冶金脱碳“氢”装上阵

■本刊记者 余璇/ 编辑 王睿佳

据统计，我国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量的15%左右，是制造业中碳排放量最大的行业。“双碳”目标下，我国钢铁行业成为工业领域绿色发展的主战场。减污降碳是钢铁行业实现高质量发展、落实生态文明理念的必然选择。

氢冶金成为钢铁行业重要降碳技术路径

党的二十大报告明确指出，“推动能源清洁低碳高效利用，推进工业、建筑、交通等领域清洁低碳转型。”钢铁行业低碳转型备受关注。

当前，我国主流的钢铁生产工艺是高炉—转炉长流程，以煤炭作为主要能源和还原剂，即铁矿石和焦炭在高炉炼铁，铁水再用转炉炼成钢。生产过程中必然产生大量的二氧化碳，形成较高的碳排放强度。

“在现阶段碳排放强度到未来极致碳排放强度的过渡阶段，依托钢铁工业现有生产工艺难以实现行业碳中和，必须寻求减煤降碳降焦，大幅替代化石能源的新型冶炼工艺。因此，基于氢冶金和绿色能源颠覆性冶炼技术将成为钢铁行业低碳发展的重要方向。”冶金工业经济发展研究中心低碳研究所所长陈瑜坦言。

业内认为，氢冶金是替代碳还原最为可行的途径，将对钢铁行业深度脱碳乃至“净零碳”发挥决定性作用。

对于发展氢冶金技术，国家层面已作出清晰的规划部署。

2022 年2 月，工信部、国家发展改革委、生态环境部联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》提出，将制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用；到2025年，钢铁行业研发投入强度力争达到1.5%，氢冶金、低碳冶金等先进工艺技术取得突破性进展。

2022 年3 月，国家发展改革委发布《氢能产业发展中长期规划》提出，开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢能冶金示范应用。同月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》提出，开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用；探索氢能在工业生产中作为高品质热源的应用。

2022 年8 月，工信部、国家发展改革委、生态环境部联合发布《工业领域碳达峰实施方案》提出，部署工业低碳前沿技术研究，实施低碳零碳工业流程再造工程，研究实施氢冶金行动计划。

一系列政策的密集出台，都明确宣示了国家对优化氢冶金、富氢冶炼等低碳冶炼技术的大力推进。与此同时，钢铁行业内部也在氢冶金技术应用和研发方面采取了积极行动。

2022 年8 月，中国钢铁工业协会发布的《中国钢铁工业“双碳”愿景及技术路线图》指出，钢铁行业低碳共性技术清单，涉及8 个技术方向，其中前3 个方向都涵盖了富氢或全氢的直接还原、富氢碳循环高炉和氢基熔融还原技术方向。

记者了解到，目前中国宝武钢铁集团有限公司（以下简称“中国宝武”）、鞍钢集团有限公司、河钢集团有限公司（以下简称“河钢集团”）、建龙钢铁控股有限公司等钢铁企业都已陆续确定并发布了各自的行动方案、技术路线、低碳发展路线等，都将氢冶金作为其中重要的降碳技术路径。

陈瑜表示，目前氢还原是替代碳还原最可行的途径，不仅有理论技术支撑，而且已经具备实践应用条件，对高炉富氢循环、氢基熔融还原和氢基直接还原等路线，国内外企业都已经开展了示范研究，并取得了积极进展。

氢冶金经过持续探索已取得显著突破

“较低碳排放的技术包括废钢电炉冶炼短流程、高炉富氢冶炼、氢基直接还原铁（DRI）+电炉工艺等，其中，全废钢电炉绿电冶炼工艺、绿氢冶金+电炉绿电冶炼两大路径是实现近零排放的最终举措。”由自然资源保护协会（NRDC）、冶金工业经济发展研究中心联合发布的《面向碳中和的氢冶金发展战略研究》（以下简称《战略研究》）如是指出。

当前，我国氢冶金技术均处于探索和示范阶段，氢冶金技术主要包括高炉富氢冶炼技术和氢基直接还原技术。

据介绍，高炉富氢冶炼由于改造成本较低、富氢气体易获取、可操作性强，被认为是从现阶段的碳冶金过渡到氢冶金的桥梁。但高炉富氢冶炼也绝非完美无瑕，其潜在碳减排幅度为10%—30%，碳减排潜力有限，并不能实现“近零碳排放”。

目前，高炉富氢冶炼的工艺示范通常采用易获得的富氢焦炉煤气或者提纯后的氢气（即“灰氢”）。焦炉煤气是炼焦工序的副产气体，氢气含量60%以上（即富氢气体），长流程自身就可以在炼焦过程生产足够的氢气支撑其富氢冶金，不会额外增加碳排。随着“绿氢”（即可再生能源或其他非化石能源制取的氢）制备规模化和成本持续降低，高炉富氢冶炼也可以逐步使用更多的“绿氢”。

《战略研究》预计，2030年之前，高炉富氢冶炼技术将取得突破性成果，具备大规模应用条件。2030 年后，高炉富氢冶炼技术有望迅速推广。

记者了解到，2020 年7 月，宝钢集团新疆八一钢铁有限公司（以下简称“八钢”）建立了低碳冶金试验平台；2022 年7 月，八钢430 立方米富氢碳循环氧气高炉（HyCROF）点火投运，目前已取得重大突破。2023 年6 月，八钢对2500 立方米高炉进行富氢碳循环技术改造，预期化石燃料消耗降低30%，二氧化碳排放减少20%以上。三年时间，该技术从实验室到工业化示范，进一步到商业化示范，实现了跨越式的进步。

此外，氢基直接还原铁技术采用氢气代替一氧化碳作为氧化铁的还原剂，该技术可还原反应生成水而非二氧化碳，是最具降碳潜力的低碳冶金技术。

但同样该技术也存在一定劣势。据介绍，纯氢气与铁矿石反应为吸热反应，完全代替燃料煤炭后系统内热量无法互补，因此延缓还原反应。氢基直接还原技术目前尚处于研发试验阶段。

“目前综合各国研发进展，预计该技术具备大规模推广条件需要等到2040 年以后；并且不是仅靠钢铁行业自身就能完成的，必须要依赖于‘绿氢’产业链的发展，包括绿色经济、大规模氢源的获取、氢气长距离安全储运以及氢源的合理配置等。”陈瑜介绍。

值得关注的是，我国钢铁行业对氢冶金技术进行了大量的探索和研究，覆盖了高炉富氢、氢基直接还原、氢基熔融还原等主流的工艺技术，且在理论和实践上都已经取得了显著的突破。

目前河钢集团120 万吨氢冶金示范工程一期全线贯通，建成全球首套工程级别的氢基竖炉；中国宝武富氢碳循环氧气高炉（HyCROF）取得重大技术突破，完成了全氧冶炼工况条件的工业化试验，技术经济指标再创新高。我国钢铁行业在氢冶金技术领域的实践为整个技术进步，乃至全球钢铁行业低碳转型都作出了突出的贡献。

绿色经济化制氢、安全规模化用氢或成氢冶金发展关键

“首先绿色经济化制氢，稳定经济的‘绿氢’供应是氢冶金大规模发展的基础，同时也是氢能产业发展的必要前提。”陈瑜指出，氢冶金能否对钢铁行业碳中和起到关键支撑作用，从一定程度上，取决于“绿氢”能否实现稳定经济供应。

“以氢代碳”的富氢或全氢冶金，大规模经济化制氢是基础。《战略研究》认为，绿色经济化制氢和安全规模化用氢是发展氢冶金的关键因素。这也与国家提出的相关氢能发展目标相吻合。

2022 年3 月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》（以下简称《规划》）提出，到2025 年，可再生能源制氢量达到10 万—20 万吨/年；到2030 年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系；到2035年，形成氢能产业体系。《规划》明确了氢能发展的短、中、长期目标，进一步厘清了我国氢能发展思路。

据了解，目前我国年制氢产量约为3300 万吨，主要以化石能源制氢和工业副产氢为主，煤制氢和天然气制氢占比近80%，焦炉煤气、炼厂干气等工业副产氢占比约20%。通过使用可再生能源制造“绿氢”是未来发展方向，但目前成本高、技术壁垒高，尚处于示范性工程导入阶段。

对此，《战略研究》建议，近中期可以充分利用各类工业产氢，就近消纳，降低工业副产氢供给成本。远期的光伏、风能、水电等绿电电解水制氢，将可支撑中国钢铁工业的氢冶金低碳化转型。

“另外一个重要的因素就是安全规模化用氢，由传统的碳基能源转变为清洁的氢能源，在储存运输等方面，对相应的安全、温度、压力和流量等都有一些特殊的要求。”陈瑜认为，在设计和建设规范等方面都应该有相应的基础，在技术研发的同时，必须完善氢冶金和钢铁企业储氢用氢相关的工程建设、安全防火等规范标准，以支撑用氢的安全化和规范化。同时，输氢、储氢等相关配套措施也要逐步完善。

“要建立氢冶金的标准，以后这个标准怎样进行统一是个问题，所以我们是不是可以考虑在刚开始发展氢冶金经验的时候，就把这个标准制定起来，包括氢的使用、制备，怎么安全地使用氢，这个很重要。”世界钢铁协会副总干事、中国区首席代表钟绍良呼吁。

记者了解到，目前运氢方式最为成熟的是高压长管拖车的方式，适合在城市内运输，满足短途内输氢的需求。低温液氢运输的关键设备技术已实现国产化，并逐渐走向产业化，将成为民用氢能领域的重要运氢方式。天然气掺混氢气输运方式，与新建纯氢输氢管道相比更具经济性。值得关注的是，随着东部等发达地区氢气需求增长，利用西北地区的可再生电力资源制取氢气，掺入天然气管道，有望实现氢气的大规模远距离输送，有助于解决中国能源地域分布不平衡问题。

“预计在2040年前，焦炉煤气制氢可以凭借制备、储运、利用成本低、技术成熟、效率高等优点成为钢铁企业用氢主要来源。在2040 年后，钢铁产业氢冶金发展将取决于‘绿电’西电东送和‘绿氢’西气东输工程。只有实现上述两大配套工程，才能够实现东部地区钢铁工业深度脱碳。”陈瑜预测。

未来氢冶金经济性取决于氢气及碳排放成本

值得关注的是，《战略研究》强调，经济性是制约钢铁行业氢冶金推广发展的又一关键因素，而影响氢冶金经济性的可变因素主要是氢气成本及碳排放成本。当随着技术进步制氢成本逐渐降低，同时企业为碳排放支付一定费用时，氢冶金才能显出成本优势。

“对氢冶金应用发展最制约，也是最关键的一个因素，更多的还是碳成本和氢冶金成本。而且影响氢冶金经济性的可变因素主要是氢气成本和碳排放成本的配比。”陈瑜表示，当随着技术进步，制氢成本将逐步降低，同时企业要为碳减排，在碳市场中支付一定的碳成本时，氢冶金才能显示出它相应的成本优势。在不同阶段适当用碳市场手段来提高企业碳排放成本也是推动氢冶金发展和氢冶金示范应用的重要手段。

专家测算碳冶金和氢冶金成本相当时的“绿氢”和“绿电”价格时发现，按照电解1000 立方米“绿氢”、用电4500千瓦时、电力成本占总成本70%的情况，要达到冶炼成本平衡点为1337.2元/吨，“绿氢”价格需要低于15.02 元/千克，“绿电”价格需要低至0.208 元/千瓦时以下，而碳排放成本需要达400元/吨。

因此，碳成本越高，氢冶金越容易具备成本优势。碳排放成本是平衡氢冶金和碳冶金成本的关键因素之一，也是推动氢冶金示范推广、实现碳减排的驱动力。

“阻碍氢冶金发展的重要因素有两点，一是投资，二是成本。”中冶京诚工程咨询部部长李传民也同样认为，氢冶金工程投资大，一般是同规模高炉流程、焦化、烧结3 个工序投资之和的2 倍。所以目前在行业盈利水平较低的情况下，投资大使企业对该类项目有很大顾虑，企业首先考虑的是经济效益和投资回报问题。

“要争取绿色金融的支持，这一点特别重要，因为在中国现在几乎是零，但是在其他国家，尤其像欧洲、日本、韩国发展氢冶金，无一例外先是争取了政府和金融机构支持才开始做。”钟绍良表示，政府和金融机构要加大绿色金融方面的支持。

在综合考虑中远期钢产量变化趋势和钢铁工业“双碳”愿景的基础上，《战略研究》提出我国氢冶金发展四步走线路图：

第一阶段：到2030 年，吨钢碳排放强度较2020年下降15%。集中攻关高炉富氢冶炼技术和纯氢基直接还原技术，以及相应的软硬件；开展高炉富氢冶炼技术的示范项目，有条件的钢铁企业应率先开展高炉喷氢改造，争取富氢高炉产能占比达到15%。

第二阶段：2030年到2040年，吨钢碳排放强度较2020 年下降55%。在此期间，钢铁行业应集中攻关纯氢基直接还原技术及氢基直接还原装备的国产化、大型化；纯氢直接还原技术取得突破性成果，开展纯氢直接还原技术示范项目；国家氢能产业体系初步形成，氢源供应增长，成本下降，富氢高炉产能占比超过60%。力争绿氢用量占比达到30%以上。

第三阶段：2040年到2050年，吨钢碳排放强度较2020年下降85%。大力推广纯氢基直接还原技术，加快“高炉—转炉”长流程制钢向“纯氢基竖炉+电炉”短流程制钢转型，“纯氢基竖炉+电炉”短流程制钢产能占比达到25%；“绿氢”供应量占钢铁产业需氢总量达到85%。钢铁企业与“绿电”“绿氢”供应商紧密结合，共建产业链生态圈，耦合发展。

第四阶段：2050 年到2060 年，吨钢碳排放强度较2020年下降95%。进一步提升“竖炉+绿电电炉”短流程钢产量占比；“纯氢基竖炉+绿电电炉”短流程钢产量占比达到35%。至2060年，钢铁行业年碳排放量降低至约1 亿吨，通过推进CCUS 和碳汇，可实现“碳中和”目标。

此外，对于未来氢冶金发展，《战略研究》建议，应加强氢冶金技术研发和示范的财政和税收支持，给予氢冶金研发和试点项目在信贷总量、支持方式和利率上更多支持；在钢铁行业纳入全国统一碳市场后，结合行业低碳发展目标及氢冶金等战略路径，科学合理地减少免费配额占比，使率先推进氢冶金技术的企业能够从碳交易中先获益、多获益；强化顶层设计、系统谋划，构建氢能产业链和钢铁行业在内的产业生态圈。■