摘要：
一直以来，氢冶金工艺因其低碳低能耗特征受到业内关注，行业内对于该工艺的探索一直热度不减。现有的氢冶金技术研究逐渐朝着多元化的方向迈进：氢气-一氧化碳混合气制铁、纯氢炼铁等技术正逐渐被解锁，这对于我国碳达峰碳中和目标的顺利实现意义非凡。除了对氢冶金工艺的研究，制约该工艺有效实践的主要因素——氢气来源也迎来全新发展契机。电解水制氢或将随着生产成本的压缩，为制氢工业发展提供强大推动力。我们有理由相信：碳中和背景下，我国氢冶金工艺将实现真正意义上的大力发展。
- 碳中和目标提出：我国钢铁行业将面临全新挑战
中国政府对环境保护的重视和决心在2020年提出碳中和这一目标中再一次得到印证。中国将采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
根据PBL挪威环评机构的数据，2018年全温室气体排放量约为556亿吨二氧化碳当量，增速为2%，碳排放量前五的国家排放了全体62%的温室气体，依次为中国(26%)、美国(13%)、欧盟27国家(8%)、印度(7%)和俄罗斯(5%)。作为碳排放量大国，中国此次提出碳中和这一目标对于世界碳排放控制与全球可持续发展意义重大。
具体到钢铁行业，我国是世界上钢铁消费大国，钢铁制造同样位居世界前列。逐年不断攀升的钢铁产能意味着我国距离真正意义上的钢铁产能达峰尚需要一段时间，保守估计未来十年我国的钢铁生产依旧保持较好的发展势头，这与上述提到的我国力争在2030年前达到碳峰值似乎有一定的出入。因此，钢铁行业在接下来的一段时间能否通过技术创新与产业升级实现行业内二氧化碳排放量的有效控制将直接影响我国碳达峰这一目标的有效实现。
我国的粗钢产量自本世纪初即迎来快速上涨，钢铁行业的二氧化碳排放量因而也呈现逐年上涨的趋势。据统计，我国目前的吨钢二氧化碳排放量约为2吨，与2000年比，下降了33.2%。显然，过去20年间，我国的钢铁行业节能减排工作取得较为亮眼的成绩，但以此进度进行测算，到2030年钢铁行业的碳达峰仍然无法保证有效达成，这也意味着，我国钢铁行业必须采取更有效的节能减排技术与手段、通过冶炼技术创新来保证整个行业的碳排放得到有效控制。
- 氢冶金或为钢铁行业碳减排提供解决方案
我国现有的炼钢技术主要有两大类，即长流程与短流程，其中，长流程中涉及到大量含碳元素原料的使用，显然，二氧化碳的排放不可避免；而短流程中因为需要大量使用电力，鉴于我国目前仍主要依靠火力进行发电，电炉的大面积使用也会间接造成大量碳排放。
基于此，钢铁行业普遍将研究重心由改进现有炼铁设备向引入清洁原料方向转移。众多新炼铁技术中，氢炼铁技术因其天然具备的环境友好性这一重要特征已然成为众多新型炼铁技术的首选方案，其具体实现方式与效果广受行业青睐。
我国现有的氢冶金技术中，富氢还原高炉与气基直接还原竖炉两类工艺发展逐渐受到行业的认可。其中富氢还原高炉，即通过喷吹氢气和天然气、焦炉煤气等含氢介质参与炼铁过程。相关实验表明，高炉富氢还原炼铁在一定程度上能够有效促进提高生铁产量，但由于该工艺是基于传统的高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，也就是说，氢气喷吹量存在极限值，该工艺下的碳排放减量有限，一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度可达10%-20%，这对于实现我国2030年碳峰值目标似乎意义不大。
相比之下，气基直接还原竖炉工艺对于从源头上控制含碳原料的投入以及最后的二氧化碳产出均有重要作用。气基直接还原竖炉即通过使用氢气与一氧化碳混合气体代替一氧化碳作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁（DRI），之后再将其投入电炉进行进一步冶炼。显然，由于氢气作为主要还原剂，其最后得到的产物中，二氧化碳排放量将会得到有效控制。相较于富氢还原高炉，采用气基直接还原竖炉工艺进行铁矿石冶炼的吨二氧化碳排放量减少50%以上。以现有的传统长流程炼铁技术为例，吨钢二氧化碳排放量由现有的近2吨下降到不到1吨，这对于我国实现碳达峰及碳中和目标无疑带来新的可能。
除了现有的利用氢气-一氧化碳混合气进行铁矿石冶炼外，行业内对于纯氢气炼铁的探索同样一直在积极推进。与长流程相比，该工艺下二氧化碳排放将降低98%，再一次为钢铁行业的清洁生产创造全新可能。当然，现有条件下，由于氢还原的强吸热效应导致全氢竖炉煤气量大幅增加、还原速率同样也会受到影响、全氢对设备与操作等要求高等问题，全氢冶金技术还不能得到真正意义上的大面积推广与实际应用。
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表1：不同炼铁工艺对应二氧化碳排放量差异悬殊 |
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冶炼方式 |
所需能量 |
二氧化碳排放量 |
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高炉炼铁 |
18.8GJ/t |
1850kg/t |
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直接还原+电炉炼铁 |
15.6GJ/t |
970kg/t |
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氢基炼铁 |
14.7GJ/t |
25kg/t |
数据来源：钢联整理
综合以上，碳达峰与碳中和的大背景下，短期内气基直接还原竖炉工艺将会是我国主流氢冶金技术手段，该工艺的进一步成熟化也将是行业的主要探索方向。
- 制约氢冶金工艺发展的重要因素分析
气基直接还原竖炉工艺无疑为我国控碳减排带来全新思路，但摆在眼前的问题还有很多，除了该工艺的设备线投产、操作人员培训等因素外，氢气的来源问题给这一技术的实际推广与应用带来直接冲击。
现有制氢工艺主要分为三大类：化石能源制氢、工业副产氢、电解水制氢。化石能源制氢主要包括煤制氢与天然气制氢，其中前者作为成本较低的制氢技术在国内发展较成熟，据估计，在原料煤（含碳量80%以上）600元/吨的情况下，制取成本为8.85元/kg，其中原料成本仅占15%-20%。相较于天然气制氢的70%原料成本占比，煤制氢技术的成本可控性更强。但由于煤制氢过程会延伸出更多碳足迹，这一特性与节能减排等低碳目标相悖。近年来，焦炉煤气制氢、轻经裂解制氢、氯碱副产制氢作为主流的工业副产氢技术得到发展。这三大制氢工艺理论上制取的氢气纯度较高，但制约其发展的关键在于其原料是否供应充足。而电解水制氢是所有制氢技术中氢气纯度最高的工艺，现有比较成熟的电解槽技术中，质子交换膜（PEM）、碱性电解槽（AE）虽技术实现已经不是问题，但由于较高的用电成本，一直未得到大面积的应用。按照市面电价估计，电解水制氢成本约为30-40元/kg。
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表2：常见制氢工艺中电解水成本远高于其他工艺 |
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序号 |
工艺路线 |
氢气成本(元/m³) |
生产规模(m³/h) |
备注 |
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1 |
电解水制氢 |
2.5-4.0 |
10-200 |
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2 |
天然气蒸气重整制氢 |
0.8-1.5 |
200-200000 |
含炼厂气制氢 |
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3 |
石油蒸汽重整制氢 |
0.7-1.6 |
500-200000 |
含液化气制氢 |
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4 |
甲醇裂解制氢 |
1.8-2.5 |
50-500 |
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5 |
液氨裂解制氢 |
2.0-2.5 |
10-200 |
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6 |
丙烷脱氢制丙烯副产氢 |
0.4-0.8 |
10000-200000 |
含乙烷/丙烷脱氢 |
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7 |
钢铁厂尾气副产氢 |
0.5-1.0 |
10000-200000 |
含焦化 |
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8 |
煤气化制氢 |
0.6-1.2 |
1000-200000 |
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数据来源：钢联整理
以上三大制氢工艺中，电解水制氢所得的成品氢气纯度理论上一般可高达99%，相较于其他方式，电解水制氢在氢气纯度这一关键指标上无疑具有绝对优势。当然，以现有的电力供应情况，大面积推广电解水制氢显然不可能，但考虑到我国清洁能源发电的发展，未来使用诸如生物能、核能等作为电解水制氢电力来源或许会为该工艺的进一步发展带来更多可能。
- 总结
一直以来，我国氢冶金工艺由于技术、成本等因素制约一直未迎来高速发展。但在碳中和这一新形势下，氢冶金工艺的发展再次获得全新动力。与此同时，随着相关制氢工艺成熟与新能源产业发展带来的制氢成本的降低，也将为我国氢冶金工艺发展提供有力保障。
我国钢铁行业对于氢冶金工艺的探索与实践始终未曾止步。早在上世纪70年代，我国便开始自行设计建设了处理钒钛磁铁矿球团的气基竖炉；到了80年代， 宝钢开展了BL法煤制气-竖炉生产直接还原铁半工业化试验研究；进入新世纪，中晋太行建成年产30万吨DRI的焦炉煤气-竖炉直接还原项目；再到最近，河钢集团与意大利特诺恩集团（tenova）正式签署协议，携手建设具有示范意义的氢能源开发和利用工程，包括一座年产60万吨的ENERGIRON直接还原厂，并计划于2021年底投产。相信在不远的将来，我国氢冶金工艺将不断成熟，并逐渐成为矿石冶炼主力军，引领更新的工业清洁生产潮流。
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