳排放成本是平衡氫冶金和碳冶金成本的關鍵因素之一，也是推動氫冶金示范推廣、實現碳減排的驅動力。

“阻礙氫冶金發展的重要因素有兩點，一是投資，二是成本。”中冶京誠工程咨詢部部長李傳民也同樣認為，氫冶金工程投資大，一般是同規模高爐流程、焦化、燒結3 個工序投資之和的2 倍。所以目前在行業盈利水平較低的情況下，投資大使企業對該類項目有很大顧慮，企業首先考慮的是經濟效益和投資回報問題。

“要爭取綠色金融的支持，這一點特別重要，因為在中國現在幾乎是零，但是在其他國家，尤其像歐洲、日本、韓國發展氫冶金，無一例外先是爭取了政府和金融機構支持才開始做。”鐘紹良表示，政府和金融機構要加大綠色金融方面的支持。

在綜合考慮中遠期鋼產量變化趨勢和鋼鐵工業“雙碳”愿景的基礎上，《戰略研究》提出我國氫冶金發展四步走線路圖：

第一階段：到2030 年，噸鋼碳排放強度較2020年下降15%。集中攻關高爐富氫冶煉技術和純氫基直接還原技術，以及相應的軟硬件；開展高爐富氫冶煉技術的示范項目，有條件的鋼鐵企業應率先開展高爐噴氫改造，爭取富氫高爐產能占比達到15%。

第二階段：2030年到2040年，噸鋼碳排放強度較2020 年下降55%。在此期間，鋼鐵行業應集中攻關純氫基直接還原技術及氫基直接還原裝備的國產化、大型化；純氫直接還原技術取得突破性成果，開展純氫直接還原技術示范項目；國家氫能產業體系初步形成，氫源供應增長，成本下降，富氫高爐產能占比超過60%。力爭綠氫用量占比達到30%以上。

第三階段：2040年到2050年，噸鋼碳排放強度較2020年下降85%。大力推廣純氫基直接還原技術，加快“高爐—轉爐”長流程制鋼向“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼轉型，“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼產能占比達到25%；“綠氫”供應量占鋼鐵產業需氫總量達到85%。鋼鐵企業與“綠電”“綠氫”供應商緊密結合，共建產業鏈生態圈，耦合發展。

第四階段：2050 年到2060 年，噸鋼碳排放強度較2020年下降95%。進一步提升“豎爐+綠電電爐”短流程鋼產量占比；“純氫基豎爐+綠電電爐”短流程鋼產量占比達到35%。至2060年，鋼鐵行業年碳排放量降低至約1 億噸，通過推進CCUS 和碳匯，可實現“碳中和”目標。

此外，對于未來氫冶金發展，《戰略研究》建議，應加強氫冶金技術研發和示范的財政和稅收支持，給予氫冶金研發和試點項目在信貸總量、支持方式和利率上更多支持；在鋼鐵行業納入全國統一碳市場后，結合行業低碳發展目標及氫冶金等戰略路徑，科學合理地減少免費配額占比，使率先推進氫冶金技術的企業能夠從碳交易中先獲益、多獲益；強化頂層設計、系統謀劃，構建氫能產業鏈和鋼鐵行業在內的產業生態圈。■