林圣華

(國(guó)家能源集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市昌平區(qū)，102211)

隨著人類(lèi)工業(yè)社會(huì)的快速發(fā)展，由碳排放引起的溫室效應(yīng)日漸嚴(yán)重，冰川融化、極端天氣等氣候問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)始對(duì)人類(lèi)生存產(chǎn)生威脅，世界各國(guó)減碳降碳刻不容緩。在全球氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，各國(guó)都高度重視無(wú)碳和低碳能源的開(kāi)發(fā)利用。我國(guó)在國(guó)際社會(huì)上提出了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)，需要全社會(huì)為之努力。在鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要使用大量的碳作為還原劑，因此也會(huì)造成大量碳排放。當(dāng)前，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)年碳排放量超過(guò)22億t[1]，是我國(guó)碳排放重點(diǎn)行業(yè)。在“雙碳”和可持續(xù)發(fā)展的雙重目標(biāo)加持下，鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)需要進(jìn)一步探索并通過(guò)低碳技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)行業(yè)高質(zhì)量、低碳和清潔化發(fā)展。氫能作為新興戰(zhàn)略能源，具有零污染、高能量、來(lái)源豐富、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，可以成為促進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要技術(shù)方向[2]。

1 鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，對(duì)完善國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)支撐、保障國(guó)家安全、提升國(guó)際地位有著極其重要的作用。但由于對(duì)煤炭資源的需求占據(jù)著主導(dǎo)地位，鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)成為碳排放的主要部門(mén)之一。

公開(kāi)資料顯示，全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)每年的碳排放量約占全球溫室氣體排放總量的3%～4%，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放量的15%[3]，占全球鋼鐵工業(yè)碳排放量的60%以上，因此降低碳排放一直是我國(guó)鋼鐵企業(yè)的重要任務(wù)。此外，鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)中的燒結(jié)、煉焦生產(chǎn)過(guò)程將產(chǎn)生廢水、硫化物、氮化物、一氧化碳和二惡英等有害物質(zhì)，環(huán)境污染嚴(yán)重[4]。

為降低鋼鐵產(chǎn)業(yè)的碳排放，各國(guó)均在積極探索相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用。歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的鋼鐵企業(yè)均制定了包括氫冶金在內(nèi)的低碳冶金技術(shù)路線，加快了技術(shù)研發(fā)、示范和應(yīng)用。

我國(guó)《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級(jí)規(guī)劃(2016-2020年)》要求在“十三五”期間能源消耗總量和污染物排放總量分別下降10%和15%以上。此外，《鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰及降碳行動(dòng)方案》已完成初稿，初步確定了鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。2025年前，鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰；到2030年，鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放量較峰值降低30%，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)碳減排4.2億t。鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰和降碳行動(dòng)的主要舉措包括推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)布局、節(jié)能及提升能效、優(yōu)化電能結(jié)構(gòu)及流程結(jié)構(gòu)、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈以及應(yīng)用突破性低碳技術(shù)。我國(guó)相關(guān)大型鋼鐵企業(yè)如寶武集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)、河鋼集團(tuán)也發(fā)布了碳減排目標(biāo)和低碳冶金路線圖，積極聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)部署和開(kāi)展相關(guān)技術(shù)探索和研究，并通過(guò)開(kāi)展低碳冶金示范項(xiàng)目推進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳減排。

其中，氫冶金成為實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展最重要的技術(shù)路徑。氫冶金是指利用氫氣生產(chǎn)海綿鐵的氣基直接還原工藝或其他富氫冶金技術(shù)。傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝無(wú)法規(guī)避產(chǎn)生的二氧化碳，而氫冶金工藝以其環(huán)保零排放的特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注，碳冶金和氫冶金化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

碳冶金：

2Fe2O3+ 3C = 4Fe + 3CO2

(1)

氫冶金：

Fe2O3+ 3H2= 2Fe + 3H2O

(2)

由式(1)和式(2)可知，碳冶金還原劑是C，最終產(chǎn)物是CO2，從生產(chǎn)工藝上無(wú)法避免碳排放[5]。而氫冶金還原劑為H2，最終產(chǎn)物是H2O，不僅無(wú)污染，還可以進(jìn)行二次利用，真正做到零碳排放。將氫代替碳作為高爐還原劑，可減少或完全避免鋼鐵生產(chǎn)中的碳排放，是非常重要的碳減排技術(shù)，將對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)生產(chǎn)工藝帶來(lái)革命性變革[6]。從環(huán)境保護(hù)角度來(lái)看，推進(jìn)氫冶金發(fā)展，進(jìn)一步替代碳冶金，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的最佳選擇[7]。

2 氫冶金技術(shù)路線

氫冶金是鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑之一，目前研發(fā)熱點(diǎn)主要集中在富氫還原高爐工藝和氫氣氣基直接還原豎爐工藝。

2.1 富氫還原高爐工藝

富氫還原高爐工藝即通過(guò)噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣等富氫氣體參與煉鐵過(guò)程。相關(guān)試驗(yàn)表明，富氫還原高爐工藝在一定程度上能夠通過(guò)加快爐料還原，從而減少碳排放[8]，但由于該工藝基于傳統(tǒng)高爐，焦炭的骨架作用無(wú)法被完全替代，因此氫氣噴吹量存在極限值，一般認(rèn)為高爐富氫還原的碳減排范圍處于10%～20%之間，減排效果不夠明顯。富氫還原高爐工藝流程如圖1所示。

圖1 富氫還原高爐煉鐵工藝流程[9]

富氫還原高爐工藝相關(guān)化學(xué)方程式如下：

Fe2O3+ 3H2= 2Fe + 3H2O

(3)

Fe2O3+ 3CO = 2Fe + 3CO2

(4)

CH4+ H2O = CO + 3H2

(5)

CH4+ CO2= 2CO + 2H2

(6)

2.2 氫氣氣基直接還原豎爐工藝

氣基直接還原豎爐工藝即通過(guò)使用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑，將鐵礦石直接還原為鐵，再將其投入電爐進(jìn)行進(jìn)一步冶煉。根據(jù)還原氣氛中氫的含量，可分為富氫冶金和全氫冶金：焦?fàn)t煤氣氣基豎爐直接還原鐵為富氫冶金，全氫冶金為100%氫氣冶金。相較于富氫還原高爐工藝，氣基直接還原豎爐工藝碳排放量可減少50%以上[10]。

對(duì)比2種工藝，富氫還原高爐減碳幅度為10%～20%，效果有限；氣基直接還原豎爐工藝是直接還原技術(shù)，不需要煉焦、燒結(jié)、煉鐵等環(huán)節(jié)，能夠從源頭控制碳排放，相較于高爐富氫還原減碳幅度可達(dá)50%以上，減排潛力較大，是迅速擴(kuò)大直接還原鐵生產(chǎn)的有效途徑。但氣基豎爐存在吸熱效應(yīng)強(qiáng)、入爐氫氣量增大、生產(chǎn)成本升高、還原速率下降、產(chǎn)品活性高和難以鈍化運(yùn)輸?shù)戎T多問(wèn)題。無(wú)論是高爐煉鐵還是氣基豎爐直接還原煉鐵，采用氫冶金方式均有著明顯的減碳作用。在世界鋼鐵冶金的發(fā)展中，氣基豎爐還原工藝生產(chǎn)的鐵約占鋼鐵產(chǎn)量的80%[11]，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)綠色發(fā)展的主要方向。

3 國(guó)內(nèi)外氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外在氫冶金方面的應(yīng)用相對(duì)較早，相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目也較多，日本、德國(guó)、瑞典、奧地利等國(guó)家率先進(jìn)行了大量的氫冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)和示范應(yīng)用；隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)碳排放的逐步增加，相關(guān)企業(yè)也開(kāi)始著手布局氫冶金，寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、酒鋼集團(tuán)、天津榮程集團(tuán)、中晉太行、建龍集團(tuán)等相繼開(kāi)展相關(guān)氫冶金的研究及項(xiàng)目建設(shè)。

3.1 國(guó)外氫冶金發(fā)展態(tài)勢(shì)

近年來(lái)，全球鋼鐵工業(yè)都在積極開(kāi)展氫冶金實(shí)踐。歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的鋼鐵企業(yè)均制定了包括氫冶金在內(nèi)的低碳冶金技術(shù)路線圖，并加快研發(fā)、試驗(yàn)和應(yīng)用，尋求工藝技術(shù)突破以實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[12-13]。整體上，國(guó)外氫冶金技術(shù)相對(duì)成熟。日本是最早用氫氣進(jìn)行煉鐵嘗試的國(guó)家，早在2008年日本啟動(dòng)了環(huán)境和諧型煉鐵項(xiàng)目(COURSE50)，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)煉鐵工藝二氧化碳排放量減少30%；隨后，瑞典、奧地利、德國(guó)等歐洲國(guó)家相繼開(kāi)展了氫冶金項(xiàng)目，研發(fā)熱點(diǎn)主要有富氫還原高爐煉鐵和氫氣氣基豎爐直接還原工藝。國(guó)外氫冶金代表性項(xiàng)目發(fā)展情況見(jiàn)表1，目前全球已經(jīng)有多個(gè)氫冶金技術(shù)案例，并在具體實(shí)踐中取得了階段性成果。

表1 國(guó)外氫冶金代表性項(xiàng)目情況

3.2 國(guó)內(nèi)氫冶金發(fā)展態(tài)勢(shì)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)作為支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)之一，是“雙碳”目標(biāo)下工業(yè)綠色發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)。近年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策支持并推進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展，氫冶金為重要的支持方向之一。2021年4月，工信部印發(fā)《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》，提出退出配套燒結(jié)、焦?fàn)t、高爐等設(shè)備并建設(shè)氫冶金和Corex、Finex、HIsmelt等非高爐煉鐵項(xiàng)目的煉鐵產(chǎn)能，可實(shí)施等量置換；2022年1月，工信部、國(guó)家發(fā)展改革委和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出到2025年，氫冶金、低碳冶金等先進(jìn)工藝技術(shù)取得突破進(jìn)展，支持建立低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟，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；2022年2月，國(guó)家發(fā)展改革委、工信部、生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南》，提出重點(diǎn)圍繞富氫冶煉、氫冶煉等低碳技術(shù)開(kāi)展產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)示范。

隨著氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱度持續(xù)升溫，鋼鐵產(chǎn)業(yè)成為氫能應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)方向。2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》，提出開(kāi)展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，探索氫冶金示范應(yīng)用。鋼鐵產(chǎn)業(yè)開(kāi)展用氫示范，相關(guān)研發(fā)、設(shè)計(jì)和配套裝備制造的熱情明顯提升。目前，國(guó)內(nèi)多個(gè)鋼鐵企業(yè)在氫冶金方向進(jìn)行了戰(zhàn)略布局，通過(guò)聯(lián)合科研單位等方式，科學(xué)推進(jìn)多種氫冶金技術(shù)生產(chǎn)項(xiàng)目試點(diǎn)。其中，寶武集團(tuán)于2021年11月發(fā)布了《寶武集團(tuán)碳中和行動(dòng)方案》，公布了以富氫碳循環(huán)高爐和氫基豎爐為主要工藝路線的碳中和冶金技術(shù)路線圖；河鋼集團(tuán)于2022年3月發(fā)布《低碳發(fā)展技術(shù)路線圖》，提出低碳技術(shù)變革路徑具體措施為氫冶金和CCUS技術(shù)應(yīng)用。整體上，我國(guó)布局氫冶金的相關(guān)鋼鐵企業(yè)主要包括寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、酒鋼集團(tuán)、天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)、中晉太行煉化公司、建龍集團(tuán)等，具體見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)氫冶金相關(guān)項(xiàng)目情況

目前，我國(guó)氫冶金發(fā)展尚處于起步階段，各項(xiàng)技術(shù)正處于試點(diǎn)示范中，多家企業(yè)已將氫冶金作為發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行布局，但離規(guī)?；陌l(fā)展和應(yīng)用仍有著很大距離。隨著我國(guó)支持氫冶金發(fā)展相關(guān)政策的陸續(xù)出臺(tái)和支持體系的逐步完善，以及各大企業(yè)氫冶金項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)氫冶金將迎來(lái)快速發(fā)展并為我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)節(jié)能減排做出重大貢獻(xiàn)。

4 氫冶金的競(jìng)爭(zhēng)力分析

(1)鋼鐵冶金用氫代碳，長(zhǎng)遠(yuǎn)看經(jīng)濟(jì)性可期。用氫氣代替煤炭用于鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)，工藝變換中成本占比最大是還原劑本身。經(jīng)計(jì)算，生產(chǎn)1 t生鐵需要601 Nm3氫氣，補(bǔ)償吸熱反應(yīng)需要67 Nm3氫氣，加熱融化島1 600 ℃需要85 Nm3氫氣，按照75%熱效率計(jì)算，生產(chǎn)1 t生鐵最終需要的氫氣量為1 000 Nm3。而傳統(tǒng)工藝，生產(chǎn)1 t生鐵需要300 kg焦炭和200 kg煤粉。按照當(dāng)前的煉焦成本估算，鋼鐵產(chǎn)業(yè)用氫替代碳進(jìn)行還原可接受的氫氣成本為0.65元/Nm3。當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤制氫成本約0.83～1.13元/Nm3，國(guó)內(nèi)泰鋼、鞍鋼等集團(tuán)利用焦?fàn)t煤氣通過(guò)變壓吸附和提純后的氫氣成本為1元/Nm3，該成本價(jià)格雖然大于成本平衡價(jià)格，但已較為接近，隨著制氫技術(shù)不斷發(fā)展，氫氣價(jià)格將進(jìn)一步降低，逐漸縮小與平衡成本之間的差距，因此用氫氣替代煤炭作為鋼鐵冶金還原劑具備較大的經(jīng)濟(jì)性潛力[14]。

(2)鋼鐵企業(yè)氫氣資源豐富。由于鋼廠本身的生產(chǎn)需求或副產(chǎn)氣體處理需求，大型鋼鐵企業(yè)均擁有獨(dú)立的氣體生產(chǎn)工廠。如沙鋼集團(tuán)氫氣產(chǎn)能為1 400 t/a，氫氣純度達(dá)99.999%；河鋼集團(tuán)焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量達(dá)33萬(wàn)Nm3/h，按氫氣含量55%計(jì)算，約可年產(chǎn)16億Nm3氫氣，氫氣純度達(dá)99.999%；寶鋼集團(tuán)在華東地區(qū)擁有完善的高純氫生產(chǎn)和配送網(wǎng)絡(luò)，擁有1.8萬(wàn)Nm3/h制氫能力及10萬(wàn)Nm3/h的工業(yè)氫資源。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，未來(lái)用氫氣替代煤炭作為還原劑進(jìn)行煉鋼，從成本經(jīng)濟(jì)性和資源便利性方面都具備較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 氫冶金發(fā)展存在的問(wèn)題

(1)氫能在鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)的應(yīng)用在我國(guó)仍處于起步階段。對(duì)比國(guó)外項(xiàng)目，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)在用氫氣替代煤炭作為還原劑方面起步較晚，盡管氫冶金已經(jīng)開(kāi)始受到了越來(lái)越多的關(guān)注，但國(guó)內(nèi)整體上在該領(lǐng)域仍處于起步和技術(shù)研究階段。在富氫還原高爐煉鐵工藝和氫氣氣基豎爐直接還原工藝方面，我國(guó)在理論基礎(chǔ)、技術(shù)積累以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面與國(guó)外均存在一定差距。主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：一是缺乏在低碳冶金工藝爐內(nèi)反應(yīng)機(jī)理和爐料特性變化理論方面的研究；二是氫還原為高溫環(huán)境(大于850 ℃)，我國(guó)在耐高溫材料以及高溫環(huán)境下的氫安全如防爆、防漏等方面缺乏相關(guān)基礎(chǔ)研究[15]；三是缺乏與低碳冶金相配套的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝控制技術(shù)；四是國(guó)內(nèi)部分氫冶金技術(shù)已建成示范工程并投產(chǎn)，取得一定創(chuàng)新突破，但各項(xiàng)示范工程尚處于工業(yè)性試驗(yàn)階段，離真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還存在較大距離。

(2)短期內(nèi)氫氣作為還原劑成本仍較高。煉鋼需要大量的高純度、低成本氫氣，目前氫氣成本仍然較高，短期內(nèi)很難降低到可滿足以氫代煤可接受的氫氣成本。此外，更為重要的是，目前全球超過(guò)95%的氫氣來(lái)自天然氣、煤炭等化石能源制氫，每生產(chǎn)1 t氫氣，以天然氣為原料時(shí)將產(chǎn)生9～12 t碳排放，以煤炭為原料時(shí)將產(chǎn)生約22 t碳排放，在當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型及“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，此類(lèi)制氫工藝不可持續(xù)。通過(guò)可再生能源電解水制氫才是未來(lái)鋼鐵產(chǎn)業(yè)氫冶金工藝的重要途徑，而當(dāng)前綠氫制造成本相比化石能源制氫更為高昂，若按照電價(jià)0.25元/(kW·h)計(jì)算，綠氫成本價(jià)格約為1.5元/Nm3，遠(yuǎn)大于0.65元/Nm3的成本平衡價(jià)格。

(3)缺乏頂層設(shè)計(jì)和政策支持。政策引領(lǐng)和技術(shù)支持是氫冶金技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要的兩大因素。當(dāng)前，國(guó)家層面已出臺(tái)的涉及氫冶金方面的政策相對(duì)比較宏觀，缺乏與氫冶金配套的專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃、政策體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、安全規(guī)范等細(xì)分政策，導(dǎo)致難以持續(xù)匹配良好的資源配置和有效投入，因此無(wú)法支撐氫冶金科技創(chuàng)新、技術(shù)突破以及示范應(yīng)用的循序漸進(jìn)和高質(zhì)量發(fā)展。

6 氫冶金發(fā)展趨勢(shì)展望

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，作為碳交易市場(chǎng)的主要目標(biāo)產(chǎn)業(yè)和核心參與者，鋼鐵產(chǎn)業(yè)和鋼鐵企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。在此進(jìn)程中，以氫氣部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)以碳為主的冶金工藝，可從根本上解決現(xiàn)有冶金工藝的能源結(jié)構(gòu)和高排放問(wèn)題，是當(dāng)前鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展、能源變革的重要方向。其中，對(duì)比傳統(tǒng)“高爐-轉(zhuǎn)爐”鋼鐵長(zhǎng)流程，氫為主要還原劑的氫冶金可以加速鋼鐵短流程取代鋼鐵長(zhǎng)流程的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)超低碳或無(wú)碳排放，且產(chǎn)品純凈度高，可以生產(chǎn)各種高溫合金、耐熱合金、精密合金等航空航天、軍工和民用等高端高附加值材料的基材，我國(guó)氫冶金的發(fā)展路線如圖2所示。

圖2 氫冶金發(fā)展路線

在我國(guó)未來(lái)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，氫冶金將作為重要的技術(shù)手段之一，將有力促進(jìn)鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排，逐步推動(dòng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。下一步，建議大力探索發(fā)展低成本電解水制氫以及核能制氫等新型技術(shù)，降低氫氣成本，發(fā)展“綠氫+冶金”的鋼鐵冶金低碳路線；此外，應(yīng)積極探索相關(guān)配套機(jī)制，如碳稅及氫氣價(jià)格補(bǔ)貼，按階段引導(dǎo)并推進(jìn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)氫利用的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化。未來(lái)，隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟和配套政策的完善，我國(guó)氫冶金將形成以富氫還原高爐、氣基直接還原豎爐工藝作為主要技術(shù)路線，各項(xiàng)示范項(xiàng)目應(yīng)用持續(xù)推進(jìn)，氫冶金技術(shù)研究和實(shí)踐應(yīng)用融合發(fā)展的新局面。

7 結(jié)論

全球鋼鐵工業(yè)每年碳排放量約占全球溫室氣體排放總量的3%～4%，我國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放量的15%，占全球鋼鐵工業(yè)碳排放量的60%以上，從技術(shù)路線上看，氫冶金是鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展最具潛力的技術(shù)路線之一。同時(shí)，通過(guò)氫冶金技術(shù)應(yīng)用示范以及與氫能產(chǎn)業(yè)的有效結(jié)合，可有力促進(jìn)鋼鐵企業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展。

(1)各國(guó)鋼鐵企業(yè)積極推進(jìn)氫冶金技術(shù)應(yīng)用。歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)的鋼鐵企業(yè)均制定了包括氫冶金在內(nèi)的低碳冶金技術(shù)路線圖，并積極推進(jìn)示范應(yīng)用。全球代表性的氫冶金項(xiàng)目包括瑞典酐鐵HYBRIT項(xiàng)目、薩爾茨吉特SALCOS項(xiàng)目、奧鋼聯(lián)H2FUTURE項(xiàng)目、德國(guó)蒂森克虜伯Carbon2Chem項(xiàng)目、寶武集團(tuán)湛江百萬(wàn)噸級(jí)氫基豎爐項(xiàng)目、河鋼張宣高科120萬(wàn)t/a氫冶金項(xiàng)目等，以上項(xiàng)目均已取得階段性成果。

(2)氣基直接還原豎爐為未來(lái)主要路線。氫冶金技術(shù)路線主要包括富氫還原高爐和氫氣氣基豎爐直接還原工藝。富氫還原高爐工藝碳減排范圍處于10%～20%之間，減排效果不夠明顯。氣基直接還原豎爐工藝相較富氫還原高爐工藝，碳排放量可減少50%以上，減排潛力相對(duì)較大。在世界鋼鐵冶金的發(fā)展中，氣基豎爐還原工藝生產(chǎn)的鐵約占鋼鐵產(chǎn)量的80%，是鋼鐵冶金的主要發(fā)展方向。我國(guó)寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、中晉太行等企業(yè)均采用氣基直接還原豎爐工藝開(kāi)展氫冶金研究并建設(shè)示范項(xiàng)目。

(3)氫冶金技術(shù)尚未成熟，綠氫冶金為重要方向。雖然氫冶金技術(shù)應(yīng)用可大幅度降低鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放并受到各國(guó)鋼鐵企業(yè)的關(guān)注，相關(guān)示范項(xiàng)目也在有序推進(jìn)。但整體上，氫冶金發(fā)展尚處于發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)外相關(guān)示范項(xiàng)目尤其國(guó)內(nèi)示范項(xiàng)目投運(yùn)時(shí)間短，處于工業(yè)性試驗(yàn)階段，相關(guān)技術(shù)研究、材料設(shè)備制備均在不斷探索中，且缺乏頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性政策支持，離真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還存在較大距離。此外，綠氫將是未來(lái)氫冶金應(yīng)用的主要原料，但綠氫產(chǎn)業(yè)在我國(guó)尚處于發(fā)展初期，成本仍然較高，隨著我國(guó)可再生能源電力成本的進(jìn)一步降低以及相關(guān)技術(shù)的突破，疊加未來(lái)碳稅成本，綠氫將實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)焦炭冶金方式相當(dāng)?shù)某杀緝r(jià)格。

(4)氫能助力鋼鐵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量綠色轉(zhuǎn)型。鋼鐵企業(yè)即是產(chǎn)氫企業(yè)，也是用氫單位，氫能與鋼鐵產(chǎn)業(yè)有著天然的協(xié)同促進(jìn)關(guān)系。氫能作為高效、清潔、可持續(xù)的零碳能源，十分契合鋼鐵企業(yè)資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的訴求，通過(guò)協(xié)同、融合發(fā)展可助力鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量綠色轉(zhuǎn)型。一是通過(guò)使用氫冶金技術(shù)代替碳冶金，可大幅度降低鋼鐵產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)工藝碳減排，完成減碳目標(biāo)；二是將氫氣融入鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈中，能夠升級(jí)傳統(tǒng)鋼鐵制造、擴(kuò)大氫氣使用量、有效利用廢鋼并減少鐵礦石的使用量，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈條；三是利用氫能重卡替代柴油重卡進(jìn)行鋼廠物料運(yùn)輸，在大幅度降低鋼鐵產(chǎn)業(yè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)碳排放的同時(shí)，提升了鋼鐵企業(yè)的綠色形象。