氫冶金助力鋼鐵行業深度降碳

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”是重要技術路徑

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，鐵水再經轉爐煉成鋼。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，包括氫冶金在內的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。

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》；2022年3月，國家發展改革委發布《氫能產業發展中長期規劃（2021—20235年）》；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》……多個政策的出臺，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。

據了解，目前中國寶武鋼鐵集團有限公司、鞍鋼集團有限公司、河鋼集團有限公司等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。

“綠色、經濟、安全”是發展關鍵

“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。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》）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。

據了解，目前我國年制氫產量約為3300萬噸，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。

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。

“降成本”是主要課題

“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，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道工序投資之和的2倍。所以目前在行業盈利水平較低的情況下，意向投資企業對該類項目存在很大顧慮，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。”世界鋼鐵協會副總干事、中國區首席代表鐘紹良表示，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。