从碳到氢，钢铁行业双碳之路风头正劲
2023-08-03 09:16:57   来源： ()　   评论：0 点击：

随着我国钢材消费进入平稳期，对应的钢铁产出也会进入平稳甚至是减量时期。对于钢铁行业来说，面临最大的挑战是碳中和。目前，以碳冶金和铁矿石为基础的高炉—转炉长流程在我国钢铁产业结构中占主导地位。其中，高炉炼铁是二氧化量最大的工序，约占整个钢铁生产流程二氧化碳排放总量的70%~90%。因此，要想实现碳中和，对传统的碳冶金技术进行革新是必由之路。氢能被视为最具发展潜力的，将氢气用于钢铁生产的变革性技术——氢冶金，是钢铁产业优化能源结构、实现碳中和的最有效途径之一。

日前，自然资源保护协会（NRDC）发布了《面向碳中和的氢冶金发展战略研究》（以下简称《报告》），提出了从现阶段到2060年我国氢冶金发展的路线图。

顶层设计已明确氢冶金发展方向

对于如何支持和发展氢冶金，国家早已经进行了顶层设计。2022年3月23日，国家发展改革委发布的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》提出，逐步探索工业领域氢的替代应用，不断提升氢能利用经济性，拓展清洁低碳氢能在化工行业的替代应用空间。2022年2月7日，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》，提出将制订氢冶金行动方案，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。工信部、国家发展改革委、生态环境部发布的《工业领域碳达峰实施方案》也提出，要推动绿色低碳技术研发取得重大突破：部署工业低碳前沿技术研究，实施低碳零碳工艺流程再造工程，研究实施氢冶金行动计划；布局“减碳去碳”基础零部件、基础工艺、关键基础材料、低碳颠覆性技术研究，突破推广一批高效储能、能源电子、氢能、碳捕集利用封存、温和条件二氧化碳资源化利用等关键核心技术。2022年生态环境部牵头出台的《减污降碳协同增效实施方案》也强调，要加强协同技术研发应用，加强氢能冶金等技术试点应用，加强减污降碳协同增效基础科学和机理研究，在大气污染防治、碳达峰碳中和等国家重点研发项目中设置研究任务，建设一批相关重点实验室，部署实施一批重点创新项目。

从行业的角度看，2022年8月份，中国钢铁工业协会召开了钢铁行业低碳工作推进委员会2022年年会，会上发布的《钢铁行业碳中和愿景和低碳技术路线图》中，提出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这3个目前主要氢冶金技术方向。2021年科技部编制了“双碳”目标下的技术路线，包括减少碳排放和增加碳吸收两条主线。减少碳排放有3条路线，即能源结构调整、重点领域减排和金融减排支持。其中，在能源结构调整方面，主要是减少化石能源使用、提高利用效率和增加清洁能源使用；在重点领域减排方面，氢能冶炼、氧气高炉和非高炉冶炼是制造领域中钢铁冶炼行业减少含碳能源使用的技术路径。

有了国家、行业层面的顶层设计，氢冶金的发展路线越来越明确，以低碳为目标的氢冶金风头正劲。

当前氢冶金主流方向

目前，全世界主要钢铁生产国都在致力于探索“以氢代碳”的氢冶金技术，并在“以气代焦”的技术基础上，逐渐提高还原气中氢气的比例，推动富氢还原逐步向全氢还原工艺发展。目前主流的氢冶金技术路线为高炉富氢冶炼、氢基直接还原、氢基熔融还原3种。

高炉富氢冶炼是向高炉内喷吹焦炉煤气或天然气等富氢气体进行辅助冶炼。目前该还原技术趋于成熟并得以工业化应用。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，被认为是现阶段从碳冶金到氢冶金的重要过渡路线。一般认为，高炉富氢还原的潜在碳减排幅度为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（所谓“灰氢”）。焦炉煤气是炼焦工序的副产气体，氢气含量在60%以上。长流程炼钢自身就可以在炼焦过程生产足够的氢气支撑其富氢冶金，所以不会额外增加碳排放。随着绿氢（可再生能源或其他非化石能源制氢）制备规模化和成本的持续降低，高炉富氢冶炼也可以逐步使用更多的绿氢。

《报告》认为，氢基直接还原技术有望在2040年后大规模推广，先决条件是绿氢产业链的发展，包括绿色、经济、大规模氢源的获取，氢气长距离的安全储存运输，氢源供需的合理配置等。

在高炉富氢冶炼方面，目前主要有日本于2008年启动的环境和谐型炼铁工艺技术开发项目（COURSE50）、韩国于2017年12月份启动的“以高炉副产煤气制备氢气实现碳减排技术”（COOLSTAR）课题、德国钢铁公司于2019年启动的“以氢代煤”项目、中国宝武以新疆八钢原有高炉为基础的富氢碳循环氧气高炉（HyCROF）以及兴国精密与上海大学合作开发的氢冶金低碳技术研发系统。

在氢基直接还原方面，目前主要有日本神户制钢基于MIDREX（直接还原炼铁法）工艺的氢直接还原铁项目、瑞典钢铁公司的突破性氢能炼铁（HYBRIT）竖炉项目、德国萨尔茨吉特公司（Salzgitter）的名为SALCOS的低碳炼钢改造项目，以及中国的河钢氢冶金示范项目、中晋冶金竖炉项目（CSDRI）、中国宝武湛江氢基竖炉项目。

此外，在氢基熔融还原方面，目前主要有奥地利联合钢铁集团的名为H2FUTURE的绿氢项目、中国建龙集团在内蒙古乌海的赛思普科技氢基熔融还原流程（CISP）项目。

国内外氢冶金探索实践及最新进展

中国钢铁行业对氢冶金技术进行了大量研究和探索，覆盖了高炉富氢、氢基直接还原、氢基熔融还原等主流技术，且在理论和实践上都已取得了显著进展。值得一提的是，以氢作为大工业生产能源应用的第一例——河钢全球首例120万吨氢冶金示范工程，实现安全顺利连续生产绿色DRI（直接还原铁）产品，可作为高端材料制造高品质洁净原料，标志着工程一期取得圆满成功。该工程在全球首次采用了以焦炉煤气为还原气体的高压竖炉零重整氢冶金技术，工艺气体中氢碳比高达8∶1以上，绿色高纯直接还原铁金属化率达到94%以上，达到国际一类标准，相比同等高炉长流程生产每年可减少二氧化碳排放80万吨，减排比例达到70%。

此外，宝武八钢全氧富氢碳循环高炉在400立方米试验炉上进行试验性研究，目前已经取得重大突破。今年6月份，发布了相应报告，预计该技术将在其2500立方米高炉上应用，实现阶段性减碳18%的目标。中国钢铁行业在氢冶金技术领域的实践为推动整个行业技术进步，乃至全球钢铁行业低碳转型都做出了突出的贡献。

从国外来看，目前氢冶金技术进展较快。早在2004年，欧盟就设立ULCOS（超低二氧化碳炼钢）项目，目标是使欧盟吨钢二氧化碳排放量降低至少50%，包括高炉炉顶煤气循环（TGRBF）、先进直接还原工艺（ULCORED）、新兴熔融还原工艺（Hisarna）和电解铁矿石工艺4个技术路线。2008年，日本启动COURSE50项目，关键技术是以氢代碳还原炼铁法、二氧化碳分离和回收。2016年瑞典发起钢铁工业零碳排放倡议，开始推进氢基直接还原铁HYBRIT项目建设，用氢气替代高炉用煤粉和焦炭。

在2023年6月13日—16日举行的第六届欧洲钢铁技术与应用日（ESTAD）与国际冶金技术展（METEC）上，相关钢铁企业和研究机构介绍了低碳冶金工艺技术研发的最新进展。

●蒂森克虏伯的氢基直接还原工艺：在直接还原铁厂中使用氢气将铁矿石还原为海绵铁，然后通过熔炼炉生产出铁水。

●萨尔茨吉特SALCOS项目：使用采用新能源的直接还原设备，将氢和甲烷作为还原剂，排放的是水和二氧化碳，并使用DRI对接EAF（电弧炉）和二次精炼的工艺路线。

●塔塔钢铁艾默伊登厂的清洁、绿色和循环生产流程：塔塔钢铁通过环境路线图和H2eraCless项目，在环保、绿色氢基炼钢，副产物内部处理及循环利用，增加废钢用量等方面进行了研究。

●浦项氢基炼铁工艺：浦项开发了名为HyREX的工艺，基于流化床反应器生产直接还原铁。通过氢气还原反应，可以将铁矿石还原为高金属化率的直接还原铁。HyREX工艺中氢气的使用量为25%，其他气体如一氧化碳的使用量为75%。浦项通过氢气的循环利用来提高工艺效率和能源利用率，废气中的氢气被回收并被再利用，降低了对新氢气的需求，并减少了能源消耗。

●瑞典H2 Green Steel项目：H2 Green Steel项目于2021年成立，计划于2025年在瑞典博登投产。该项目将利用瑞典北部的可再生电力、大规模的绿色氢电解装置、直接还原竖炉和现代化钢铁厂，生产高端绿色钢材。该项目计划在2026年将产能提升至250万吨/年，项目二期将产能扩大至500万吨/年。

●达涅利推动钢铁生产转型，实现零排放：通过使用天然气/氢基工艺及CCUS（碳捕获、利用与封存）技术实现碳减排；下一代高炉和转炉厂采用可持续技术，如高效冷却和过滤系统、顶燃热风系统、智能自动化和网络化控制系统；ENERGIRON工艺技术在直接还原铁的质量和碳排放方面已取得重要突破，单一工厂产能规模可达250万吨/年，适用于任何还原气体的工艺方案。

●西马克集团：包括利用氢气进行直接还原、向现有高炉注入氢气或热合成气体以减少碳排放、回收利用金属材料等；运用数字化工具和方法，扩展客户服务，并显著减少整个工厂的能源消耗；实施H2 Green Steel项目，100%使用氢气生产直接还原铁；开发新型高炉，这种新型高炉具有高达70%的二氧化碳减排潜力。

氢冶金之路任重道远

《报告》经过研究认为，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之一。

首先，要想实现“以氢代碳”的富氢或全氢冶金，大规模经济化的氢源是基础。《氢能产业发展中长期规划（2021年—2035年）》提出氢能的发展目标：到2025年，可再生能源制氢量达到10万吨/年~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。

目前我国氢气产量约为3300万吨/年，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为20%。通过使用可再生能源制造绿氢，例如通过多种可再生能源互补进行电解水制氢，全过程没有碳排放，是未来的发展方向。但是目前这种制氧方法的成本高、技术壁垒高，仅处于示范性工程的导入阶段。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。

其次，氢能规模化、安全、经济储运是另一个关键因素。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，满足短途运氢需求。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。天然气掺混氢气运输方式，与新建纯氢输氢管道相比更具经济性，值得关注。未来，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，有助于解决地域分布不平衡的问题。

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，氢冶金才能显示出成本优势。若按电解1000立方米的绿氢需要耗电4500千瓦时、电力成本占总成本70%的情况，测算碳冶金和氢冶金成本相当时的绿氢和绿电价格（如表所示），要达到冶炼成本平衡点（1337.2元/吨），绿氢价格需要低于15.02元/千克、绿电价格需要低于0.208元/千瓦时，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。提高碳排放成本是推动氢冶金发展的关键，碳价过低，无法为减排提供足够动力。

基于上述分析，《报告》基于国家“双碳”目标，综合考虑2060年钢产量变化趋势、钢协发布的钢铁行业碳中和愿景、国内外氢冶金技术研发进度、氢能产业发展前景、碳冶金与氢冶金生产成本，并结合我国废钢资源供给等因素提出了我国发展氢冶金的路线。

第一阶段：现在到2030年

集中开展高炉富氢冶炼技术和纯氢基直接还原技术攻关，并配备相应的软硬件设施；争取高炉富氢技术研发取得突破性成果，开展高炉富氢冶炼技术示范项目；有条件的钢铁企业应率先开展高炉喷氢改造，富氢高炉产能在我国钢产能中的占比达到15%；深化焦化行业供给侧结构性改革，取消焦化产能转移限制，以市场化为原则，按钢焦比0.4向钢铁企业配置焦化产能；改造焦炉，增加氢制备装置，为下一步高炉富氢冶炼技术应用打下基础；有条件的氢冶金示范项目应尽量使用绿氢。

第二阶段：2030年到2040年

集中进行纯氢基直接还原技术攻关，实现氢基直接还原装备国产化、大型化；纯氢直接还原技术研发取得突破性成果，开展纯氢直接还原技术示范项目；随着国家氢能产业体系初步形成，氢源供应量增长，用氢成本显著下降，大力推广高炉富氢冶炼技术，加快富氢高炉技术改造，自产氢应用尽用，富氢高炉产能占比超过60%；全面完成自有焦炉的氢制备装置改造，有条件的钢铁企业适度发展可再生能源发电及绿氢制备项目，尽可能增加自有氢供应量，力争绿氢在钢铁行业需氢总量占比达到30%以上。

第三阶段：2040年到2050年

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%；随着高炉用焦量减少，焦炭产量下降，自有氢产量相应减少，需要大量的外部绿氢补充供应，绿氢供应量占钢铁产业需氢总量的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；全面完成富氢高炉改造；有条件的钢铁企业发展、应用CCUS技术。

第四阶段：2050年到2060年

进一步提升“竖炉+绿电电炉”短流程钢产量占比，最终形成“纯氢基竖炉+绿电电炉”短流程钢产量占比35%、“富氢高炉（广泛应用CCUS技术）+转炉”长流程钢产量占比15%、全废钢绿电电炉钢产量占比50%的生产工艺结构。届时，钢铁行业碳排放量约为1亿吨/年，需要进一步推进CCUS技术应用或通过碳汇实现碳中和目标。