1. 氫冶金：雙碳背景下，鋼鐵行業(yè)減碳的重要路徑

1.1. 氫冶金技術(shù)是鋼鐵行業(yè)減碳的重要技術(shù)

氫冶金技術(shù)是用氫氣取代碳作為還原劑和能量源煉鐵。氫冶金其基本反應(yīng)方程為23 + 32 = 2 + 32，還原產(chǎn)物為鐵和水，理論上可實現(xiàn)零碳排放。氫冶金是鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的重要技術(shù)，能夠大幅降低鋼鐵生產(chǎn)流程中的二氧化碳排放，解決了傳統(tǒng)冶金工藝中存在的環(huán)境污染等問題，實現(xiàn)綠色、低碳的發(fā)展目標(biāo)。由于鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放是碳作為還原劑在還原鐵礦的過程中產(chǎn)生的，如果還原劑不改變，鋼鐵行業(yè)減碳的空間將十分有限。氫冶金將煉鐵過程中的還原劑替換為氫氣，從源頭上控制了鋼鐵行業(yè)碳排放的來源，是鋼鐵行業(yè)減碳的重要技術(shù)。

從“碳冶金”到“氫冶金”，鋼鐵行業(yè)有望擺脫高碳排、高污染、高能耗的行業(yè)定位。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院發(fā)布的《碳達峰碳中和目標(biāo)約束下重點行業(yè)的煤炭消費總量控制路線圖研究執(zhí)行摘要》，2019 年，我國電力、鋼鐵、水泥和煤化工行業(yè)合計耗煤占比超過 86%，四個行業(yè)二氧化碳排放量約為 77.6 億噸，占全國二氧化碳排放總量的 72%。隨著“碳達峰、碳中和”成為全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律，碳排放第2 名的鋼鐵行業(yè)需要進行生產(chǎn)方式上的深度變革。氫冶金因其巨大的減排潛力，已成為龍頭鋼企的重點研究、試產(chǎn)領(lǐng)域，國內(nèi)外多家鋼鐵公司正在大力布局氫能冶金、綠氫制備和氫能供應(yīng)等項目。

1.2. 氫冶金技術(shù)已有廣泛實踐

氫冶金技術(shù)，在國外的實踐早已經(jīng)開始。氫冶金作為低碳冶金的重要技術(shù)，在海外對降碳要求較嚴(yán)格的地區(qū)已經(jīng)開始實踐。2004 年開始，歐洲 15 個國家合計 48 家企業(yè)和機構(gòu)開始了 ULCOS 項目（超低二氧化碳煉鋼），旨在降低鋼鐵冶煉環(huán)節(jié)的二氧化碳排放；2008 年，日本啟動 COURSE50 項目（環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)項目），旨在 2030 年減少煉鐵工藝 30%的二氧化碳排放。德國蒂森克虜伯在 2018年開始進行氫煉鐵實驗，重點發(fā)展“以氫代煤”高爐冶煉技術(shù)。

國內(nèi)低碳冶金、氫冶金的技術(shù)實踐逐步展開。與國外相比，國內(nèi)氫冶金的開始實踐稍晚但進度較快。在低碳冶金方面，2009 年、2012 年及 2017 年四川達鋼、建龍鋼鐵、首鋼均通過將轉(zhuǎn)爐、焦?fàn)t煤氣制甲醇，有效減少了煉鋼流程的二氧化碳排放。此外，河鋼集團 2019 年開始著手 120 萬噸氫冶金項目，2020 年京華日鋼控股集團開始建立 50 萬噸氫冶金及高端鋼材制造產(chǎn)線，其他如寶武集團等也在積極跟進。

1.3. 氫冶金主要分為富氫還原高爐、氫氣直接還原兩種工藝

氫冶金主要技術(shù)路線為富氫還原高爐和氫氣直接還原豎爐工藝。氫冶金作為鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑之一，目前主要技術(shù)路線主要聚焦在富氫還原高爐工藝和氫氣氣基直接還原豎爐工藝。

富氫還原高爐工藝有一定的減排效果。富氫還原高爐工藝是通過噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣等富氫氣體參與煉鐵過程。相關(guān)試驗表明，富氫還原高爐工藝在一定程度上能夠通過加快爐料還原，從而減少碳排放，但由于富氫還原工藝基于傳統(tǒng)高爐，在還原鐵的過程中，仍需焦炭作為骨架支撐，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，受限于工藝，富氫還原高爐工藝難以經(jīng)濟地實現(xiàn)更大幅度的減排。

富氫還原高爐工藝相關(guān)化學(xué)方程式如下：

23 + 32 = 2+ 32

23 + 3 = 2 + 32

4 + 2 = 2 + 22

4 + 2 = 2 + 22

氫氣氣基直接還原工藝減排潛力更大，但存在諸多未解決的技術(shù)問題。氣基直接還原豎爐工藝即通過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，再將其投入電爐進行進一步冶煉。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。對比 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)，避免了燒結(jié)、煉鐵環(huán)節(jié)的大量二氧化碳排放，相較于高爐富氫還原，其減碳幅度可達 50%以上。但氣基豎爐存在吸熱效應(yīng)強、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輸?shù)戎T多問題。無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，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)和冶金行業(yè)綠色發(fā)展的主要方向。

1.4. 雙碳背景下，氫冶金發(fā)展的政策環(huán)境良好

碳中和作為國家重要政策導(dǎo)向，相關(guān)政策陸續(xù)出臺。2022 年 1 月，《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》出臺，對“十四五”全國節(jié)能工作進行總體部署，文件明確了全國和各領(lǐng)域、各地區(qū)節(jié)能目標(biāo)任務(wù)，是全國節(jié)能工作的綱領(lǐng)性文件。2022 年 6 月，生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合印發(fā)《減污降碳協(xié)同增效實施方案》，對我國減污降碳協(xié)同增效工作作出總體部署。2022 年 8 月工信部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》，明確到 2025 年，規(guī)模以上工業(yè)單位增加值能耗較2020 年下降 13.5%。此外，各行業(yè)節(jié)能、降碳文件陸續(xù)出臺，對鋼鐵、有色、石化等行業(yè)的碳中和工作做了具體部署。

在氫冶金方面，2022 年多個相關(guān)政策出臺，氫冶金政策逐漸具體化。2022 年 2 月出臺的《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南（2022 年版）》，對鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳目標(biāo)做出了明確指引：“繞副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣或天然氣直接還原煉鐵、高爐大富氣或富氫治煉、氫冶煉等低碳前沿技術(shù)”，通過推廣綠色工藝、余熱余能綜合利用、公輔設(shè)施改造等首段，有效降低行業(yè)單位能耗。2022 年 8 月臺的《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》，明確指出到 2030 年，鋼鐵行業(yè)“富氫碳循環(huán)高爐冶煉、氫基豎爐直接還原鐵、碳捕集利用封存等技術(shù)取得突破應(yīng)用，短流程煉鋼占比達 20%以上”。我國對“氫冶金”的相關(guān)政策已逐漸具體化，政策普遍利好氫冶金的未來發(fā)展。

2. 氫冶金技術(shù)逐步成熟，國內(nèi)企業(yè)全球領(lǐng)先

2.1. 氫冶金的經(jīng)濟性或逐漸體現(xiàn)

氫冶金技術(shù)能夠大幅降低冶金過程的碳排放，但仍然需要解決一些問題。根據(jù)中國冶金報社，氫冶金目前面臨的主要問題有兩點。第一是氫冶金要求鐵精粉品位達到68%以上，這需要對現(xiàn)有的主流鐵礦石進行再次富集，或者改變鐵礦石富集的流程，相應(yīng)會增加鐵礦石的成本。其次，氫能的成本較高。我國大部分采用化石能源制氫，一般用作化工流程，可用于氫冶金的氫能資源較少，氫氣成本較高。

氫冶金技術(shù)研發(fā)難點多。全氫直接還原煉鐵技術(shù)基本推翻了現(xiàn)有“高爐—轉(zhuǎn)爐”工藝，作為一項新的技術(shù)，目前還有較多問題需要解決。根據(jù)中國冶金報社，氫冶金主要的技術(shù)難點為以下 4 項：1）氫還原為強吸熱反應(yīng)，將影響到反應(yīng)器內(nèi)溫度場分布，而反應(yīng)溫度的變化將影響氫氣利用效率。2）依照現(xiàn)有氣基豎爐工藝或流化床工藝，氫還原反應(yīng)器內(nèi)熱量均依靠高溫還原氣的物理熱帶入，解決熱量不足問題將是未來研發(fā)重點。3）通過提高還原氣溫度和增加還原氣流量來補充熱量，將影響到氫氣在豎爐中的流速，進一步影響氫氣還原率及利用效率，同時對氣體加熱爐裝備、反應(yīng)器的耐高溫、耐高壓、防泄漏、耐氫蝕性等帶來巨大挑戰(zhàn)。4）全氫還原無滲碳條件，不含碳的直接還原鐵熔點高、極易再氧化、自燃，難以安全儲存和運輸。

長遠(yuǎn)來看，氫冶金技術(shù)成功產(chǎn)業(yè)化之后經(jīng)濟性可期。根據(jù)王明華《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展之困局——“源”與“匯”》（《現(xiàn)代化工》2022 年第 9 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)計算，生產(chǎn) 1 噸生鐵需要 600m3 氫氣，補償吸熱反應(yīng)需要 67m3 氫氣，加熱融化到 1600℃需要 85m3氫氣，按照 75%熱效率計算，生產(chǎn) 1 噸生鐵最終需要的氫氣量為 800m3。而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn) 1 噸生鐵需要 300kg 焦炭和 200kg 煤粉。按照當(dāng)前的煉焦成本估算，鋼鐵產(chǎn)業(yè)用氫替代碳進行還原可接受的氫氣成本為 0.5-0.65 元/m3。

根據(jù)國泰君安煤炭行業(yè)研究報告《氫能：綠色能源的終極答案》，當(dāng)前國內(nèi)煤制氫成本約為 0.9-1.2元/m3，而根據(jù)國家能源集團技術(shù)經(jīng)濟研究院林圣華，國內(nèi)泰鋼、鞍鋼等集團利用焦?fàn)t煤氣通過變壓吸附和提純后的氫氣成本為 1 元/m3，該成本價格雖然大于成本平衡價格，但已較為接近，隨著制氫技術(shù)不斷發(fā)展，氫氣價格將進一步降低，逐漸縮小與平衡成本之間的差距。此外，歐盟碳關(guān)稅將在 2026 年實施，當(dāng)前歐盟碳價在80 歐元/噸以上，考慮到歐盟的碳成本，未來使用氫氣替代煤炭作為鋼鐵冶金還原劑具備較大的經(jīng)濟性潛力。

2.2. 國內(nèi)鋼企氫冶金實踐走在世界前列

寶武集團積極探索氫冶金技術(shù)。2019 年 1 月 15 日，中核集團與中國寶武集團、清華大學(xué)簽訂《核能－制氫－冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，打造核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，聯(lián)合開展核能制氫與氫能冶金研究，探索鋼鐵行業(yè)清潔生產(chǎn)的有效途徑。

寶武低碳冶金技術(shù)路線中包括高爐富氫冶煉技術(shù)和豎爐富氫還原技術(shù)，通過核能制取氫氣，噴吹入高爐和豎爐，達到替代部分化石燃料減少碳排放的目的，基本解決了高爐燃煤限制問題，形成了寶武特有的低碳煉鐵技術(shù)。2020 年 7 月，寶武在八鋼進行了富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝試驗，將脫碳后的煤氣噴入富氫碳循環(huán)高爐，使高爐噸鐵燃料比下降近 45 kg，相較傳統(tǒng)高爐減排 30% CO2。

河鋼集團利用世界最先進的氫能直接還原技術(shù)，建設(shè)了全球首例 120 萬 t 氫能還原制備高品質(zhì)金屬化爐料的示范工程。旨在通過從綠色低成本制氫、鐵礦精選、氣基豎爐直接還原、高端金屬材料適用性研究等全流程的創(chuàng)新研發(fā)，打造氫能技術(shù)研發(fā)中心，建成擁有最先進技術(shù)和裝備的氫還原工廠，推動河鋼發(fā)展進入氫時代，徹底解決鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳排放問題。2021 年 5 月，河鋼宣鋼舉行氫能源開發(fā)和利用工程示范項目開工儀式，標(biāo)志著全球首例氫冶金示范工程正式啟動建設(shè)。此外，建龍集團在內(nèi)蒙古烏海建成年產(chǎn) 30 萬 t 氫基熔融還原法冶煉高純鑄造生鐵項目(CISP)、山西中晉公司年產(chǎn) 30 萬 t 直接還原鐵的氫基直接還原項目(CSDRI)于 2021年 6 月正式進入試生產(chǎn)階段。兩個項目均有效降低了煉鐵過程的碳排放。其他鋼企的降碳、減碳也在進行過程中，鋼鐵行業(yè)減碳已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

3. 相關(guān)企業(yè)氫冶金進展介紹

3.1. 寶武集團

中國寶武在 2016 年啟動了綠色低碳冶金技術(shù)創(chuàng)新工程。其主要的技術(shù)方向為富氫碳循環(huán)高爐工藝、氫冶金工藝（氫基豎爐直接還原）、冶金尾氣 CO2 捕集和資源化利用技術(shù)等。2020 年 7 月中國寶武組建低碳冶金創(chuàng)新中心，與碳中和推進委員會配合，從集團層面開展低碳冶金創(chuàng)新技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。

中國寶武在八一鋼鐵 2019 年開始改造建設(shè)和試驗以富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝為核心、輔以 CO2 捕集利用的創(chuàng)新型高爐低碳煉鐵技術(shù)。根據(jù)世界金屬導(dǎo)報《我國氫能冶金研究及最新進展》，2020 年寶武集團八一鋼鐵“富氫碳循環(huán)高爐”實現(xiàn)鼓風(fēng)氧含量 35%的冶煉目標(biāo)，突破傳統(tǒng)高爐的富氧極限，完成了第一階段的試驗任務(wù)。第二階段通過工程改造，引入焦?fàn)t煤氣、脫碳煤氣，打通富氫碳循環(huán)工藝流程，2021年8 月風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣，首次實現(xiàn)富氫碳循環(huán)超高富氧冶煉創(chuàng)舉，降低碳消耗 15%，完成了第二階段試驗任務(wù)。截至 2022 年年底，該項目已經(jīng)實現(xiàn)了固體燃料消耗降低 30%，碳減排超 21%的階段性目標(biāo)。八一鋼鐵 2500 立方米高爐（HyCROF）富氫碳循環(huán)技術(shù)商業(yè)化示范項目改造工程也在 2023 年 6 月正式啟動。

此外，中國寶武湛江基地正在建設(shè) 1 套 100 萬噸/年氫基豎爐直接還原示范工程。該工藝同時使用天然氣、焦?fàn)t煤氣、氫氣作為還原劑，還原氣中氫氣含量達到 60%。該項目預(yù)計 2023 年 9 月投產(chǎn)。湛江二期項目計劃再建設(shè) 1 套 100 萬噸/年氫基豎爐和配套電弧爐煉鋼工程，采用可再生能源發(fā)電-高效水電解槽生產(chǎn)的綠氫，氫氣比例逐步達到 80%-90%，實現(xiàn)大比例減碳。

3.2. 鞍鋼集團

鞍鋼集團積極布局氫能冶金相關(guān)技術(shù)研究。2021 年 7 月，鞍鋼集團、鞍山鋼鐵與中科院過程所、中科院大化所、上海大學(xué)簽訂“綠色氫能冶金技術(shù)”五方聯(lián)合研發(fā)協(xié)議，共同推動綠色氫能冶金技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，實現(xiàn)低碳冶金新技術(shù)路線的突破。項目主要涉及風(fēng)電+光伏（綠電）-電解水制氫（綠氫）-氫冶金工藝。其中，光伏發(fā)電和電解水制氫由大連化物所負(fù)責(zé)；氫冶金工藝由中科院過程所負(fù)責(zé)。

2021 年 12月，鞍鋼集團發(fā)部了自身的低碳冶金路線圖，明確 2025 年實現(xiàn)碳排放總量達峰；2035 年碳排放總量較峰值降低 30%，噸鋼碳排放強度降低 30%以上。鞍鋼集團低碳發(fā)展路徑清晰：“十四五”期間，鞍鋼集團將以“格局流程再造”為主，實現(xiàn)碳達峰；2026-2035 年，通過“資源消耗減量、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化”，持續(xù)降碳。2035 年之后，在前期技術(shù)研發(fā)、試驗成功的基礎(chǔ)上，規(guī)模化應(yīng)用低碳工藝技術(shù)，深度降碳，最終實現(xiàn)碳中和。

3.3. 河鋼集團

河鋼集團推進低碳冶煉技術(shù)的研究及示范工程建設(shè)穩(wěn)步推進。2021 年 5 月，河鋼宣鋼正式啟動建設(shè) 120 萬噸規(guī)模的氫冶金示范工程。該項目利用張家口地區(qū)的可再生能源優(yōu)勢，未來計劃使用風(fēng)能、太陽能等分布式可再生能源制氫，以實現(xiàn)深度脫碳。2022 年 12 月，該項目一期已全線貫通。2023 年 6 月，該項目已經(jīng)實現(xiàn)安全連續(xù)生產(chǎn)綠色直接還原鐵（DRI），項目一期取得成功。此外，2021 年 3 月，河鋼集團和必和必拓簽署合作備忘錄，圍繞氫氣直接還原鐵技術(shù)、鋼渣處理及循環(huán)利用技術(shù)以及鐵礦石塊礦使用率提升三大重點領(lǐng)域展開通力協(xié)作。河鋼集團低碳冶金推進速度較快，且工藝布局直達前端鐵礦環(huán)節(jié)。