氫冶金助力鋼鐵行業(yè)深度降碳

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放總量的15%左右，是制造業(yè)中碳排放量最大的行業(yè)。“雙碳”目標(biāo)下，我國(guó)鋼鐵行業(yè)成為工業(yè)領(lǐng)域綠色發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)。減污降碳是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、落實(shí)生態(tài)文明理念的必然選擇。

“氫冶金”是重要技術(shù)路徑

當(dāng)前，我國(guó)主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程，以煤炭作為主要能源和還原劑，即鐵礦石和焦炭在高爐煉鐵，鐵水再經(jīng)轉(zhuǎn)爐煉成鋼。生產(chǎn)過(guò)程中必然產(chǎn)生大量的二氧化碳，形成較高的碳排放強(qiáng)度。

“在現(xiàn)階段碳排放強(qiáng)度到未來(lái)極致碳排放強(qiáng)度的過(guò)渡階段，依托鋼鐵工業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝難以實(shí)現(xiàn)行業(yè)碳中和，必須尋求減煤降碳降焦，大幅替代化石能源的新型冶煉工藝。因此，包括氫冶金在內(nèi)的顛覆性冶煉技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的重要方向。”冶金工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心低碳研究所所長(zhǎng)陳瑜坦言。

對(duì)于發(fā)展氫冶金技術(shù)，國(guó)家層面已作出清晰的規(guī)劃部署。

2022年2月，工信部、國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》；2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—20235年）》；2022年8月，工信部、國(guó)家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》……多個(gè)政策的出臺(tái)，明確宣示了國(guó)家對(duì)優(yōu)化氫冶金、富氫冶煉等低碳冶煉技術(shù)的大力推進(jìn)。與此同時(shí)，鋼鐵行業(yè)內(nèi)部也在氫冶金技術(shù)應(yīng)用和研發(fā)方面采取了積極行動(dòng)。

據(jù)了解，目前中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司、鞍鋼集團(tuán)有限公司、河鋼集團(tuán)有限公司等企業(yè)都已陸續(xù)確定并發(fā)布了各自的行動(dòng)方案、技術(shù)路線、低碳發(fā)展路線等，都將氫冶金作為其中重要的降碳技術(shù)路徑。

陳瑜表示，目前氫還原是替代碳還原最可行的途徑，不僅有理論技術(shù)支撐，而且已經(jīng)具備實(shí)踐應(yīng)用條件，對(duì)高爐富氫循環(huán)、氫基熔融還原和氫基直接還原等路線，國(guó)內(nèi)外企業(yè)都已經(jīng)開(kāi)展了示范研究，并取得了積極進(jìn)展。

“綠色、經(jīng)濟(jì)、安全”是發(fā)展關(guān)鍵

“首先綠色經(jīng)濟(jì)化制氫，穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的‘綠氫’供應(yīng)是氫冶金大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要前提。”陳瑜指出，氫冶金能否對(duì)鋼鐵行業(yè)碳中和起到關(guān)鍵支撐作用，從一定程度上，取決于“綠氫”能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)供應(yīng)。

“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規(guī)模經(jīng)濟(jì)化制氫是基礎(chǔ)。由自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)（NRDC）、冶金工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心聯(lián)合發(fā)布的《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《戰(zhàn)略研究》）認(rèn)為，綠色經(jīng)濟(jì)化制氫和安全規(guī)模化用氫是發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵因素。這也與國(guó)家提出的相關(guān)氫能發(fā)展目標(biāo)相吻合。

據(jù)了解，目前我國(guó)年制氫產(chǎn)量約為3300萬(wàn)噸，以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦?fàn)t煤氣、煉廠干氣等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%。通過(guò)使用可再生能源制造“綠氫”是未來(lái)發(fā)展方向，但目前成本高、技術(shù)壁壘高，尚處于示范性工程導(dǎo)入階段。

對(duì)此，《戰(zhàn)略研究》建議，近中期可以充分利用各類(lèi)工業(yè)產(chǎn)氫，就近消納，降低工業(yè)副產(chǎn)氫供給成本。遠(yuǎn)期的光伏、風(fēng)能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國(guó)鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。

“另外一個(gè)重要的因素就是安全規(guī)模化用氫，由傳統(tǒng)的碳基能源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉臍淠茉矗趦?chǔ)存運(yùn)輸?shù)确矫妫瑢?duì)相應(yīng)的安全、溫度、壓力和流量等都有一些特殊的要求。”陳瑜認(rèn)為，在設(shè)計(jì)和建設(shè)規(guī)范等方面都應(yīng)該有相應(yīng)的基礎(chǔ)，在技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，必須完善氫冶金和鋼鐵企業(yè)儲(chǔ)氫用氫相關(guān)的工程建設(shè)、安全防火等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以支撐用氫的安全化和規(guī)范化。同時(shí)，輸氫、儲(chǔ)氫等相關(guān)配套措施也要逐步完善。

記者了解到，目前運(yùn)氫方式最為成熟的是高壓長(zhǎng)管拖車(chē)的方式，適合在城市內(nèi)運(yùn)輸，滿(mǎn)足短途內(nèi)輸氫的需求。低溫液氫運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備技術(shù)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，將成為民用氫能領(lǐng)域的重要運(yùn)氫方式。天然氣摻混氫氣輸運(yùn)方式，與新建純氫輸氫管道相比更具經(jīng)濟(jì)性。值得關(guān)注的是，隨著東部等發(fā)達(dá)地區(qū)氫氣需求增長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送，有助于解決中國(guó)能源地域分布不平衡問(wèn)題。

“預(yù)計(jì)在2040年前，焦?fàn)t煤氣制氫可以憑借制備、儲(chǔ)運(yùn)、利用成本低、技術(shù)成熟、效率高等優(yōu)點(diǎn)成為鋼鐵企業(yè)用氫主要來(lái)源。在2040年后，鋼鐵產(chǎn)業(yè)氫冶金發(fā)展將取決于‘綠電’西電東送和‘綠氫’西氣東輸工程。只有實(shí)現(xiàn)上述兩大配套工程，才能夠?qū)崿F(xiàn)東部地區(qū)鋼鐵工業(yè)深度脫碳。”陳瑜預(yù)測(cè)。

“降成本”是主要課題

“對(duì)氫冶金應(yīng)用發(fā)展最制約，也是最關(guān)鍵的一個(gè)因素，更多的還是碳成本和氫冶金成本。而且影響氫冶金經(jīng)濟(jì)性的可變因素主要是氫氣成本和碳排放成本的配比。”陳瑜表示，隨著技術(shù)進(jìn)步，制氫成本將逐步降低，同時(shí)企業(yè)要為碳減排，在碳市場(chǎng)中支付一定的碳成本時(shí)，氫冶金才能顯示出它相應(yīng)的成本優(yōu)勢(shì)。在不同階段適當(dāng)用碳市場(chǎng)手段來(lái)提高企業(yè)碳排放成本也是推動(dòng)氫冶金發(fā)展和氫冶金示范應(yīng)用的重要手段。

專(zhuān)家測(cè)算碳冶金和氫冶金成本相當(dāng)時(shí)的“綠氫”和“綠電”價(jià)格時(shí)發(fā)現(xiàn)，按照電解1000立方米“綠氫”用電4500千瓦時(shí)、電力成本占總成本70%的情況，要達(dá)到冶煉成本平衡點(diǎn)為1337.2元/噸，“綠氫”價(jià)格需要低于15.02元/千克，“綠電”價(jià)格需要低至0.208元/千瓦時(shí)以下，而碳排放成本需要達(dá)400元/噸。

因此，碳成本越高，氫冶金越容易具備成本優(yōu)勢(shì)。碳排放成本是平衡氫冶金和碳冶金成本的關(guān)鍵因素之一，也是推動(dòng)氫冶金示范推廣、實(shí)現(xiàn)碳減排的驅(qū)動(dòng)力。

“阻礙氫冶金發(fā)展的重要因素有兩點(diǎn)，一是投資，二是成本。”中冶京誠(chéng)工程咨詢(xún)部部長(zhǎng)李傳民也同樣認(rèn)為，氫冶金工程投資大，一般是同規(guī)模高爐流程、焦化、燒結(jié)3道工序投資之和的2倍。所以目前在行業(yè)盈利水平較低的情況下，意向投資企業(yè)對(duì)該類(lèi)項(xiàng)目存在很大顧慮，企業(yè)首先考慮的是經(jīng)濟(jì)效益和投資回報(bào)問(wèn)題。

“要爭(zhēng)取綠色金融的支持，這一點(diǎn)特別重要，因?yàn)樵谥袊?guó)現(xiàn)在幾乎是零，但是在其他國(guó)家，尤其像歐洲、日本、韓國(guó)發(fā)展氫冶金，無(wú)一例外先是爭(zhēng)取了政府和金融機(jī)構(gòu)支持才開(kāi)始做。”世界鋼鐵協(xié)會(huì)副總干事、中國(guó)區(qū)首席代表鐘紹良表示，政府和金融機(jī)構(gòu)要加大綠色金融方面的支持。

在綜合考慮中遠(yuǎn)期鋼產(chǎn)量變化趨勢(shì)和鋼鐵工業(yè)“雙碳”愿景的基礎(chǔ)上，《戰(zhàn)略研究》提出我國(guó)氫冶金發(fā)展四步走線路圖：

第一階段：到2030年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降15%。集中攻關(guān)高爐富氫冶煉技術(shù)和純氫基直接還原技術(shù)，以及相應(yīng)的軟硬件；開(kāi)展高爐富氫冶煉技術(shù)的示范項(xiàng)目，有條件的鋼鐵企業(yè)應(yīng)率先開(kāi)展高爐噴氫改造，爭(zhēng)取富氫高爐產(chǎn)能占比達(dá)到15%。

第二階段：2030年到2040年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降55%。在此期間，鋼鐵行業(yè)應(yīng)集中攻關(guān)純氫基直接還原技術(shù)及氫基直接還原裝備的國(guó)產(chǎn)化、大型化；純氫直接還原技術(shù)取得突破性成果，開(kāi)展純氫直接還原技術(shù)示范項(xiàng)目；國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)體系初步形成，氫源供應(yīng)增長(zhǎng)，成本下降，富氫高爐產(chǎn)能占比超過(guò)60%。力爭(zhēng)綠氫用量占比達(dá)到30%以上。

第三階段：2040年到2050年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降85%。大力推廣純氫基直接還原技術(shù)，加快“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程制鋼向“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼轉(zhuǎn)型，“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼產(chǎn)能占比達(dá)到25%；“綠氫”供應(yīng)量占鋼鐵產(chǎn)業(yè)需氫總量達(dá)到85%。鋼鐵企業(yè)與“綠電”“綠氫”供應(yīng)商緊密結(jié)合，共建產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，耦合發(fā)展。

第四階段：2050年到2060年，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降95%。進(jìn)一步提升“豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比；“純氫基豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比達(dá)到35%。至2060年，鋼鐵行業(yè)年碳排放量降低至約1億噸，通過(guò)推進(jìn)CCUS和碳匯，可實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。

此外，對(duì)于未來(lái)氫冶金發(fā)展，《戰(zhàn)略研究》建議，應(yīng)加強(qiáng)氫冶金技術(shù)研發(fā)和示范的財(cái)政和稅收支持，給予氫冶金研發(fā)和試點(diǎn)項(xiàng)目在信貸總量、支持方式和利率上更多支持；在鋼鐵行業(yè)納入全國(guó)統(tǒng)一碳市場(chǎng)后，結(jié)合行業(yè)低碳發(fā)展目標(biāo)及氫冶金等戰(zhàn)略路徑，科學(xué)合理地減少免費(fèi)配額占比，使率先推進(jìn)氫冶金技術(shù)的企業(yè)能夠從碳交易中先獲益、多獲益；強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)謀劃，構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)鏈和鋼鐵行業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。