隨著我國鋼材消費進入平穩(wěn)期，對應(yīng)的鋼鐵產(chǎn)出也會進入平穩(wěn)甚至是減量時期。對于鋼鐵行業(yè)來說，面臨最大的挑戰(zhàn)是碳中和。目前，以碳冶金和鐵礦石為基礎(chǔ)的高爐—轉(zhuǎn)爐長流程在我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。其中，高爐煉鐵是二氧化碳排放量最大的工序，約占整個鋼鐵生產(chǎn)流程二氧化碳排放總量的70%～90%。因此，要想實現(xiàn)碳中和，對傳統(tǒng)的碳冶金技術(shù)進行革新是必由之路。氫能被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗瑢錃庥糜阡撹F生產(chǎn)的變革性技術(shù)——氫冶金，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)碳中和的最有效途徑之一。

　　日前，自然資源保護協(xié)會（NRDC）發(fā)布了《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡稱《報告》），提出了從現(xiàn)階段到2060年我國氫冶金發(fā)展的路線圖。

　　對于如何支持和發(fā)展氫冶金，國家早已經(jīng)進行了頂層設(shè)計。2022年3月23日，國家發(fā)展改革委發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》提出，逐步探索工業(yè)領(lǐng)域氫的替代應(yīng)用，不斷提升氫能利用經(jīng)濟性，拓展清潔低碳?xì)淠茉诨ば袠I(yè)的替代應(yīng)用空間。2022年2月7日，工信部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出將制訂氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。到2025年，鋼鐵行業(yè)研發(fā)投入強度力爭達到1.5%，氫冶金、低碳冶金等先進工藝技術(shù)取得突破。工信部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》也提出，要推動綠色低碳技術(shù)研發(fā)取得重大突破：部署工業(yè)低碳前沿技術(shù)研究，實施低碳零碳工藝流程再造工程，研究實施氫冶金行動計劃；布局“減碳去碳”基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、低碳顛覆性技術(shù)研究，突破推廣一批高效儲能、能源電子、氫能、碳捕集利用封存、溫和條件二氧化碳資源化利用等關(guān)鍵核心技術(shù)。2022年生態(tài)環(huán)境部牽頭出臺的《減污降碳協(xié)同增效實施方案》也強調(diào)，要加強協(xié)同技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，加強氫能冶金等技術(shù)試點應(yīng)用，加強減污降碳協(xié)同增效基礎(chǔ)科學(xué)和機理研究，在大氣污染防治、碳達峰碳中和等國家重點研發(fā)項目中設(shè)置研究任務(wù)，建設(shè)一批相關(guān)重點實驗室，部署實施一批重點創(chuàng)新項目。

　　從行業(yè)的角度看，2022年8月份，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會召開了鋼鐵行業(yè)低碳工作推進委員會2022年年會，會上發(fā)布的《鋼鐵行業(yè)碳中和愿景和低碳技術(shù)路線圖》中，提出了富氫或全氫的直接還原、富氫碳循環(huán)高爐和氫基熔融還原這3個目前主要氫冶金技術(shù)方向。2021年科技部編制了“雙碳”目標(biāo)下的技術(shù)路線，包括減少碳排放和增加碳吸收兩條主線。減少碳排放有3條路線，即能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、重點領(lǐng)域減排和金融減排支持。其中，在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整方面，主要是減少化石能源使用、提高利用效率和增加清潔能源使用；在重點領(lǐng)域減排方面，氫能冶煉、氧氣高爐和非高爐冶煉是制造領(lǐng)域中鋼鐵冶煉行業(yè)減少含碳能源使用的技術(shù)路徑。

　　有了國家、行業(yè)層面的頂層設(shè)計，氫冶金的發(fā)展路線越來越明確，以低碳為目標(biāo)的氫冶金風(fēng)頭正勁。

　　目前，全世界主要鋼鐵生產(chǎn)國都在致力于探索“以氫代碳”的氫冶金技術(shù)，并在“以氣代焦”的技術(shù)基礎(chǔ)上，逐漸提高還原氣中氫氣的比例，推動富氫還原逐步向全氫還原工藝發(fā)展。目前主流的氫冶金技術(shù)路線為高爐富氫冶煉、氫基直接還原、氫基熔融還原3種。

　　高爐富氫冶煉是向高爐內(nèi)噴吹焦?fàn)t煤氣或天然氣等富氫氣體進行輔助冶煉。目前該還原技術(shù)趨于成熟并得以工業(yè)化應(yīng)用。高爐富氫冶煉由于改造成本較低、富氫氣體易獲取、可操作性強，被認(rèn)為是現(xiàn)階段從碳冶金到氫冶金的重要過渡路線。一般認(rèn)為，高爐富氫還原的潛在碳減排幅度為10%～30%，碳減排潛力有限，并不能實現(xiàn)“近零碳排放”。目前，高爐富氫冶煉的工藝示范通常采用易獲得的富氫焦?fàn)t煤氣或者提純后的氫氣（所謂“灰氫”）。焦?fàn)t煤氣是煉焦工序的副產(chǎn)氣體，氫氣含量在60%以上。長流程煉鋼自身就可以在煉焦過程生產(chǎn)足夠的氫氣支撐其富氫冶金，所以不會額外增加碳排放。隨著綠氫（可再生能源或其他非化石能源制氫）制備規(guī)模化和成本的持續(xù)降低，高爐富氫冶煉也可以逐步使用更多的綠氫。

　　《報告》認(rèn)為，氫基直接還原技術(shù)有望在2040年后大規(guī)模推廣，先決條件是綠氫產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，包括綠色、經(jīng)濟、大規(guī)模氫源的獲取，氫氣長距離的安全儲存運輸，氫源供需的合理配置等。

　　在高爐富氫冶煉方面，目前主要有日本于2008年啟動的環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)項目（COURSE50）、韓國于2017年12月份啟動的“以高爐副產(chǎn)煤氣制備氫氣實現(xiàn)碳減排技術(shù)”（COOLSTAR）課題、德國蒂森克虜伯鋼鐵公司于2019年啟動的“以氫代煤”項目、中國寶武以新疆八鋼原有高爐為基礎(chǔ)的富氫碳循環(huán)氧氣高爐（HyCROF）以及興國精密與上海大學(xué)合作開發(fā)的氫冶金低碳技術(shù)研發(fā)系統(tǒng)。

　　在氫基直接還原方面，目前主要有日本神戶制鋼基于MIDREX（直接還原煉鐵法）工藝的氫直接還原鐵項目、瑞典鋼鐵公司的突破性氫能煉鐵（HYBRIT）豎爐項目、德國薩爾茨吉特公司（Salzgitter）的名為SALCOS的低碳煉鋼改造項目，以及中國的河鋼氫冶金示范項目、中晉冶金豎爐項目（CSDRI）、中國寶武湛江氫基豎爐項目。

　　此外，在氫基熔融還原方面，目前主要有奧地利聯(lián)合鋼鐵集團的名為H2FUTURE的綠氫項目、中國建龍集團在內(nèi)蒙古烏海的賽思普科技?xì)浠廴谶€原流程（CISP）項目。

　　中國鋼鐵行業(yè)對氫冶金技術(shù)進行了大量研究和探索，覆蓋了高爐富氫、氫基直接還原、氫基熔融還原等主流技術(shù)，且在理論和實踐上都已取得了顯著進展。值得一提的是，以氫作為大工業(yè)生產(chǎn)能源應(yīng)用的第一例——河鋼全球首例120萬噸氫冶金示范工程，實現(xiàn)安全順利連續(xù)生產(chǎn)綠色DRI（直接還原鐵）產(chǎn)品，可作為高端材料制造高品質(zhì)潔凈原料，標(biāo)志著工程一期取得圓滿成功。該工程在全球首次采用了以焦?fàn)t煤氣為還原氣體的高壓豎爐零重整氫冶金技術(shù)，工藝氣體中氫碳比高達8∶1以上，綠色高純直接還原鐵金屬化率達到94%以上，達到國際一類標(biāo)準(zhǔn)，相比同等高爐長流程生產(chǎn)每年可減少二氧化碳排放80萬噸，減排比例達到70%。

　　此外，寶武八鋼全氧富氫碳循環(huán)高爐在400立方米試驗爐上進行試驗性研究，目前已經(jīng)取得重大突破。今年6月份，寶鋼股份發(fā)布了相應(yīng)報告，預(yù)計該技術(shù)將在其2500立方米高爐上應(yīng)用，實現(xiàn)階段性減碳18%的目標(biāo)。中國鋼鐵行業(yè)在氫冶金技術(shù)領(lǐng)域的實踐為推動整個行業(yè)技術(shù)進步，乃至全球鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型都做出了突出的貢獻。

　　從國外來看，目前氫冶金技術(shù)進展較快。早在2004年，歐盟就設(shè)立ULCOS（超低二氧化碳煉鋼）項目，目標(biāo)是使歐盟噸鋼二氧化碳排放量降低至少50%，包括高爐爐頂煤氣循環(huán)（TGRBF）、先進直接還原工藝（ULCORED）、新興熔融還原工藝（Hisarna）和電解鐵礦石工藝4個技術(shù)路線。2008年，日本啟動COURSE50項目，關(guān)鍵技術(shù)是以氫代碳還原煉鐵法、二氧化碳分離和回收。2016年瑞典發(fā)起鋼鐵工業(yè)零碳排放倡議，開始推進氫基直接還原鐵HYBRIT項目建設(shè)，用氫氣替代高爐用煤粉和焦炭。

　　在2023年6月13日—16日舉行的第六屆歐洲鋼鐵技術(shù)與應(yīng)用日（ESTAD）與國際冶金技術(shù)展（METEC）上，相關(guān)鋼鐵企業(yè)和研究機構(gòu)介紹了低碳冶金工藝技術(shù)研發(fā)的最新進展。

　　●蒂森克虜伯的氫基直接還原工藝：在直接還原鐵廠中使用氫氣將鐵礦石還原為海綿鐵，然后通過熔煉爐生產(chǎn)出鐵水。

　　●薩爾茨吉特SALCOS項目：使用采用新能源的直接還原設(shè)備，將氫和甲烷作為還原劑，排放的是水和二氧化碳，并使用DRI對接EAF（電弧爐）和二次精煉的工藝路線。

　　●塔塔鋼鐵艾默伊登廠的清潔、綠色和循環(huán)生產(chǎn)流程：塔塔鋼鐵通過環(huán)境路線圖和H2eraCless項目，在環(huán)保、綠色氫基煉鋼，副產(chǎn)物內(nèi)部處理及循環(huán)利用，增加廢鋼用量等方面進行了研究。

　　●浦項氫基煉鐵工藝：浦項開發(fā)了名為HyREX的工藝，基于流化床反應(yīng)器生產(chǎn)直接還原鐵。通過氫氣還原反應(yīng)，可以將鐵礦石還原為高金屬化率的直接還原鐵。HyREX工藝中氫氣的使用量為25%，其他氣體如一氧化碳的使用量為75%。浦項通過氫氣的循環(huán)利用來提高工藝效率和能源利用率，廢氣中的氫氣被回收并被再利用，降低了對新氫氣的需求，并減少了能源消耗。

　　●瑞典H2 Green Steel項目：H2 Green Steel項目于2021年成立，計劃于2025年在瑞典博登投產(chǎn)。該項目將利用瑞典北部的可再生電力、大規(guī)模的綠色氫電解裝置、直接還原豎爐和現(xiàn)代化鋼鐵廠，生產(chǎn)高端綠色鋼材。該項目計劃在2026年將產(chǎn)能提升至250萬噸/年，項目二期將產(chǎn)能擴大至500萬噸/年。

　　●達涅利推動鋼鐵生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)零排放：通過使用天然氣/氫基工藝及CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術(shù)實現(xiàn)碳減排；下一代高爐和轉(zhuǎn)爐廠采用可持續(xù)技術(shù)，如高效冷卻和過濾系統(tǒng)、頂燃熱風(fēng)系統(tǒng)、智能自動化和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)；ENERGIRON工藝技術(shù)在直接還原鐵的質(zhì)量和碳排放方面已取得重要突破，單一工廠產(chǎn)能規(guī)?？蛇_250萬噸/年，適用于任何還原氣體的工藝方案。

　　●西馬克集團：包括利用氫氣進行直接還原、向現(xiàn)有高爐注入氫氣或熱合成氣體以減少碳排放、回收利用金屬材料等；運用數(shù)字化工具和方法，擴展客戶服務(wù)，并顯著減少整個工廠的能源消耗；實施H2 Green Steel項目，100%使用氫氣生產(chǎn)直接還原鐵；開發(fā)新型高爐，這種新型高爐具有高達70%的二氧化碳減排潛力。

　　《報告》經(jīng)過研究認(rèn)為，綠色經(jīng)濟化制氫和安全規(guī)模化用氫是發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵因素之一。

　　首先，要想實現(xiàn)“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規(guī)模經(jīng)濟化的氫源是基礎(chǔ)?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021年—2035年）》提出氫能的發(fā)展目標(biāo)：到2025年，可再生能源制氫量達到10萬噸/年～20萬噸/年；到2030年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系；到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系。

　　目前我國氫氣產(chǎn)量約為3300萬噸/年，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)氫占比約為20%。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進行電解水制氫，全過程沒有碳排放，是未來的發(fā)展方向。但是目前這種制氧方法的成本高、技術(shù)壁壘高，僅處于示范性工程的導(dǎo)入階段。近中期可以充分利用各類工業(yè)產(chǎn)氫，就近消納，降低工業(yè)副產(chǎn)氫供給成本。遠(yuǎn)期的光伏、風(fēng)能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。

　　其次，氫能規(guī)模化、安全、經(jīng)濟儲運是另一個關(guān)鍵因素。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(nèi)運輸，滿足短途運氫需求。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，并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，將成為民用氫能領(lǐng)域的重要運氫方式。天然氣摻混氫氣運輸方式，與新建純氫輸氫管道相比更具經(jīng)濟性，值得關(guān)注。未來，隨著東部等發(fā)達地區(qū)氫氣需求增長，利用西北地區(qū)的可再生電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實現(xiàn)氫氣的大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送，有助于解決中國能源地域分布不平衡的問題。

　　經(jīng)濟性是制約鋼鐵行業(yè)氫冶金推廣發(fā)展的又一關(guān)鍵因素，而影響氫冶金經(jīng)濟性的可變因素主要是氫氣成本及碳排放成本。當(dāng)隨著技術(shù)進步，制氫成本逐漸降低，同時企業(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。若按電解1000立方米的綠氫需要耗電4500千瓦時、電力成本占總成本70%的情況，測算碳冶金和氫冶金成本相當(dāng)時的綠氫和綠電價格（如表所示），要達到冶煉成本平衡點（1337.2元/噸），綠氫價格需要低于15.02元/千克、綠電價格需要低于0.208元/千瓦時，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(yōu)勢。提高碳排放成本是推動氫冶金發(fā)展的關(guān)鍵，碳價過低，無法為減排提供足夠動力。

　　基于上述分析，《報告》基于國家“雙碳”目標(biāo)，綜合考慮2060年鋼產(chǎn)量變化趨勢、鋼協(xié)發(fā)布的鋼鐵行業(yè)碳中和愿景、國內(nèi)外氫冶金技術(shù)研發(fā)進度、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景、碳冶金與氫冶金生產(chǎn)成本，并結(jié)合我國廢鋼資源供給等因素提出了我國發(fā)展氫冶金的路線。

　　集中開展高爐富氫冶煉技術(shù)和純氫基直接還原技術(shù)攻關(guān)，并配備相應(yīng)的軟硬件設(shè)施；爭取高爐富氫技術(shù)研發(fā)取得突破性成果，開展高爐富氫冶煉技術(shù)示范項目；有條件的鋼鐵企業(yè)應(yīng)率先開展高爐噴氫改造，富氫高爐產(chǎn)能在我國鋼產(chǎn)能中的占比達到15%；深化焦化行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，取消焦化產(chǎn)能轉(zhuǎn)移限制，以市場化為原則，按鋼焦比0.4向鋼鐵企業(yè)配置焦化產(chǎn)能；改造焦?fàn)t，增加氫制備裝置，為下一步高爐富氫冶煉技術(shù)應(yīng)用打下基礎(chǔ)；有條件的氫冶金示范項目應(yīng)盡量使用綠氫。

　　集中進行純氫基直接還原技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)氫基直接還原裝備國產(chǎn)化、大型化；純氫直接還原技術(shù)研發(fā)取得突破性成果，開展純氫直接還原技術(shù)示范項目；隨著國家氫能產(chǎn)業(yè)體系初步形成，氫源供應(yīng)量增長，用氫成本顯著下降，大力推廣高爐富氫冶煉技術(shù)，加快富氫高爐技術(shù)改造，自產(chǎn)氫應(yīng)用盡用，富氫高爐產(chǎn)能占比超過60%；全面完成自有焦?fàn)t的氫制備裝置改造，有條件的鋼鐵企業(yè)適度發(fā)展可再生能源發(fā)電及綠氫制備項目，盡可能增加自有氫供應(yīng)量，力爭綠氫在鋼鐵行業(yè)需氫總量占比達到30%以上。

　　大力推廣純氫基直接還原技術(shù)，加快高爐—轉(zhuǎn)爐長流程制鋼向“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼轉(zhuǎn)型，“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼產(chǎn)能占比達到25%；隨著高爐用焦量減少，焦炭產(chǎn)量下降，自有氫產(chǎn)量相應(yīng)減少，需要大量的外部綠氫補充供應(yīng)，綠氫供應(yīng)量占鋼鐵產(chǎn)業(yè)需氫總量的85%；鋼鐵企業(yè)與綠電、綠氫供應(yīng)商緊密結(jié)合，共建產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，耦合發(fā)展；全面完成富氫高爐改造；有條件的鋼鐵企業(yè)發(fā)展、應(yīng)用CCUS技術(shù)。

　　進一步提升“豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比，最終形成“純氫基豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比35%、“富氫高爐（廣泛應(yīng)用CCUS技術(shù)）+轉(zhuǎn)爐”長流程鋼產(chǎn)量占比15%、全廢鋼綠電電爐鋼產(chǎn)量占比50%的生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)。屆時，鋼鐵行業(yè)碳排放量約為1億噸/年，需要進一步推進CCUS技術(shù)應(yīng)用或通過碳匯實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。