氫對鋼鐵行業深度脫碳起決定性作用

近日，自然資源保護協會（NRDC）發布的《面向碳中和的氫冶金發展戰略研究》（以下簡稱《研究》）中提出，當前主流的長流程鋼鐵冶煉工藝是以煤炭作為主要能源和還原劑，生產過程中必然產生大量的二氧化碳。當前傳統工藝技術創新改進難以實現深度脫碳，氫冶金是替代碳還原最為可行的途徑，將對鋼鐵行業深度脫碳乃至“凈零碳”起到決定性作用。

作為支撐我國國民經濟發展的基礎性行業之一，鋼鐵行業是“雙碳”目標下工業綠色發展的重要領域，其碳排放總量占全國的15%左右，是占比最高的制造業。推動“碳冶金”向“氫冶金”轉變，有望進一步加快綠色低碳轉型，助力氫能與鋼鐵產業“雙贏”發展。

已有頂層設計

《研究》指出，我國鋼鐵工業生產流程以長流程為主，占比達90%以上，短流程占比10%，直接還原鐵流程基于天然氣儲量比較小，直接還原鐵流程非常少。從碳排放強度來看，長流程噸鋼碳排放強度在2左右，是廢鋼短流程的4倍，是直接還原鐵流程的2倍。

“通過對行業和工藝現狀機理的綜合分析，我們意識到，基于現有工藝流程，如果依托鋼鐵工業現有生產工藝難以實現行業碳中和，必須尋求減煤降碳降焦、能大幅替代化石能源的新型冶煉工藝。因此，基于氫冶金和綠色能源顛覆性冶煉技術將成為鋼鐵行業低碳發展的重要方向。”冶金工業經濟發展研究中心低碳研究所所長陳瑜指出。

對于發展氫冶金，國家層面和行業層面已經有頂層設計，在工信部等三部委聯合發布的《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》以及“1+N”政策體系中《工業領域碳達峰實施方案》和《減污降碳協同增效實施方案》都明確加強氫冶金、富氫冶煉等示范應用。在《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》中也將氫冶金作為重要的下游應用領域。

鋼鐵行業和企業積極行動，在氫冶金技術應用和研發方面已取得一些進展。2022年，中國鋼鐵工業協會發布《鋼鐵行業碳中和愿景和低碳技術路線圖》，提出鋼鐵行業低碳共性技術清單，涵蓋富氫與全氫氣直接還原技術、富氫碳循環高爐技術、氫機熔融還原技術這三大氫冶金相關的重要領域。此外，中國寶武、鞍鋼集團、河鋼集團等大型鋼鐵企業都將氫冶金作為其中重要的降碳技術路徑，先后發布各自的低碳路線圖。

依賴氫能發展進程

綠色經濟化制氫和安全規模化用氫是發展氫冶金的關鍵因素。《研究》指出，“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規模經濟化的氫源是基礎。目前我國氫氣產量約為3300萬噸，主要以化石能源制氫和工業副產氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦爐煤氣、煉廠干氣等工業副產氫占比約20%。

“氫冶金能否對鋼鐵行業碳中和起到關鍵支撐作用，一定程度上取決于綠氫是否能夠實現穩定且經濟的供應，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，是未來發展方向。”陳瑜分析認為，“但是目前綠氫成本高、技術壁壘高難題尚未解決，因此在近中期的示范階段，建議鋼鐵企業可以充分利用各類工業副產氫實現就近消納，在中遠期，行業將依賴于氫能的發展和布局，利用光伏、風能、水電等綠電電解水制氫，支撐我國鋼鐵工業的氫冶金低碳化轉型。”

世界鋼鐵協會副總干事鐘紹良說：“以前，氫氣在鋼鐵行業并不是一個重要角色，屬于中間能源介質，大部分企業此前將氫氣直接燃燒，最近才把它提煉出來作為還原劑使用。事實上，在當前的轉型過渡階段，氫在鋼鐵行業更多仍是以熱源+還原劑形式出現，但氫氣能夠扮演純粹的還原劑角色應是未來業內所盼。”

中冶京誠工程咨詢部總經理、氫能事業部負責人李傳民也認為，氫參與還原要超過50%才算氫冶金，如果小于50%則仍是以碳還原為基礎。實際應用過程中，氫含量高將提高還原效率，今后要達到全氫水平，在技術上和材料上應該都沒有特別大的障礙。

《研究》進一步指出，氫能規模化、安全、經濟儲運是另一個關鍵因素。目前運氫方式最為成熟的是采用高壓長管拖車，低溫液氫運輸的關鍵設備技術已實現國產化。陳瑜指出，需要注意的是，目前可再生能源分布的區域沒有足夠的鋼鐵需求量支持，如果以制綠氫作為氫源供應氫冶金，需要西氫東輸這樣的配套工程來支持東部沿海區域鋼鐵產業綠色化發展。

尋求更多資金支持

《研究》指出，基于氫的新冶金工藝替代傳統化石能源的生產工藝，所需的工藝流程開發投資十分巨大。李傳民強調，氫冶金工程投資大，在鋼鐵行業盈利能力比較薄弱的情況下，大規模投資能否取得足夠的經濟效益是行業面臨的考驗。

同時，經濟性是制約鋼鐵行業氫冶金推廣發展的又一關鍵因素，隨著技術進步，制氫成本逐漸降低，企業為碳排放支付一定費用時，氫冶金才能顯示出成本優勢。《研究》建議，鋼鐵行業納入全國統一碳市場，統一基準值，以行業當前的噸鋼碳排放強度為基準，以各時間節點減排幅度為目標，結合行業低碳發展目標及氫冶金等戰略路徑，科學合理地減少免費配額占比。

目前氫冶金技術處于發展初期，很多技術都處于研發攻關階段，難以預計降碳收益。《研究》建議，行業主管部門就鋼鐵產業脫碳發展設計專項財稅政策，針對成熟技術、前沿技術分別設定考核指標，給予氫冶金及其他前沿顛覆性技術的研發和試點在信貸總量、支持方式和利率上更多支持。

鐘紹良強調，事實上，在歐洲、日韓等國家和地區，氫冶金行業初期發展得到政府和金融機構大力支持，目前國內幾乎沒有專項資金支持，因此在盡快將鋼鐵行業納入全國統一碳交易市場的同時，應爭取綠色金融支持。同時，可以建立氫冶金發展聯盟，聯合制氫、儲氫、用氫單位及金融機構，共同研究攻堅氫冶金技術。