碳中和背景下的产业重构—以“氢”炼“钢”

能源产业的发展是支撑国家现代化的重要支柱，煤炭能源发展转化升级，走绿色低碳发展的道路。既不会超出资源、能源、环境的极限，又有利于实现碳达峰、碳中和目标。

以“氢”炼“钢” 刻不容缓

碳中和背景下，我国氢气炼钢产业前景广阔。据不完全统计，每生产1t钢，采用高炉工艺将排放出2.5t的二氧化碳，转炉生产吨钢CO2排放为2.2吨左右，电炉工艺也要排放0.5t的二氧化碳。

面临我国“2030实现碳达峰、2060实现碳中和”的紧迫目标，中国迫切需要加速推进钢铁等重点行业节能减排，钢铁行业的节能减排对策的制定与实施刻不容缓。截至2020 年，我国钢铁企业平均吨钢碳排放量为1765 公斤。采用基于天然气的炼铁工艺，可以将吨钢碳排放降至940 公斤；而使用80%的氢气和20%的天然气则可以降至437 公斤；如果完全使用氢气炼钢，则可以实现二氧化碳的“零排放”。

钢铁冶炼是指在高温下，用还原剂将铁矿石还原得到生铁，再将生铁按一定工艺熔炼以控制其含碳量，最终得到钢的生产过程。铁矿石有赤铁矿和磁铁矿等。



传统的高炉炼铁选用焦炭作为原料之一，通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳，在高温下利用一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳气体。目前的炼钢企业大都采用该技术，因此钢铁行业碳排放量大，污染严重。

若不能做到真正的“降碳减碳”，钢铁行业的生存发展将会面临瓶颈。而氢能炼钢则利用氢气替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水，没有二氧化碳排放，因此炼铁过程绿色无污染。

“减产”“配额” 减碳降排

根据实际情况和产业特殊性，目前我国钢铁行业低碳减排政策主要有两种：

一是压缩钢铁产量。工信部要求“进一步促进钢铁产量的压减，逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗总量为依据的存量约束机制，研究制定相关工作方案，确保2021 年全面实现钢铁产量同比的下降”。这说明，低排放、低能耗的企业在未来将会获得更宽松的钢铁产量限制。

二是实施碳排放权限额分配制度。工信部和生态环境部都表示要将钢铁行业纳入碳交易市场中，限额二氧化碳排放。根据钢铁行业适用的历史强度限额分配法，在获配限额一定的条件下，钢铁企业不断降低产品能耗和碳排放量，将会为企业带来更宽松的钢铁产量限制。

不论是减产还是配额，钢铁企业的产量都和自身的碳排放、污染物排放、能耗总量等指标相关联。在未来钢铁行业低碳减排政策不断落地的严监管环境下，较低能耗和较低排放的环保型钢铁企业将会拥有长足的成长优势。

目前氢气炼钢已经被应用到成熟的工业生产方案中，主要的方案设计有两种：部分使用氢气和完全使用氢气。在部分使用氢气的设计方案中，氢气占到还原剂的80%，其余气体原料为天然气，因此该设计方案下依然会有部分二氧化碳排出。

根据国际能源署汇总数据，在中国生产氢气各种不同技术路径的成本、碳强度如下所示：电网电解水制氢成本最高（约 5.5 美元/公斤）；可再生能源发电制氢成本（约 3 美 元/公斤）；天然气加碳捕捉与贮存制氢（约 2.5 美元/公斤）；天然气制氢（约 1.8 美元/公斤）；煤制氢（1 美元/公斤）；煤加碳捕捉与贮存制氢（1.5 美元/公斤）。

按照中国目前氢能市场价格，采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。

成本问题已经是制约氢能产业发展“老生常谈”的问题。今年以来，随着国家政策的不断利好，氢能降本有望更早来临。

《焦化行业“十四五”发展规划纲要》提出，注重我国炼焦煤资源的高效利用，在炼焦煤全生命周期内，努力追求煤、焦、铁的系统优化配置和高性价比，实现协调可持续发展。有序推进氢能发展利用，发挥焦炉煤气富氢特性，并在产业发展方面给予政策引导和支持。

先行先试 重大突破

今年上半年，我国两大钢铁企业传出好消息，以“氢”炼“钢”，实现重大突破。

5月10日，河钢宣钢举行氢能源开发和利用工程示范项目开工仪式，标志着全球首例氢冶金示范工程正式启动建设。

作为全球首例使用富氢气源的氢能源利用项目，河钢宣钢氢能源开发和利用工程示范项目承载富氢低碳新技术、新工艺的创新实践，将充分利用张家口地区国家级可再生能源示范区优势，打造可推广、可复制的“零碳”制氢与氢能产业发展协同互补的创新发展模式。

项目开发的氢还原新工艺，可替代传统高炉碳冶金工艺，预计年可减碳幅度达60%。项目建成后将成为世界首套新一代低碳氢能源示范装置，为推动传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变迈出颠覆性、示范性、关键性步伐，进一步引领传统钢铁冶金工艺变革。

问鼎全球钢铁行业榜首的宝武集团，也在一月实现了“全球首次”。6月11日，中国宝武绿色低碳冶金实验平台——八钢富氢碳循环高炉成功接入经过脱碳处理的八钢欧冶炉煤气，这是全球首次实现脱碳煤气循环利用的案例，标志着八钢在高炉碳减排、碳循环技术探索方面取得重大突破。

在中国宝武提出率先实现碳达峰碳中和目标的当下，富氢碳循环高炉存在的最大价值和意义就是为传统高炉低碳冶炼探索新路。高炉炼铁要想实现真正意义的碳减排，就必须实现全氧冶炼，实现碳循环。后期八钢富氢碳循环高炉将通过技术升级和优化，实现全氧冶炼目标，打造真正的高炉绿色低碳炼铁新工艺。

钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业，氢能具备帮助钢铁企业节能减排、完成转型的潜力，加之氢能行业是刚处于起步阶段的行业，钢铁企业为氢能提供了更多的落地应用机会，有着良好的示范效应和应用前景，能够吸引更多行业涉足氢能与精品钢制造。

将氢气加入钢铁企业的产业链中，能够升级传统钢铁制造、扩大氢气的使用量、有效利用废钢以及减少铁矿石的使用量，将形成产业结构和能源结构的双赢局面。随着未来环保成本的不断上升，氢能炼钢的环保效益将会覆盖其较高的成本，从而使企业从中获益。在碳中和的大背景下，氢能炼钢具有较大的发展空间与潜力。

（文中数据来源于网络）