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氫冶金發(fā)展背景
中國是世界最大的粗鋼生產(chǎn)國，2023年粗鋼產(chǎn)量為10.19億噸，全球占比54%。我國鋼鐵行業(yè)年碳排放量18億噸，占全國碳排放總量的15%左右，是制造業(yè)中碳排放最大的行業(yè)。隨著雙碳目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，我國鋼鐵行業(yè)將不可避免地納入碳排放權(quán)交易市場，目前已有多個試點(diǎn)碳市場已納入了鋼鐵行業(yè)。
傳統(tǒng)的鋼鐵冶煉是以焦炭為燃料，通過焦炭燃燒提供還原反應(yīng)所需要的熱量并產(chǎn)生還原劑一氧化碳（CO），在高溫下利用一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來，將鐵礦石還原得到鐵，并產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w（CO2）。
化學(xué)反應(yīng)式：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2
氫冶金則是以氫氣取代碳作為還原劑，在高溫下，氫氣與鐵礦石中的氧化鐵反應(yīng)，生成鐵和水。在這一過程中，不會產(chǎn)生二氧化碳。
化學(xué)反應(yīng)式：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O
氫冶金技術(shù)路線
高爐富氫技術(shù)
技術(shù)原理：通過在高爐中噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣等富氫氣體，減少焦炭的用量，從而減少碳排放。
高爐富氫技術(shù)無需對現(xiàn)有高爐進(jìn)行改造，技術(shù)成熟且易規(guī)模化應(yīng)用，是目前我國鋼企應(yīng)用最多的氫冶金工藝。
由于高爐富氫工藝應(yīng)用的富氫氣體含有碳元素，所以減碳力度較小，只有10%—20%，無法直接實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，從長遠(yuǎn)角度來看，只適合作為過渡方案，后期有較大概率被其他技術(shù)替代。
富氫直接還原鐵技術(shù)
技術(shù)原理：使用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑，將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵，再將其投入電爐進(jìn)行進(jìn)一步冶煉。這種方法碳排放更低，適合用于氫冶金。
直接還原鐵技術(shù)采用電弧爐，以電能為主要能量能源，以鐵礦石為原料，技術(shù)成熟，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，目前美國近一半的鋼鐵產(chǎn)量采用直接還原鐵技術(shù)生產(chǎn)，國內(nèi)僅有幾個代表案例。
直接還原鐵技術(shù)的還原氣中，氫氣占比在60%—100%，因此減排潛力很大，可達(dá)50%—95%的減碳量。目前氫氣價格較高，現(xiàn)有的直接還原鐵項(xiàng)目，一般以焦?fàn)t煤氣（含氫量55%～60%）和天然氣（含氫量50%～90%）為還原氣，其中國外多采用天然氣，國內(nèi)則因?yàn)楦幻荷贇獾哪茉唇Y(jié)構(gòu)，多采用焦?fàn)t煤氣。由于焦?fàn)t煤氣成分復(fù)雜，且含有大量有機(jī)硫，以及硫化氫、氰化氫等有害氫化物，應(yīng)用前需要進(jìn)行多輪凈化與過濾。
氫基熔融還原鐵
技術(shù)原理：氫氣被釋放、解離和電離，用直流轉(zhuǎn)移電弧的能量產(chǎn)生氫基等離子體，熔化鐵礦粉并將其還原生成鐵水，進(jìn)一步精煉得到鋼鐵產(chǎn)品。
氫基熔融還原鐵技術(shù)采用等離子氣化爐，以電能為主要能源，鐵礦石原料適應(yīng)性強(qiáng)，無需中間團(tuán)聚或精煉處理，可以小規(guī)模生產(chǎn)，靈活性優(yōu)于其他兩種氫冶金方式。
氫基熔融還原鐵技術(shù)的減碳效果相對更強(qiáng)，減碳量在85%左右。經(jīng)專家測算，氫等離子體熔融還原的總成本比傳統(tǒng)煉鋼廠優(yōu)化成本低約13%。但是該技術(shù)處于早期發(fā)展階段，工藝和反應(yīng)設(shè)備仍需進(jìn)一步開發(fā)與完善，全流程減碳效果和經(jīng)濟(jì)性還有待驗(yàn)證，暫不適合大規(guī)模推廣。
我國鋼鐵企業(yè)在氫冶金領(lǐng)域積極探索，多技術(shù)路線并行發(fā)展，已具備大規(guī)模轉(zhuǎn)型的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。目前來看，高爐富氫技術(shù)是短期內(nèi)的市場主流方向，可以沿用現(xiàn)有的煉鋼高爐進(jìn)行輕度減排，中期再向減碳量更高且易規(guī)模化推廣的富氫直接還原鐵路線過渡。
氫冶金行業(yè)的綠氫需求
在氫冶金的三種主流技術(shù)路線中，富氫直接還原鐵路線和氫基熔融還原鐵路線對氫氣有大量需求。不過富氫直接還原鐵路線現(xiàn)階段受氫氣價格和供給制約，大多采用焦?fàn)t煤氣為原料，從技術(shù)角度來看，如果用氫氣替代焦?fàn)t煤氣，可以避免復(fù)雜的焦?fàn)t煤氣凈化工藝，并節(jié)約凈化成本，是富氫直接還原鐵路線未來的發(fā)展方向。
據(jù)專家測算，按照電解1000立方米綠氫用電4500千瓦時、電力成本占總成本70%的情況，要達(dá)到冶煉成本平衡點(diǎn)1337.2元/噸，綠氫價格需要低于15.02元/千克，綠電價格需要低至0.208元/度，同時碳稅價格需要達(dá)到400元/噸。當(dāng)碳稅為200元/噸，綠氫價格需低于10.45元/千克時，氫冶金才具有成本優(yōu)勢。
近年來，我國可再生能源領(lǐng)域快速發(fā)展，降本速度超預(yù)期，個別地區(qū)的度電成本和氫氣成本已達(dá)到冶煉成本平衡點(diǎn)目標(biāo)，但碳稅價格仍差距較大，截至9月12日，全國碳市場收盤價為89.92元/噸，以此計(jì)算，綠氫價格需要降至10元/千克以下，才能在氫冶金行業(yè)得到大規(guī)模應(yīng)用，按照目前三北地區(qū)的綠氫降本趨勢，部分地區(qū)可以在5年左右達(dá)到這一目標(biāo)。
氫冶金技術(shù)路線選擇與減碳路線圖
根據(jù)《碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟(jì)性研究》，預(yù)計(jì)2030年開始，綠氫將在氫冶金領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，并在2040年取代焦?fàn)t煤氣成為氫冶金行業(yè)的主要?dú)湓?。氫冶金行業(yè)2030年和2040年的綠氫需求量分別為20.72萬噸和310.2萬噸。而截至2024年6月底，中國綠氫總產(chǎn)能約9.4萬噸/年，據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，2030年中國綠氫產(chǎn)能將快速增長至557萬噸/年，這為氫冶金行業(yè)的后續(xù)發(fā)展提供了能源基礎(chǔ)。
綠氫在氫冶金領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，還需要解決氫氣的儲運(yùn)問題。目前來看主要有兩種方式，一種是在綠氫項(xiàng)目基礎(chǔ)上耦合氫冶金項(xiàng)目，另一種是通過輸氫管道將綠氫項(xiàng)目與鋼鐵企業(yè)連通。
綠氫耦合氫冶金模式是理論上的最佳選擇，但僅適合有低成本可再生能源電力的新建項(xiàng)目，不適合原有的鋼鐵項(xiàng)目改造。該模式在國外已有先例，瑞典H2 Green Steel公司綠氫直接還原鐵項(xiàng)目是歐洲第一批“綠色鋼鐵”工廠，采用水力、風(fēng)力發(fā)電+堿性電解水制氫+直接還原鐵的耦合路線，預(yù)計(jì)于2025年之前投產(chǎn)。
輸氫管道模式可以打破氫冶金行業(yè)的地域局限，使綠氫項(xiàng)目與鋼鐵企業(yè)連通，獲取長距離、低成本的氫氣源。氫冶金行業(yè)的綠氫需求具有地點(diǎn)固定、持續(xù)穩(wěn)定、需求量大的特點(diǎn)，與輸氫管道的規(guī)劃定位高度相符。目前我國輸氫管道規(guī)劃正在加速推進(jìn)，今年也被稱為輸氫管網(wǎng)建設(shè)元年，具有氫冶金技術(shù)儲備的鋼鐵企業(yè)有望在輸氫管網(wǎng)規(guī)劃上獲取一定優(yōu)勢。
結(jié)語
我國鋼鐵行業(yè)已進(jìn)入轉(zhuǎn)型周期，氫冶金有望作為主要轉(zhuǎn)型方向得到大規(guī)模推廣。受氫氣價格制約，目前氫冶金企業(yè)主要以焦?fàn)t煤氣作為氫源，但隨著綠氫成本下降和輸氫管道建設(shè)，預(yù)計(jì)2030年開始，綠氫將在氫冶金領(lǐng)域的需求將逐漸放大，并于2040年取代焦?fàn)t煤氣成為氫冶金行業(yè)的主要?dú)湓础?/span>
