打造氫冶金創新策源高地 推動鋼鐵低碳高質量發展

　　我國鋼鐵工業低碳發展面臨的形勢與壓力

　　凈零排放已成為全球廣泛接受的目標。在《巴黎協定》下，已有130多個國家提出碳中和氣候目標，覆蓋了全球83%的碳排放、91%的國內生產總值。中國也已提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和。

　　鋼鐵工業是國民經濟的重要支柱產業，對經濟社會發展有著巨大的支撐作用。同時，鋼鐵行業也是碳排放重點領域，碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是31個制造業門類中碳排放量最高的行業，推動鋼鐵行業低碳轉型面臨以下巨大挑戰：

　　一是低碳轉型時間緊、任務重。我國鋼鐵行業體量基數大，能源投入具有高碳性，目前高碳化的煤焦投入接近90%。碳排放機理相對比較復雜，涉及能源燃燒排放、生產過程排放、電力和熱力消耗所對應的各種排放機理，企業發展水平也各有差異，在“雙碳”目標和能耗雙控逐步轉向碳排放雙控的大背景下，鋼鐵行業實現節能降碳面臨巨大挑戰。

　　二是工藝流程結構亟待優化。鋼鐵行業以高爐—轉爐長流程生產工藝為主，占比約90%，盡管電爐短流程碳排放強度明顯低于高爐—轉爐長流程，但受廢鋼資源、電價等各方面因素制約，整體競爭力偏弱，鋼鐵流程結構低碳化調整面臨較大挑戰。

　　三是低碳創新技術支撐不足。目前鋼鐵行業已經在氫冶金、CCS（碳捕集）等方面開展一定探索，但突破性的冶煉技術研發應用難且短期難以改變，尚未形成低成本且可工業化、規模化應用的創新低碳技術，創新能力仍然不足，低碳轉型難度大。

　　實現由傳統高爐“碳冶金”向新型“氫冶金”的顛覆性綠色低碳轉變，對于鋼鐵行業深度脫碳乃至實現碳中和目標具有重要作用，因此有必要大力推動氫冶金技術創新研發和示范應用，為我國乃至全球鋼鐵行業探索先進可靠的技術方案。

　　我國氫冶金政策支持體系

　　（1）國家層面氫冶金政策

　　對于發展氫冶金，國家層面已發布一系列政策文件，強化了氫冶金領域的頂層設計。

　　（2）各地方政府氫冶金政策

　　河北、山東、湖北、甘肅、安徽、江蘇等地在氫能發展規劃方面明確提到氫在冶金領域的替代應用，并提出推動氫冶金相關技術研發和示范試點等。

　　不同氫冶金技術路線特點及優劣勢

　　（1）富氫高爐冶煉技術

　　富氫高爐冶煉技術是通過噴吹焦爐煤氣、天然氣或氫氣等，以替代煤粉和部分焦炭的熱源和還原劑作用，減少高爐碳排放。由于焦炭骨架作用的不可替代性，富氫高爐冶煉的碳減排潛力受到限制，一般認為單獨富氫方式的碳減排潛力為10%～20%。但在國內90%左右生鐵來自高爐—轉爐長流程的背景下，為避免工藝轉型過程造成現有資產的大幅減值損失，富氫高爐在實現碳達峰、碳中和目標的過渡時期具有重要推廣意義。

　　與傳統高爐冶煉相比，高爐富氫將增加煤氣中水蒸氣含量，對焦炭氣化反應行為產生不利影響。由于富氫使焦比降低、煤氣成分變化，對燒結礦、球團礦等入爐原料的強度、粒度、熔滴性及低溫還原粉化率、還原性等冶金性能指標提出了更高的要求。目前，高爐富氫對焦炭的置換比在0.3左右，在經濟性和降低工序能耗方面還有所不足。未來，只有利用存量高爐大修機會，對爐身進行改造，通過爐身、風口噴入富氫氣體，進一步將置換比提升至0.5以上，高爐富氫才可能體現出節能降碳的比較優勢。

　　（2）氫基豎爐直接還原技術

　　以天然氣為氣源的傳統豎爐直接還原技術在國外已成熟并廣泛應用，形成MIDREX、ENERGIRON及PERED三種工藝與裝備，實現了利用含氫50%～70%的還原氣生產海綿鐵（DRI）。據統計，2022年世界DRI產量達到1.27億噸，其中約70%低碳DRI是通過豎爐方式生產的，已成為全球鋼鐵冶煉工藝重要組成部分。氫基豎爐直接還原技術是以豎爐裝備為基礎，采用高比例富氫或純氫氣體為還原劑，以高品位球團礦、塊礦為原料，通過氣—固直接還原方式生產固態海綿鐵。國內鋼鐵企業創新開發基于富氫焦爐煤氣的豎爐直接還原工藝，焦爐煤氣經過煤氣凈化、氣體重整后得到富氫還原氣，再參與反應生產低碳DRI產品，充分發揮了我國焦化副產氫資源優勢。

　　使用天然氣/焦爐煤氣豎爐直接還原工藝，噸產品碳排放量為0.6噸～0.7噸，若進一步考慮電爐環節碳排放，則噸鋼碳排放量為1噸～1.2噸，較傳統長流程工藝碳排放量減少40%～50%，若能夠實現穩定全綠氫供應，理論上可以實現全氫零碳冶煉。在單套規模上，豎爐裝備最大生產能力為250萬噸/年，接近3000立方米高爐生產能力，符合鋼鐵生產規模化、高效化要求。環保上，由于完全避免使用焦炭、燒結礦，富氫氣體或純氫氣體經凈化后含硫量極低，相應冶煉環節大氣污染物排放量遠低于高爐長流程。但該技術需要使用高品位鐵礦石資源作為原料，而全球都面臨著優質高品位鐵礦石資源匱乏的問題，并且高比例氫氣的使用，對氫氣加熱爐裝備制造、加熱方式及用氫安全性均提出更高要求。

　　（3）基于流化床的氫基直接還原技術

　　流化床是一種有效直接還原粉鐵礦的工藝裝置，基于流化床的氫基直接還原技術是氫冶金研發的重要技術路線，典型工藝主要有FINMET和Circored工藝。

　　FINMET生產裝置由4級流化床順次串聯，逐級預熱和還原粉鐵礦原料，還原煤氣是流化床爐頂煤氣和天然氣重整氣體的混合氣。

　　Circored工藝以天然氣制氫為還原劑，在流化床設備中還原粉鐵礦生產海綿鐵，流化床反應器包括一級預熱循環流化床、二級預還原循環流化床與三級終還原臥式鼓泡流化床，流化床內溫度為630攝氏度～650攝氏度。

　　當前傳統高爐及氫基豎爐使用鐵原料均需要高溫造塊，增加能耗和大氣污染物排放，基于流化床的氫基直接還原則完全以鐵礦粉為原料，不再需要對礦粉進行造塊。但該技術存在要求使用高品位鐵礦石、產品較高的金屬化率易造成黏結失流及單位產品能耗高于氫基豎爐等不足之處。受流化床工藝控制難度大、能量利用率和生產率低、生產成本高、缺乏市場競爭力等多因素影響，全球多個基于天然氣的流化床直接還原工業化項目均未能長期有效運行。

　　（4）富氫熔融還原技術

　　富氫熔融還原技術是在傳統煤基熔融還原技術基礎上的創新，將氫冶金與“熔融還原”相結合，以HIsmelt、HIsarna等煤基熔融還原工藝為基礎，通過噴吹富氫氣體替代煤炭，降低碳排放量，實現綠色冶金。該技術可以使用傳統高爐流程用鐵礦粉，無需焦化、燒結等高污染工序，大幅度降低污染物排放。未來高比例富氫或全氫的熔融還原技術若開發成熟并實現規模化應用，可以擺脫目前發展氫基直接還原技術所面臨的優質鐵礦石資源匱乏的限制。

　　國內外氫冶金技術進展

　　（1）富氫高爐冶煉技術

　　國內，寶鋼股份于2020年進行了復合噴吹天然氣的生產試驗，噸鐵噴吹量達到60標準立方米～65標準立方米，試驗中一氧化碳利用率保持在49%，氫氣利用率達到43%，燃料比由492千克/噸下降至440千克/噸，降幅為10%左右。晉南鋼鐵2座1860立方米高爐開展風口噴吹焦爐煤氣和工業副產氫氣的研發、設計和工業化應用，實現了噸鐵焦爐煤氣噴吹量為65標準立方米，高爐燃料比平均降低32千克/噸，噸鐵碳排放量降低80千克左右，取得了較好的經濟、社會、環境和降碳效果。寶武八鋼創新研發了富氫碳循環氧氣高爐技術，建設400立方米富氫碳循環氧氣高爐工業實驗平臺，完成從35%富氧、50%超高富氧到100%全氧冶煉工況條件下的噴吹脫碳煤氣和富氫冶煉的工業化生產試驗，實現了化石燃料消耗降低30%、碳減排21%的階段性目標，其2500立方米HyCROF（富氫碳循環氧氣高爐）商業化示范項目也于今年9月底建成并正式點火投運，預計將實現年減排二氧化碳100萬噸。

　　國外，蒂森克虜伯于2019年正式將氫氣注入杜伊斯堡廠9號高爐進行氫煉鐵試驗，此后逐步將氫氣的使用范圍擴展到高爐全部28個風口，最終目標是在杜伊斯堡地區3座高爐都噴吹氫氣，實現碳減排19%～20%。安賽樂米塔爾公司分別在德國不萊梅廠和法國敦刻爾克廠的高爐上開展了純氫或富氫氣體噴吹。日本則于2008年啟動COURSE50項目研究，開發將焦爐改質煤氣作為還原劑噴吹進高爐的富氫還原技術及碳捕集技術，于2016年進行了第一次試驗，研發了氫還原效果最大化的操作技術，基本實現碳減排9.4%，2023年2月份日本制鐵決定啟動該技術在實際高爐中的試驗，計劃于2026年在君津廠2號4500立方米高爐開展工業化試驗。

　　（2）氫基豎爐直接還原技術

　　“十四五”期間，中國寶武、河鋼集團、中晉冶金、中國鋼研等一批國內鋼鐵企業圍繞氫基豎爐技術開展工業示范。河鋼集團120萬噸氫冶金示范工程一期60萬噸項目已投產運行4個月，采用基于焦爐煤氣零重整豎爐直接還原技術，產品質量指標達到設計要求，比同等高爐長流程每年可減少碳排放80萬噸，減排比例達70%。湛江鋼鐵百萬噸氫基豎爐于2022年2月份開建，預計于2023年底建成，投產后對比傳統鐵前全流程高爐煉鐵工藝同等規模鐵水產量，每年可減少碳排放50萬噸以上，項目主要以焦爐煤氣和天然氣為氫源。中國鋼研開發具有自主知識產權的純氫冶金技術，于2022年在山東臨沂臨港建設萬噸級純氫冶金技術開發中試基地，現階段正開展試驗。

　　國外鋼鐵企業也積極推進氫基豎爐直接還原研發與示范應用，瑞典鋼鐵開展HYBRIT無化石能源煉鋼項目，采用全綠氫豎爐+電爐的技術路線來實現零碳目標，目前正處于中試階段，計劃在2026年—2030年完成商業化應用。安賽樂米塔爾致力于純氫冶煉技術研發，建設10萬噸/年純氫豎爐中試廠，并計劃于2025年、2026年分別在西班牙、加拿大建設氫基豎爐+電爐流程的零碳工廠。德國薩爾茨吉特公司建設試驗規模為100千克/時的μDRAL綠氫中試示范工廠，計劃于2033年完成薩爾茨吉特工廠的低碳改造，二氧化碳總量降低約95%。同時，塔塔鋼鐵、日本神戶制鋼、蒂森鋼鐵也規劃或正在開展氫基豎爐工程項目，逐步降低現有高碳排放的傳統高爐生產流程占比。

　　（3）基于流化床反應器的氫直接還原工藝

　　圍繞流化床直接還原工藝，中科院過程工程所多年來持續推進針對普通鐵礦、釩鈦磁鐵礦的流化床直接還原工藝技術和關鍵裝備的研發，于2014年建立2000噸/年釩鈦磁鐵礦直接還原—電爐熔分示范裝置，實現了7天連續熱態穩定運行；2022年聯合鞍鋼集團、上海大學等單位合作建設全球首套年產1萬噸直接還原鐵的流化床綠氫直接還原示范裝置，計劃于2024年前投入運行，并在此基礎上優化形成年產50萬噸直接還原鐵的流化床氫氣直接還原工藝包。

　　國外針對流化床的氫基直接還原研究也在持續開展。美卓奧圖泰公司于1999年投運1座年產50萬噸的Circored工業生產裝置，至2001年共生產了超過30萬噸的高質量熱壓塊海綿鐵，目前該廠歸安賽樂米塔爾公司所有，自2015年以來一直處于閑置狀態。普銳特冶金在原FINMET流化床經驗基礎上，正在研發HYFOR（氫基粉礦還還原）流化床還原技術，在奧鋼聯鋼鐵公司投運一座中試試驗廠，作為該技術研發平臺。韓國浦項依托FINEX流化床反應器設計運行經驗優勢，正在開發HyREX技術，高爐使用普通鐵礦粉作為原料，通過流化床還原后的礦粉經熱壓塊進入熔融氣化爐（遠期采用電熔分爐）熔分得到鐵水，期望突破傳統直接還原對高品質礦石資源的要求限制。據悉該技術目前仍處于試驗研究階段，計劃2025年—2028年完成中試，2030年以后進行商業化推廣。

　　（4）富氫熔融還原技術

　　該技術是國內建龍集團正在研發的氫冶金新技術，基于富氫冶金理念的全球首套工業化熔融還原項目于2021年4月份投產，該項目將通過3步（煤+焦爐煤氣熔融還原、全焦爐煤氣熔融還原、純氫熔融還原）走，實現富氫冶金、全氫冶金。目前，該項目處于第一步的煤+焦爐煤氣富氫熔融還原示范階段。國外則主要是科研機構、企業正在開展氫等離子體熔融還原技術（HPSR）的實驗室研究，其中奧鋼聯在多納維茨的工廠建設熔融還原試驗裝置來開展基礎研究，暫未開展工業化示范項目建設及運營。

　　現階段氫冶金面臨的難題

　　（1）全球高品位鐵礦石資源匱乏

　　得到行業普遍認可的氫基直接還原+電爐煉鋼的近零碳流程，需要使用優質高品位鐵礦石資源（含鐵67%以上）。根據美國地質調查局2023年數據，全球鐵礦石儲量約為1800億噸，其中鐵含量為850億噸，但全球鐵礦資源分布不均衡，富礦資源主要集中在南半球的澳大利亞、巴西、印度、南非、伊朗等國家，原礦采出品位基本在50%以上，但鐵礦產品以粉礦為主，且品位基本在67%以下。按鐵礦石資源儲量，我國居世界第四位，但鐵礦石含鐵品位平均僅為34.5%，貧礦占全部鐵礦石資源儲量的98.8%，絕大部分鐵礦石須經過選礦富集后才能使用，產品以傳統高爐用鐵精礦為主，67%以上優質高品位鐵礦石仍然較少。此外未來隨著鐵礦開采不斷推進，全球高品位優質鐵礦石資源還將不斷減少。基于氫基直接還原+電爐煉鋼的近零碳流程產業化面臨著鐵礦石資源保障難度大的問題，為推進低品位鐵礦石資源在氫基直接還原工藝中應用，各國研究機構及部分企業提出氫基直接還原+電熔分爐（ESF）+轉爐煉鋼的創新技術路線，但還處于研發過程中，其經濟性有待驗證。

　　（2）氫冶金耗氫量大，氫能資源保障難度大

　　按照氫基豎爐直接還原噸鐵消耗氫氣900標準立方米計算，百萬噸級氫基直接還原項目年消耗氫氣9億標準立方米，折合年消耗氫氣8.2萬噸，若全國全氫豎爐冶煉實現1億噸規模，需增加氫氣制取能力至少820萬噸。根據中國氫能聯盟研究院與石油和化學工業規劃院統計，我國氫氣年產量約為3300萬噸，電解水制氫規模占比僅為2%，化石能源制氫均為配套合成氨、甲醇、石油化工等項目而被直接利用，電解水制氫則主要配套浮法玻璃、電子、交通運輸等領域。雖然我國制氫規模較大，但現階段可用于氫冶金的清潔低碳氫資源少。

　　現階段我國鋼鐵行業發展氫冶金最易獲得的氫源是焦化副產焦爐煤氣，每年外供焦爐煤氣資源量約為900億立方米～1000億立方米，但基本作為鋼鐵生產燃料、發電或生產化工產品利用，在無明顯經濟效益優勢的情形下，難以促使焦化企業放棄原有的焦爐煤氣綜合利用設施而建設新的氫冶金生產線。

　　（3）制氫成本高、經濟性差

　　發展氫冶金需要有低成本的氫能作為基礎保障。現階段可再生能源電解水制綠氫成本在2元/標準立方米～3元/標準立方米，每生產1噸DRI使用氫氣成本達到1800元～2700元，而傳統高爐冶煉噸鐵燃料成本在1000元左右，單純能源成本就增加800元～1700元；氫基直接還原使用含鐵67%以上高品位鐵礦石原料成本也高于高爐用普通鐵礦石原料，DRI產品用于電爐煉鋼，噸鋼電耗在400千瓦時～500千瓦時，其能源成本高于轉爐煉鋼能源成本。總體來看，氫氣成本、鐵礦石原料成本及電爐煉鋼環節成本增加是影響氫冶金+電爐煉鋼近零碳流程經濟性的主要限制因素。

　　（4）技術研發方面存在較多難點

　　氫冶金的發展需要制—儲—用3個環節協同推進，并兼顧每個環節的經濟性、低碳性和安全性。一是綠氫的大規模、低成本制備技術障礙需要突破；二是氫還原為強吸熱反應，需研究解決熱平衡問題及配套裝備參數優化，氫冶金涉及到豎爐、流化床主要裝備還未成熟，尤其豎爐裝備現階段仍以引進國外技術為主；三是可再生能源受制于風或光等外部資源變化，波動性較大，如何與制氫、冶金連續穩定生產相結合是重點攻關方向；四是解決氫能的安全使用問題，氫能使用對加熱裝備和反應器的耐高溫、耐高壓、防泄漏、耐氫蝕性及安全存儲輸送等帶來巨大挑戰。

　　氫冶金發展前景及建議

　　（1）發展前景

　　“十四五”期間，我國氫冶金技術以中試及工業示范為主。基于焦爐煤氣的豎爐直接還原技術和富氫高爐冶煉技術將趨于成熟，工業化應用經驗及裝備國產化技術能力將大幅提升。預計2025年基于焦爐煤氣的豎爐直接還原煉鐵規模達到300萬噸～400萬噸，在區域電價、煤氣價格具有優勢情況下，直接還原鐵/廢鋼+電爐冶煉工藝生產優特鋼及高附加值出口鋼材將在有需求的龍頭企業內得到示范應用。在該階段綠氫價格難以大幅下降，應用于冶金工藝將大幅增加產品成本，還不具備成本優勢。

　　“十五五”期間，基于焦爐煤氣的豎爐直接還原技術預計在煤氣資源豐富的地區或企業得到進一步推廣應用，生產高附加值低碳鋼材產品及應對歐盟碳關稅限制，預計到2030年基于富氫焦爐煤氣的直接還原鐵規模將能達到700萬噸～900萬噸，基于流化床反應器的氫還原鐵技術預計將得到攻關突破。在此階段，預計綠氫成本仍較高、不具備競爭優勢，難以實現規模化工業應用。

　　2035年后，上述氫冶金技術將不斷趨于成熟，核心技術裝備實現國產化，應用規模持續擴大，并且隨著可再生能源制氫資源不斷豐富、成本下降及碳排放成本增加，綠氫將在氫冶金工藝中得到工業應用。

　　（2）發展建議

　　國家層面，應加強氫冶金頂層設計。我國氫冶金技術的研發需要國家層面的戰略規劃和定位，編制出臺可行的氫冶金發展戰略規劃、氫冶金實施方案、氫冶金技術路線圖等，制定氫能在鋼鐵等工業領域的應用標準，逐步構建氫冶金標準體系。建議協調國家有關部門及地方制定專項政策，對于行業重大和突破性氫冶金低碳共性技術，在產能置換、產量、能耗總量控制、污染物排放指標等方面給予一定的政策支持。將降碳潛力大的氫冶金技術納入綠色金融、轉型金融、綠色信貸支持范圍內，并在財政、稅收、信貸上給予支持，推進先進氫冶金示范項目建設及有效運營。

　　行業層面，聚焦先進低碳冶金共性技術，建立行業重點攻關創新技術目錄。集聚行業企業、科研機構優勢創新資源，布局開展前瞻性、系統性、戰略性新技術研發項目，使我國低碳冶金技術創新達到國際領先水平。搭建多方參與的低碳冶金創新平臺，共同開展低碳冶金共性技術研發，培育壯大以企業為主體的低碳創新生力軍，構建低碳冶金技術創新體系，提高行業科技創新策源能力。

　　企業層面，穩步審慎推進氫冶金項目建設。當前，低成本制取綠氫、儲氫等關鍵技術還未實現重大突破，具有經濟性和低碳性的氫冶金技術路線還未成熟，金融、財稅等相關支持政策還不完善，建議鋼鐵企業在投資前做好項目技術調研、經濟分析、投資風險評估等基礎論證工作。冶金企業加強與制氫裝備企業合作，共同推進制氫—氫冶金兩大行業實現能源穩定供應，增強技術裝備開發和設施運營的一致性、互融性，積極布局掌控全球優質鐵礦石資源，增強自身發展氫冶金的資源保障能力。（國鋼鐵工業協會副秘書長、冶金工業規劃研究院院長、黨委副書記 范鐵軍）

　　轉自：中國冶金報

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