碳达峰碳中和目标下，氢冶金成为钢铁行业实现低碳发展的重要路径；钢铁行业的核心竞争力将由化石能源的利用能力，逐步转变为“以氢代碳”的绿色低碳产业模式。
12月16日，河钢集团120万吨氢冶金示范工程一期全线贯通，与同等生产规模的传统“高炉 转炉”长流程工艺相比，该工程每年可减少二氧化碳排放80万吨，减排比例达到70%以上。
氢冶金是指在钢铁的还原冶炼过程中，主要使用氢气作为还原剂。与传统的碳冶金相比，氢冶金可以从源头降低二氧化碳排放量，使钢铁行业摆脱对化石能源的依赖。业界普遍认为，碳达峰碳中和目标下，氢冶金成为钢铁行业实现低碳发展的重要路径；钢铁行业的核心竞争力将由化石能源的利用能力，逐步转变为“以氢代碳”的绿色低碳产业模式。
降碳压力倒逼转型
碳达峰碳中和目标下，作为仅次于发电行业的高碳排放行业，钢铁行业正面临着巨大的碳减排压力。从全球范围看，平均每生产1吨钢需排放1.8吨二氧化碳。2021年，我国粗钢产量高达10.33亿吨，占全球总产量的约53%，碳排放占全国碳排放总量的15%。
“碳达峰碳中和目标下，钢铁企业将面临减产和退出压力，能耗和排放将在很大程度上决定钢铁企业的生存和去留问题。在氢冶金等低碳技术和工艺上已有储备和发展规划的钢企将具有先发优势。”东方证券分析师刘洋指出，由于钢铁行业的碳排放主要集中在碳还原反应这一环节，若氢还原能完全替代碳还原，理论上可降低碳排放约34%-62%，减排潜力较大。
事实上，早在2017年，工信部印发的《产业关键共性技术发展指南(2017年)》就将氢气竖炉直接还原清洁冶炼技术列为了重点。2020年发布的《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》提出，要争取在氢冶金、洁净钢冶炼等前沿技术领域取得突破进展。
世界范围内，在碳中和不断升温的背景下，氢冶金作为钢铁产业低碳绿色化转型升级的有效途径之一 ，也逐渐成为各国重点的关注和鼓励发展的方向。如2020年欧盟委员会发布的《欧洲新工业战略》提出，将支持清洁钢铁的突破性技术，以实现零碳炼钢工艺，实现工业脱碳。再如《美国氢能经济路线图》也指出，理想情况下，2030年美国6%的钢厂将以富氢气体作为原料，2050年将有14%的钢厂使用富氢气体。
控制成本是难点
随着碳达峰碳中和目标的落实，未来将有越来越多的钢铁企业加入氢冶金阵营。需要注意的是，氢冶金在国内尚属新兴领域，尽管在减排压力下，业内已开展不少氢冶金项目，但都处于早期阶段。
刘洋指出，目前，氢气对碳的替代仍存在一定局限。在传统炼钢流程中，存在渗碳来源和热量互补问题，当纯氢气作为还原剂时，需要对氢气进行加压和加热来提供冶炼所需的热量，尤其是高炉炼铁工艺，对温度的要求更高，但竖炉如果长期在如此高温、高压极限条件下工作，不符合安全要求，用氢受限程度也因此更大。
除了规模化用氢，如何实现氢源经济性也是难点之一。根据测算，假设焦炭的价格是2000元/吨，绿氢制氢成本为1.34元/标方，则还原每吨铁的碳、氢气成本分别为756元和804元，由此可见，绿氢作为还原剂的经济性尚不及碳。
此外，受技术限制，氢冶金仍主要采用灰氢作为氢源。当前，氢气炼钢主要包括高炉富氢冶炼与气基直接还原竖炉炼铁两种技术路线。刘洋指出，由于气基竖炉还原工艺现阶段需要付出较大的工艺转换成本，高炉富氢虽主要来源于灰氢，但高炉富氢工艺可以提升碳利用效率，实现一定的减排效果，还能在一定程度上提升产量带来经济效益。因此，短期内国内氢气炼钢的发展仍以高炉富氢工艺为主。
持续探索清洁技术
尽管在当前的技术水平和产业发展程度下，要彻底实现绿色冶金尚存诸多难题，但已有部分钢铁企业着眼于氢气炼钢的发展潜力，持续探索清洁冶炼技术并已取得积极成果。
以河钢集团为例，记者了解到，该集团最新贯通的120万吨氢冶金示范工程一期采用全球首创的“焦炉煤气零重整竖炉直接还原”工艺技术，利用焦炉煤气本身含有的55%至65%的氢气成分，可在氢基竖炉内催化裂解为一氧化碳和氢气，实现“自重整”。自重整后，工艺气体中的氢碳比可以达到8∶1以上，是目前工业化生产中含氢比例最高的气基竖炉直接还原工艺。同时，竖炉反应器预留了绿氢切换功能，不需大规模改造即可直接切换为更高比例富氢还原气、纯氢作还原气的工业试验，为未来实现100%绿氢竖炉直接还原提供基础。
此外，宝武集团、鞍钢集团等各大钢铁企业在“双碳”目标推动下，也相继加入氢冶金项目布局队列，在氢直接还原、新能源制氢联产无碳燃料等技术领域持续深耕。
“未来随着新能源电力的规模化发展，其边际发电成本几乎可以忽略不计，绿氢成本也将随之显著下降，甚至低于天然气或煤炭的开采成本，这将显著提升氢气基竖炉还原工艺的经济性。但在新能源和氢能产业链成熟之前，国内钢铁行业还应先在气基竖炉还原工艺有所积累，进一步提升设备国产化程度，为氢冶金的大规模推广提供坚实的技术支撑。”刘洋称。
文 | 本报记者 仲蕊
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见习编辑 | 李泽民
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