氫對鋼鐵行業(yè)深度脫碳起決定性作用

近日，自然資源保護(hù)協(xié)會（NRDC）發(fā)布的《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡稱《研究》）中提出，當(dāng)前主流的長流程鋼鐵冶煉工藝是以煤炭作為主要能源和還原劑，生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生大量的二氧化碳。當(dāng)前傳統(tǒng)工藝技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)難以實現(xiàn)深度脫碳，氫冶金是替代碳還原最為可行的途徑，將對鋼鐵行業(yè)深度脫碳乃至“凈零碳”起到?jīng)Q定性作用。

作為支撐我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性行業(yè)之一，鋼鐵行業(yè)是“雙碳”目標(biāo)下工業(yè)綠色發(fā)展的重要領(lǐng)域，其碳排放總量占全國的15%左右，是占比最高的制造業(yè)。推動“碳冶金”向“氫冶金”轉(zhuǎn)變，有望進(jìn)一步加快綠色低碳轉(zhuǎn)型，助力氫能與鋼鐵產(chǎn)業(yè)“雙贏”發(fā)展。

已有頂層設(shè)計

《研究》指出，我國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)流程以長流程為主，占比達(dá)90%以上，短流程占比10%，直接還原鐵流程基于天然氣儲量比較小，直接還原鐵流程非常少。從碳排放強(qiáng)度來看，長流程噸鋼碳排放強(qiáng)度在2左右，是廢鋼短流程的4倍，是直接還原鐵流程的2倍。

“通過對行業(yè)和工藝現(xiàn)狀機(jī)理的綜合分析，我們意識到，基于現(xiàn)有工藝流程，如果依托鋼鐵工業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝難以實現(xiàn)行業(yè)碳中和，必須尋求減煤降碳降焦、能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。”冶金工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心低碳研究所所長陳瑜指出。

對于發(fā)展氫冶金，國家層面和行業(yè)層面已經(jīng)有頂層設(shè)計，在工信部等三部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》以及“1+N”政策體系中《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實施方案》和《減污降碳協(xié)同增效實施方案》都明確加強(qiáng)氫冶金、富氫冶煉等示范應(yīng)用。在《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》中也將氫冶金作為重要的下游應(yīng)用領(lǐng)域。

鋼鐵行業(yè)和企業(yè)積極行動，在氫冶金技術(shù)應(yīng)用和研發(fā)方面已取得一些進(jìn)展。2022年，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會發(fā)布《鋼鐵行業(yè)碳中和愿景和低碳技術(shù)路線圖》，提出鋼鐵行業(yè)低碳共性技術(shù)清單，涵蓋富氫與全氫氣直接還原技術(shù)、富氫碳循環(huán)高爐技術(shù)、氫機(jī)熔融還原技術(shù)這三大氫冶金相關(guān)的重要領(lǐng)域。此外，中國寶武、鞍鋼集團(tuán)、河鋼集團(tuán)等大型鋼鐵企業(yè)都將氫冶金作為其中重要的降碳技術(shù)路徑，先后發(fā)布各自的低碳路線圖。

依賴氫能發(fā)展進(jìn)程

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。《研究》指出，“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規(guī)模經(jīng)濟(jì)化的氫源是基礎(chǔ)。目前我國氫氣產(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%。

“氫冶金能否對鋼鐵行業(yè)碳中和起到關(guān)鍵支撐作用，一定程度上取決于綠氫是否能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)的供應(yīng)，通過使用可再生能源制造綠氫，例如通過多種可再生能源互補(bǔ)進(jìn)行電解水制氫，全過程沒有碳排放，是未來發(fā)展方向。”陳瑜分析認(rèn)為，“但是目前綠氫成本高、技術(shù)壁壘高難題尚未解決，因此在近中期的示范階段，建議鋼鐵企業(yè)可以充分利用各類工業(yè)副產(chǎn)氫實現(xiàn)就近消納，在中遠(yuǎn)期，行業(yè)將依賴于氫能的發(fā)展和布局，利用光伏、風(fēng)能、水電等綠電電解水制氫，支撐我國鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。”

世界鋼鐵協(xié)會副總干事鐘紹良說：“以前，氫氣在鋼鐵行業(yè)并不是一個重要角色，屬于中間能源介質(zhì)，大部分企業(yè)此前將氫氣直接燃燒，最近才把它提煉出來作為還原劑使用。事實上，在當(dāng)前的轉(zhuǎn)型過渡階段，氫在鋼鐵行業(yè)更多仍是以熱源+還原劑形式出現(xiàn)，但氫氣能夠扮演純粹的還原劑角色應(yīng)是未來業(yè)內(nèi)所盼。”

中冶京誠工程咨詢部總經(jīng)理、氫能事業(yè)部負(fù)責(zé)人李傳民也認(rèn)為，氫參與還原要超過50%才算氫冶金，如果小于50%則仍是以碳還原為基礎(chǔ)。實際應(yīng)用過程中，氫含量高將提高還原效率，今后要達(dá)到全氫水平，在技術(shù)上和材料上應(yīng)該都沒有特別大的障礙。

《研究》進(jìn)一步指出，氫能規(guī)模化、安全、經(jīng)濟(jì)儲運是另一個關(guān)鍵因素。目前運氫方式最為成熟的是采用高壓長管拖車，低溫液氫運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備技術(shù)已實現(xiàn)國產(chǎn)化。陳瑜指出，需要注意的是，目前可再生能源分布的區(qū)域沒有足夠的鋼鐵需求量支持，如果以制綠氫作為氫源供應(yīng)氫冶金，需要西氫東輸這樣的配套工程來支持東部沿海區(qū)域鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色化發(fā)展。

尋求更多資金支持

《研究》指出，基于氫的新冶金工藝替代傳統(tǒng)化石能源的生產(chǎn)工藝，所需的工藝流程開發(fā)投資十分巨大。李傳民強(qiáng)調(diào)，氫冶金工程投資大，在鋼鐵行業(yè)盈利能力比較薄弱的情況下，大規(guī)模投資能否取得足夠的經(jīng)濟(jì)效益是行業(yè)面臨的考驗。

同時，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，隨著技術(shù)進(jìn)步，制氫成本逐漸降低，企業(yè)為碳排放支付一定費用時，氫冶金才能顯示出成本優(yōu)勢。《研究》建議，鋼鐵行業(yè)納入全國統(tǒng)一碳市場，統(tǒng)一基準(zhǔn)值，以行業(yè)當(dāng)前的噸鋼碳排放強(qiáng)度為基準(zhǔn)，以各時間節(jié)點減排幅度為目標(biāo)，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)合理地減少免費配額占比。

目前氫冶金技術(shù)處于發(fā)展初期，很多技術(shù)都處于研發(fā)攻關(guān)階段，難以預(yù)計降碳收益。《研究》建議，行業(yè)主管部門就鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳發(fā)展設(shè)計專項財稅政策，針對成熟技術(shù)、前沿技術(shù)分別設(shè)定考核指標(biāo)，給予氫冶金及其他前沿顛覆性技術(shù)的研發(fā)和試點在信貸總量、支持方式和利率上更多支持。

鐘紹良強(qiáng)調(diào)，事實上，在歐洲、日韓等國家和地區(qū)，氫冶金行業(yè)初期發(fā)展得到政府和金融機(jī)構(gòu)大力支持，目前國內(nèi)幾乎沒有專項資金支持，因此在盡快將鋼鐵行業(yè)納入全國統(tǒng)一碳交易市場的同時，應(yīng)爭取綠色金融支持。同時，可以建立氫冶金發(fā)展聯(lián)盟，聯(lián)合制氫、儲氫、用氫單位及金融機(jī)構(gòu)，共同研究攻堅氫冶金技術(shù)。