今年5月，河钢集团张宣高科科技有限公司的氢冶金示范项目正式实现安全连续生产。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。
今年5月，河钢集团张宣高科科技有限公司的氢冶金示范项目正式实现安全连续生产，产品高纯直接还原铁金属化率已稳定在94%以上，各项指标达到国际一类标准，标志着全球首例120万吨氢冶金工程示范项目一期工程圆满成功。
5月31日，中国钢铁工业协会在给其的贺信中说，氢冶金项目一期工程的成功，是由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变的重要里程碑，引领钢铁行业迈入“以氢代煤”冶炼“绿钢”的时代。
“碳冶金”到“氢冶金”
二氧化碳减排比例达70%以上
2022年12月16日，全球首例120万吨氢冶金工程示范项目一期工程在河钢集团张宣科技建成投产。作为全球首例采用“焦炉煤气零重整竖炉直接还原”工艺技术的氢冶金示范工程，经过一段时间运行，今年5月，项目正式实现安全、连续、顺利生产。中国钢铁工业协会在给其的贺信中指出，这是氢冶金核心关键技术创新的重大突破，是中国钢铁史乃至世界钢铁史上由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变的重要里程碑，引领钢铁行业迈入“以氢代煤”冶炼“绿钢”的时代。
置身现场，氢冶金与传统炼铁工艺在观感上差别很大。传统高炉被氢基竖炉取代，一个个银白色的反应罐，密布的管道和阀门、仪表，也是传统高炉炼铁所没有的，这里更像一座化工厂。
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，也是氢冶金与传统高炉炼铁本质的不同。“高炉炼铁是铁矿石和焦炭反应，将铁矿石中的氧化铁还原成单质铁，变成铁水。而氢冶金是氢与铁矿石反应，置换出铁矿石中的氧，整个过程是气体与固体的反应。”张宣科技氢冶金作业区作业长吕志敏介绍。
与传统工艺相比，氢冶金在实现传统化石能源替代的同时，也改变了整个冶金的生产流程。当前，钢铁企业普遍的冶炼工艺是“高炉+转炉”的模式，在高炉冶炼出铁水，再经转炉熔炼成钢，这种模式被称为长流程炼钢。氢冶金技术省去高炉等流程，所产出的DRI（直接还原铁）产品直接转入电炉，工艺流程环节减少，复杂度也大大降低。
能源的转换，加上冶炼流程的缩短，氢冶金带来最直接的改变是碳排放量的变化。“传统的冶炼工艺，以含碳量高的煤和焦炭作为燃料，每生产一吨钢，约排放2吨二氧化碳，其中有1.6吨至1.7吨在高炉环节产生。而氢冶金使用的焦炉煤气，本身含有55%至65%的氢气，可直接利用，还有15%的甲烷可分解为氢气和一氧化碳，最终，还原气体中的氢碳比达到8∶1以上。”作为全程参与氢冶金项目的张宣科技技术中心副主任李洋直言，氢冶金是钢铁冶炼的重大技术革新。
一组数据可以说明氢冶金的减排效果。据测算，与同等生产规模的“高炉+转炉”长流程工艺相比，氢冶金示范工程一期每年可减少二氧化碳排放80万吨，减排比例达到70%以上，同时二氧化硫、氮氧化合物、烟粉尘排放分别减少30%、70%和80%以上。
重构用能体系
打破钢铁碳减排的天花板
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。传统钢铁生产的能量载体主要来源于碳元素，所以钢铁工业的气体排放物主要是碳氧化物。从全球范围看，2022年，全球钢铁工业碳排放量约为28亿吨，占全球能源系统排放量的8%左右，中国钢铁工业碳排放量占全球钢铁碳排放总量的60%以上，占全国碳排放总量的15%左右，是我国制造业领域中碳排放量最多的行业。可见，推进钢铁工业降碳是我国“双碳”目标实现的重点关注领域。而经过多年发展的我国钢铁工业的生产技术已经达到世界一流水平，以提高碳素能源利用效率为核心的节能降碳空间已趋于微小，意味着通过传统工艺技术创新促使高炉长流程生产大幅度降碳已几乎触碰到了天花板。
“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。
外部环境也在促使钢铁行业加快降碳步伐。5月17日，欧盟碳边境调节机制（CBAM）正式生效，意味着钢铁、水泥等多个行业将被征收“碳税”。根据预测，我国钢铁行业出口成本或增加4%-6%，粗算为2亿-4亿美元。同时，钢铁下游行业也越来越关注钢材产品的碳排放量，如奔驰、宝马等汽车企业已经要求钢铁供应商提供汽车板产品的生命周期评价报告，并提出“绿钢”要求。这意味着，如果不能尽快降低钢铁工业的碳排放量，不仅将会通过“碳成本提升”直接影响钢铁产品的国际竞争力，还会通过“碳足迹”影响下游制造业和建筑业的绿色发展。因此，钢铁生产要实现突破性碳减排，必须要从能源这个源头入手。重构钢铁生产用能体系，这个不破不立的新理念，为打破冶金低碳减排的天花板指明了新方向。
发展氢冶金
探索钢铁行业降碳新路径
近年来，氢能作为一种绿色、清洁、高效的二次能源正在加速发展。如果钢铁生产实现“以氢代碳”的能源转换，将从源头上大幅降低碳排放，甚至可以实现钢铁生产的“净零碳”排放。冶金还原反应原理反映出，氢气是一种很好的高效还原剂。氢气扩散速度约为一氧化碳的4倍，其还原产物水的扩散速度约为二氧化碳的1.5倍，所以氢气能够比一氧化碳更快地通过矿石细微的孔隙达到反应界面，还原后生成的水蒸气也比二氧化碳扩散得快。氢气不但本身具有还原作用，而且对一氧化碳还原具有催化作用。可见，氢还原比碳还原的效率更高，且氢气还原产物是水，没有温室气体产生。钢铁生产如果使用“氢还原”替代“碳还原”，既可以省去烧结、炼焦等重污染工序，其产品——直接还原铁又能补充我国废钢资源不足，为高质量钢材提供优质纯净铁，是电炉生产高端优质钢和特种钢的纯净原料，进而提高我国高端绿色低碳钢铁产品的国际竞争力。
8月8日，国家标准委与国家发展改革委、工业和信息化部、生态环境部、应急管理部、国家能源局等部门联合印发《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》。这是国家层面首个氢能全产业链标准体系建设指南。
对于发展氢冶金，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。2022年，工信部等几部委联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出将制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用。而在国家发改委发布的《氢能产业发展中长期规划》中则进一步明确，开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢能冶金示范应用。
事实上，氢冶金并不是一门新技术，该技术在欧洲等国家已经发展得相对成熟。氢冶金技术在我国迟迟没有推开，一个深层次的原因是，过去二十年间，钢铁企业更注重提高生产效率和增加产能，而氢冶金是一个小而精的产线，并不适应彼时我国的发展需求。
“当前，我国钢铁行业进入新发展阶段，总产能达到峰值并逐步开始回落，钢铁业开始由量向质的转变过程，所以氢冶金这种更绿色、更注重质量的技术路线有了生存空间。”张宣科技氢冶金公司副总经理李晓兵说。
在我国，对氢冶金的探索已经开始起步，除了张宣科技的氢冶金项目，宝武集团八一钢铁富氢碳循环氧气高炉实验已经成功，正启动2500立方米高炉富氢碳循环商业示范项目。此外，山西中晋冶金科技有限公司也对氢冶金项目进行了成功尝试。
在我省，根据河钢集团规划，预计到2025年，河钢氢冶金冶炼流程占比将提升到7%左右，2030年进一步提升到10%左右，2050年努力达到30%。
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。
持续探索清洁技术
彻底实现绿色冶金
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。
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。