隨著我國鋼材消費進入平穩(wěn)期，對應的鋼鐵產出也會進入平穩(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的高爐—轉爐長流程在我國鋼鐵產業(yè)結構中占主導地位。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?，將氫氣用于鋼鐵生產的變革性技術——氫冶金，是鋼鐵產業(yè)優(yōu)化能源結構、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。

頂層設計已明確氫冶金發(fā)展方向

對于如何支持和發(fā)展氫冶金，國家早已經(jīng)進行了頂層設計。2022年3月23日，國家發(fā)展改革委發(fā)布的《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》提出，逐步探索工業(yè)領域氫的替代應用，不斷提升氫能利用經(jīng)濟性，拓展清潔低碳氫能在化工行業(yè)的替代應用空間。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《關于促進鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》，提出將制訂氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術研發(fā)應用。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)領域碳達峰實施方案》也提出，要推動綠色低碳技術研發(fā)取得重大突破：部署工業(yè)低碳前沿技術研究，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”基礎零部件、基礎工藝、關鍵基礎材料、低碳顛覆性技術研究，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鍵核心技術。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，要加強協(xié)同技術研發(fā)應用，加強氫能冶金等技術試點應用，加強減污降碳協(xié)同增效基礎科學和機理研究，在大氣污染防治、碳達峰碳中和等國家重點研發(fā)項目中設置研究任務，建設一批相關重點實驗室，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方向。2021年科技部編制了“雙碳”目標下的技術路線，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，即能源結構調整、重點領域減排和金融減排支持。其中，在能源結構調整方面，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；在重點領域減排方面，氫能冶煉、氧氣高爐和非高爐冶煉是制造領域中鋼鐵冶煉行業(yè)減少含碳能源使用的技術路徑。

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

當前氫冶金主流方向

目前，全世界主要鋼鐵生產國都在致力于探索“以氫代碳”的氫冶金技術，并在“以氣代焦”的技術基礎上，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噴吹焦爐煤氣或天然氣等富氫氣體進行輔助冶煉。目前該還原技術趨于成熟并得以工業(yè)化應用。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，被認為是現(xiàn)階段從碳冶金到氫冶金的重要過渡路線。一般認為，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爐煤氣或者提純后的氫氣（所謂“灰氫”）。焦爐煤氣是煉焦工序的副產氣體，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)?；统杀镜某掷m(xù)降低，高爐富氫冶煉也可以逐步使用更多的綠氫。

《報告》認為，氫基直接還原技術有望在2040年后大規(guī)模推廣，先決條件是綠氫產業(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開發(fā)項目（COURSE50）、韓國于2017年12月份啟動的“以高爐副產煤氣制備氫氣實現(xiàn)碳減排技術”（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的富氫碳循環(huán)氧氣高爐（HyCROF）以及興國精密與上海大學合作開發(fā)的氫冶金低碳技術研發(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、中國建龍集團在內蒙古烏海的賽思普科技氫基熔融還原流程（CISP）項目。

國內外氫冶金探索實踐及最新進展

中國鋼鐵行業(yè)對氫冶金技術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，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)生產能源應用的第一例——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)生產綠色DRI（直接還原鐵）產品，可作為高端材料制造高品質潔凈原料，標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爐煤氣為還原氣體的高壓豎爐零重整氫冶金技術，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，達到國際一類標準，相比同等高爐長流程生產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)布了相應報告，預計該技術將在其2500立方米高爐上應用，實現(xiàn)階段性減碳18%的目標。中國鋼鐵行業(yè)在氫冶金技術領域的實踐為推動整個行業(yè)技術進步，乃至全球鋼鐵行業(yè)低碳轉型都做出了突出的貢獻。

從國外來看，目前氫冶金技術進展較快。早在2004年，歐盟就設立ULCOS（超低二氧化碳煉鋼）項目，目標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個技術路線。2008年，日本啟動COURSE50項目，關鍵技術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，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與應用日（ESTAD）與國際冶金技術展（METEC）上，相關鋼鐵企業(yè)和研究機構介紹了低碳冶金工藝技術研發(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出鐵水。

●薩爾茨吉特SALCOS項目：使用采用新能源的直接還原設備，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，副產物內部處理及循環(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，基于流化床反應器生產直接還原鐵。通過氫氣還原反應，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。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，生產高端綠色鋼材。該項目計劃在2026年將產能提升至250萬噸/年，項目二期將產能擴大至500萬噸/年。

●達涅利推動鋼鐵生產轉型，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）技術實現(xiàn)碳減排；下一代高爐和轉爐廠采用可持續(xù)技術，如高效冷卻和過濾系統(tǒng)、頂燃熱風系統(tǒng)、智能自動化和網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)；ENERGIRON工藝技術在直接還原鐵的質量和碳排放方面已取得重要突破，單一工廠產能規(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，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。

氫冶金之路任重道遠

《報告》經(jīng)過研究認為，綠色經(jīng)濟化制氫和安全規(guī)?；脷涫前l(fā)展氫冶金的關鍵因素之一。

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?！稓淠墚a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：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業(yè)技術創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應體系；到2035年，形成氫能產業(yè)體系。

目前我國氫氣產量約為3300萬噸/年，主要以化石能源制氫和工業(yè)副產氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦爐煤氣、煉廠干氣等工業(yè)副產氫占比約為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、技術壁壘高，僅處于示范性工程的導入階段。近中期可以充分利用各類工業(yè)產氫，就近消納，降低工業(yè)副產氫供給成本。遠期的光伏、風能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉型。

其次，氫能規(guī)?；?、安全、經(jīng)濟儲運是另一個關鍵因素。目前運氫方式最為成熟的是高壓長管拖車的方式，適合在城市內運輸，滿足短途運氫需求。低溫液氫運輸?shù)年P鍵設備技術已實現(xiàn)國產化，并逐漸走向產業(yè)化，將成為民用氫能領域的重要運氫方式。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。當隨著技術進步，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，綜合考慮2060年鋼產量變化趨勢、鋼協(xié)發(fā)布的鋼鐵行業(yè)碳中和愿景、國內外氫冶金技術研發(fā)進度、氫能產業(yè)發(fā)展前景、碳冶金與氫冶金生產成本，并結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。

第一階段：現(xiàn)在到2030年

集中開展高爐富氫冶煉技術和純氫基直接還原技術攻關，并配備相應的軟硬件設施；爭取高爐富氫技術研發(fā)取得突破性成果，開展高爐富氫冶煉技術示范項目；有條件的鋼鐵企業(yè)應率先開展高爐噴氫改造，富氫高爐產能在我國鋼產能中的占比達到15%；深化焦化行業(yè)供給側結構性改革，取消焦化產能轉移限制，以市場化為原則，按鋼焦比0.4向鋼鐵企業(yè)配置焦化產能；改造焦爐，增加氫制備裝置，為下一步高爐富氫冶煉技術應用打下基礎；有條件的氫冶金示范項目應盡量使用綠氫。

第二階段：2030年到2040年

集中進行純氫基直接還原技術攻關，實現(xiàn)氫基直接還原裝備國產化、大型化；純氫直接還原技術研發(fā)取得突破性成果，開展純氫直接還原技術示范項目；隨著國家氫能產業(yè)體系初步形成，氫源供應量增長，用氫成本顯著下降，大力推廣高爐富氫冶煉技術，加快富氫高爐技術改造，自產氫應用盡用，富氫高爐產能占比超過60%；全面完成自有焦爐的氫制備裝置改造，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量，力爭綠氫在鋼鐵行業(yè)需氫總量占比達到30%以上。

第三階段：2040年到2050年

大力推廣純氫基直接還原技術，加快高爐—轉爐長流程制鋼向“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼轉型，“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼產能占比達到25%；隨著高爐用焦量減少，焦炭產量下降，自有氫產量相應減少，需要大量的外部綠氫補充供應，綠氫供應量占鋼鐵產業(yè)需氫總量的85%；鋼鐵企業(yè)與綠電、綠氫供應商緊密結合，共建產業(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、應用CCUS技術。

第四階段：2050年到2060年

進一步提升“豎爐+綠電電爐”短流程鋼產量占比，最終形成“純氫基豎爐+綠電電爐”短流程鋼產量占比35%、“富氫高爐（廣泛應用CCUS技術）+轉爐”長流程鋼產量占比15%、全廢鋼綠電電爐鋼產量占比50%的生產工藝結構。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技術應用或通過碳匯實現(xiàn)碳中和目標。

作者 | 記者 朱曉波