冶金脫碳“氫”裝上陣

■本刊記者 余璇/ 編輯 王睿佳

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放總量的15%左右，是制造業(yè)中碳排放量最大的行業(yè)?！半p碳”目標(biāo)下，我國(guó)鋼鐵行業(yè)成為工業(yè)領(lǐng)域綠色發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)。減污降碳是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、落實(shí)生態(tài)文明理念的必然選擇。

氫冶金成為鋼鐵行業(yè)重要降碳技術(shù)路徑

黨的二十大報(bào)告明確指出，“推動(dòng)能源清潔低碳高效利用，推進(jìn)工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域清潔低碳轉(zhuǎn)型?！变撹F行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型備受關(guān)注。

當(dāng)前，我國(guó)主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)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(zhuǎn)爐煉成鋼。生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生大量的二氧化碳，形成較高的碳排放強(qiáng)度。

“在現(xiàn)階段碳排放強(qiáng)度到未來極致碳排放強(qiáng)度的過渡階段，依托鋼鐵工業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝難以實(shí)現(xiàn)行業(yè)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(shù)將成為鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的重要方向?！币苯鸸I(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心低碳研究所所長(zhǎng)陳瑜坦言。

業(yè)內(nèi)認(rèn)為，氫冶金是替代碳還原最為可行的途徑，將對(duì)鋼鐵行業(yè)深度脫碳乃至“凈零碳”發(fā)揮決定性作用。

對(duì)于發(fā)展氫冶金技術(shù)，國(guó)家層面已作出清晰的規(guī)劃部署。

2022 年2 月，工信部、國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，將制定氫冶金行動(dòng)方案，加快推進(jìn)低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用；到2025年，鋼鐵行業(yè)研發(fā)投入強(qiáng)度力爭(zhēng)達(dá)到1.5%，氫冶金、低碳冶金等先進(jìn)工藝技術(shù)取得突破性進(jìn)展。

2022 年3 月，國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃》提出，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，探索氫能冶金示范應(yīng)用。同月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》提出，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)應(yīng)用；探索氫能在工業(yè)生產(chǎn)中作為高品質(zhì)熱源的應(yīng)用。

2022 年8 月，工信部、國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》提出，部署工業(yè)低碳前沿技術(shù)研究，實(shí)施低碳零碳工業(yè)流程再造工程，研究實(shí)施氫冶金行動(dòng)計(jì)劃。

一系列政策的密集出臺(tái)，都明確宣示了國(guó)家對(duì)優(yōu)化氫冶金、富氫冶煉等低碳冶煉技術(shù)的大力推進(jìn)。與此同時(shí)，鋼鐵行業(yè)內(nèi)部也在氫冶金技術(shù)應(yīng)用和研發(fā)方面采取了積極行動(dòng)。

2022 年8 月，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)鋼鐵工業(yè)“雙碳”愿景及技術(shù)路線圖》指出，鋼鐵行業(yè)低碳共性技術(shù)清單，涉及8 個(gè)技術(shù)方向，其中前3 個(gè)方向都涵蓋了富氫或全氫的直接還原、富氫碳循環(huán)高爐和氫基熔融還原技術(shù)方向。

記者了解到，目前中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)寶武”）、鞍鋼集團(tuán)有限公司、河鋼集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“河鋼集團(tuán)”）、建龍鋼鐵控股有限公司等鋼鐵企業(yè)都已陸續(xù)確定并發(fā)布了各自的行動(dòng)方案、技術(shù)路線、低碳發(fā)展路線等，都將氫冶金作為其中重要的降碳技術(shù)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(shù)支撐，而且已經(jīng)具備實(shí)踐應(yīng)用條件，對(duì)高爐富氫循環(huán)、氫基熔融還原和氫基直接還原等路線，國(guó)內(nèi)外企業(yè)都已經(jīng)開展了示范研究，并取得了積極進(jìn)展。

氫冶金經(jīng)過持續(xù)探索已取得顯著突破

“較低碳排放的技術(shù)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(shí)現(xiàn)近零排放的最終舉措。”由自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)（NRDC）、冶金工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心聯(lián)合發(fā)布的《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡(jiǎn)稱《戰(zhàn)略研究》）如是指出。

當(dāng)前，我國(guó)氫冶金技術(shù)均處于探索和示范階段，氫冶金技術(shù)主要包括高爐富氫冶煉技術(shù)和氫基直接還原技術(shù)。

據(jù)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(qiáng)，被認(rèn)為是從現(xiàn)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(shí)現(xiàn)“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?fàn)t煤氣或者提純后的氫氣（即“灰氫”）。焦?fàn)t煤氣是煉焦工序的副產(chǎn)氣體，氫氣含量60%以上（即富氫氣體），長(zhǎng)流程自身就可以在煉焦過程生產(chǎn)足夠的氫氣支撐其富氫冶金，不會(huì)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(guī)?；统杀境掷m(xù)降低，高爐富氫冶煉也可以逐步使用更多的“綠氫”。

《戰(zhàn)略研究》預(yù)計(jì)，2030年之前，高爐富氫冶煉技術(shù)將取得突破性成果，具備大規(guī)模應(yīng)用條件。2030 年后，高爐富氫冶煉技術(shù)有望迅速推廣。

記者了解到，2020 年7 月，寶鋼集團(tuán)新疆八一鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱“八鋼”）建立了低碳冶金試驗(yàn)平臺(tái)；2022 年7 月，八鋼430 立方米富氫碳循環(huán)氧氣高爐（HyCROF）點(diǎn)火投運(yùn)，目前已取得重大突破。2023 年6 月，八鋼對(duì)2500 立方米高爐進(jìn)行富氫碳循環(huán)技術(shù)改造，預(yù)期化石燃料消耗降低30%，二氧化碳排放減少20%以上。三年時(shí)間，該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化示范，進(jìn)一步到商業(yè)化示范，實(shí)現(xiàn)了跨越式的進(jìn)步。

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

但同樣該技術(shù)也存在一定劣勢(shì)。據(jù)介紹，純氫氣與鐵礦石反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，完全代替燃料煤炭后系統(tǒng)內(nèi)熱量無法互補(bǔ)，因此延緩還原反應(yīng)。氫基直接還原技術(shù)目前尚處于研發(fā)試驗(yàn)階段。

“目前綜合各國(guó)研發(fā)進(jìn)展，預(yù)計(jì)該技術(shù)具備大規(guī)模推廣條件需要等到2040 年以后；并且不是僅靠鋼鐵行業(yè)自身就能完成的，必須要依賴于‘綠氫’產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，包括綠色經(jīng)濟(jì)、大規(guī)模氫源的獲取、氫氣長(zhǎng)距離安全儲(chǔ)運(yùn)以及氫源的合理配置等。”陳瑜介紹。

值得關(guān)注的是，我國(guó)鋼鐵行業(yè)對(duì)氫冶金技術(shù)進(jìn)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(shù)，且在理論和實(shí)踐上都已經(jīng)取得了顯著的突破。

目前河鋼集團(tuán)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(jí)別的氫基豎爐；中國(guó)寶武富氫碳循環(huán)氧氣高爐（HyCROF）取得重大技術(shù)突破，完成了全氧冶煉工況條件的工業(yè)化試驗(yàn)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)再創(chuàng)新高。我國(guó)鋼鐵行業(yè)在氫冶金技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)踐為整個(gè)技術(shù)進(jìn)步，乃至全球鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型都作出了突出的貢獻(xiàn)。

綠色經(jīng)濟(jì)化制氫、安全規(guī)模化用氫或成氫冶金發(fā)展關(guān)鍵

“首先綠色經(jīng)濟(jì)化制氫，穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的‘綠氫’供應(yīng)是氫冶金大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要前提?！标愯ぶ赋?，氫冶金能否對(duì)鋼鐵行業(yè)碳中和起到關(guān)鍵支撐作用，從一定程度上，取決于“綠氫”能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)供應(yīng)。

“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規(guī)模經(jīng)濟(jì)化制氫是基礎(chǔ)。《戰(zhàn)略研究》認(rèn)為，綠色經(jīng)濟(jì)化制氫和安全規(guī)模化用氫是發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵因素。這也與國(guó)家提出的相關(guān)氫能發(fā)展目標(biāo)相吻合。

2022 年3 月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035 年）》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》）提出，到2025 年，可再生能源制氫量達(dá)到10 萬—20 萬噸/年；到2030 年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系；到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系?！兑?guī)劃》明確了氫能發(fā)展的短、中、長(zhǎng)期目標(biāo)，進(jìn)一步厘清了我國(guó)氫能發(fā)展思路。

據(jù)了解，目前我國(guó)年制氫產(chǎn)量約為3300 萬噸，主要以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦?fàn)t煤氣、煉廠干氣等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%。通過使用可再生能源制造“綠氫”是未來發(fā)展方向，但目前成本高、技術(shù)壁壘高，尚處于示范性工程導(dǎo)入階段。

對(duì)此，《戰(zhàn)略研究》建議，近中期可以充分利用各類工業(yè)產(chǎn)氫，就近消納，降低工業(yè)副產(chǎn)氫供給成本。遠(yuǎn)期的光伏、風(fēng)能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國(guó)鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。

“另外一個(gè)重要的因素就是安全規(guī)?；脷?，由傳統(tǒng)的碳基能源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉臍淠茉?，在?chǔ)存運(yùn)輸?shù)确矫?，?duì)相應(yīng)的安全、溫度、壓力和流量等都有一些特殊的要求?！标愯ふJ(rèn)為，在設(shè)計(jì)和建設(shè)規(guī)范等方面都應(yīng)該有相應(yīng)的基礎(chǔ)，在技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，必須完善氫冶金和鋼鐵企業(yè)儲(chǔ)氫用氫相關(guān)的工程建設(shè)、安全防火等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以支撐用氫的安全化和規(guī)范化。同時(shí)，輸氫、儲(chǔ)氫等相關(guān)配套措施也要逐步完善。

“要建立氫冶金的標(biāo)準(zhǔn)，以后這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)怎樣進(jìn)行統(tǒng)一是個(gè)問題，所以我們是不是可以考慮在剛開始發(fā)展氫冶金經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候，就把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定起來，包括氫的使用、制備，怎么安全地使用氫，這個(gè)很重要。”世界鋼鐵協(xié)會(huì)副總干事、中國(guó)區(qū)首席代表鐘紹良呼吁。

記者了解到，目前運(yùn)氫方式最為成熟的是高壓長(zhǎng)管拖車的方式，適合在城市內(nèi)運(yùn)輸，滿足短途內(nèi)輸氫的需求。低溫液氫運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備技術(shù)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，將成為民用氫能領(lǐng)域的重要運(yùn)氫方式。天然氣摻混氫氣輸運(yùn)方式，與新建純氫輸氫管道相比更具經(jīng)濟(jì)性。值得關(guān)注的是，隨著東部等發(fā)達(dá)地區(qū)氫氣需求增長(zhǎng)，利用西北地區(qū)的可再生電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送，有助于解決中國(guó)能源地域分布不平衡問題。

“預(yù)計(jì)在2040年前，焦?fàn)t煤氣制氫可以憑借制備、儲(chǔ)運(yùn)、利用成本低、技術(shù)成熟、效率高等優(yōu)點(diǎn)成為鋼鐵企業(yè)用氫主要來源。在2040 年后，鋼鐵產(chǎn)業(yè)氫冶金發(fā)展將取決于‘綠電’西電東送和‘綠氫’西氣東輸工程。只有實(shí)現(xiàn)上述兩大配套工程，才能夠?qū)崿F(xiàn)東部地區(qū)鋼鐵工業(yè)深度脫碳?！标愯ゎA(yù)測(cè)。

未來氫冶金經(jīng)濟(jì)性取決于氫氣及碳排放成本

值得關(guān)注的是，《戰(zhàn)略研究》強(qiáng)調(diào)，經(jīng)濟(jì)性是制約鋼鐵行業(yè)氫冶金推廣發(fā)展的又一關(guān)鍵因素，而影響氫冶金經(jīng)濟(jì)性的可變因素主要是氫氣成本及碳排放成本。當(dāng)隨著技術(shù)進(jìn)步制氫成本逐漸降低，同時(shí)企業(yè)為碳排放支付一定費(fèi)用時(shí)，氫冶金才能顯出成本優(yōu)勢(shì)。

“對(duì)氫冶金應(yīng)用發(fā)展最制約，也是最關(guān)鍵的一個(gè)因素，更多的還是碳成本和氫冶金成本。而且影響氫冶金經(jīng)濟(jì)性的可變因素主要是氫氣成本和碳排放成本的配比?！标愯け硎荆?dāng)隨著技術(shù)進(jìn)步，制氫成本將逐步降低，同時(shí)企業(yè)要為碳減排，在碳市場(chǎng)中支付一定的碳成本時(shí)，氫冶金才能顯示出它相應(yīng)的成本優(yōu)勢(shì)。在不同階段適當(dāng)用碳市場(chǎng)手段來提高企業(yè)碳排放成本也是推動(dòng)氫冶金發(fā)展和氫冶金示范應(yīng)用的重要手段。

專家測(cè)算碳冶金和氫冶金成本相當(dāng)時(shí)的“綠氫”和“綠電”價(jià)格時(shí)發(fā)現(xiàn)，按照電解1000 立方米“綠氫”、用電4500千瓦時(shí)、電力成本占總成本70%的情況，要達(dá)到冶煉成本平衡點(diǎn)為1337.2元/噸，“綠氫”價(jià)格需要低于15.02 元/千克，“綠電”價(jià)格需要低至0.208 元/千瓦時(shí)以下，而碳排放成本需要達(dá)400元/噸。

因此，碳成本越高，氫冶金越容易具備成本優(yōu)勢(shì)。碳排放成本是平衡氫冶金和碳冶金成本的關(guān)鍵因素之一，也是推動(dòng)氫冶金示范推廣、實(shí)現(xiàn)碳減排的驅(qū)動(dòng)力。

“阻礙氫冶金發(fā)展的重要因素有兩點(diǎn)，一是投資，二是成本?！敝幸本┱\(chéng)工程咨詢部部長(zhǎng)李傳民也同樣認(rèn)為，氫冶金工程投資大，一般是同規(guī)模高爐流程、焦化、燒結(jié)3 個(gè)工序投資之和的2 倍。所以目前在行業(yè)盈利水平較低的情況下，投資大使企業(yè)對(duì)該類項(xiàng)目有很大顧慮，企業(yè)首先考慮的是經(jīng)濟(jì)效益和投資回報(bào)問題。

“要爭(zhēng)取綠色金融的支持，這一點(diǎn)特別重要，因?yàn)樵谥袊?guó)現(xiàn)在幾乎是零，但是在其他國(guó)家，尤其像歐洲、日本、韓國(guó)發(fā)展氫冶金，無一例外先是爭(zhēng)取了政府和金融機(jī)構(gòu)支持才開始做?！辩娊B良表示，政府和金融機(jī)構(gòu)要加大綠色金融方面的支持。

在綜合考慮中遠(yuǎn)期鋼產(chǎn)量變化趨勢(shì)和鋼鐵工業(yè)“雙碳”愿景的基礎(chǔ)上，《戰(zhàn)略研究》提出我國(guó)氫冶金發(fā)展四步走線路圖：

第一階段：到2030 年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降15%。集中攻關(guān)高爐富氫冶煉技術(shù)和純氫基直接還原技術(shù)，以及相應(yīng)的軟硬件；開展高爐富氫冶煉技術(shù)的示范項(xiàng)目，有條件的鋼鐵企業(yè)應(yīng)率先開展高爐噴氫改造，爭(zhēng)取富氫高爐產(chǎn)能占比達(dá)到15%。

第二階段：2030年到2040年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020 年下降55%。在此期間，鋼鐵行業(yè)應(yīng)集中攻關(guān)純氫基直接還原技術(shù)及氫基直接還原裝備的國(guó)產(chǎn)化、大型化；純氫直接還原技術(shù)取得突破性成果，開展純氫直接還原技術(shù)示范項(xiàng)目；國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)體系初步形成，氫源供應(yīng)增長(zhǎng)，成本下降，富氫高爐產(chǎn)能占比超過60%。力爭(zhēng)綠氫用量占比達(dá)到30%以上。

第三階段：2040年到2050年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降85%。大力推廣純氫基直接還原技術(shù)，加快“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程制鋼向“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼轉(zhuǎn)型，“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼產(chǎn)能占比達(dá)到25%；“綠氫”供應(yīng)量占鋼鐵產(chǎn)業(yè)需氫總量達(dá)到85%。鋼鐵企業(yè)與“綠電”“綠氫”供應(yīng)商緊密結(jié)合，共建產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，耦合發(fā)展。

第四階段：2050 年到2060 年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降95%。進(jìn)一步提升“豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比；“純氫基豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比達(dá)到35%。至2060年，鋼鐵行業(yè)年碳排放量降低至約1 億噸，通過推進(jìn)CCUS 和碳匯，可實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。

此外，對(duì)于未來氫冶金發(fā)展，《戰(zhàn)略研究》建議，應(yīng)加強(qiáng)氫冶金技術(shù)研發(fā)和示范的財(cái)政和稅收支持，給予氫冶金研發(fā)和試點(diǎn)項(xiàng)目在信貸總量、支持方式和利率上更多支持；在鋼鐵行業(yè)納入全國(guó)統(tǒng)一碳市場(chǎng)后，結(jié)合行業(yè)低碳發(fā)展目標(biāo)及氫冶金等戰(zhàn)略路徑，科學(xué)合理地減少免費(fèi)配額占比，使率先推進(jìn)氫冶金技術(shù)的企業(yè)能夠從碳交易中先獲益、多獲益；強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)謀劃，構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)鏈和鋼鐵行業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈?！?/p>