面對全球氣候變暖的嚴峻挑戰(zhàn)和“雙碳”目標的緊迫要求，先進鋼企競相入局氫冶金新賽道。從全世界煉鐵工藝來看，傳統(tǒng)高爐、熔融還原等工藝的基礎(chǔ)還是煤炭，依靠富氫、煤氣循環(huán)等可以減少碳排放，但改變不了其碳冶金的本質(zhì)。筆者認為，發(fā)展氫基豎爐短流程工藝將是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)綠色低碳的必然，有望實現(xiàn)“零碳冶金”。
擺脫高爐派 VS 保衛(wèi)高爐派
當前，世界各國氫冶金項目增長加快，通過氫冶金生產(chǎn)“綠鋼”或成為未來新的鋼鐵生產(chǎn)模式。
就全球來看，歐洲是氫冶金的先行區(qū)，且基本方向就是應(yīng)用氫冶金短流程替換高爐長流程。其中，瑞典是氫冶金的先鋒隊，最早于2020年8月在呂勒奧投運了世界第一個全氫的HYBRIT（氫基直接還原鐵）試驗裝置。目前，瑞典新興綠色鋼鐵公司H2 Green Steel正在建設(shè)1套250萬噸/年純氫的大型綠色鋼鐵工廠，蓋利瓦雷市也將建設(shè)1座百萬噸級的氫基豎爐項目。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前正在開展的氫冶金項目有：歐洲地區(qū)，塔塔鋼鐵荷蘭分公司的氫基豎爐項目、德國薩爾茨吉特集團μDRAL項目；北美地區(qū)，安米多法斯科（Dofasco） 鋼廠在加拿大漢密爾頓建設(shè)的轉(zhuǎn)型脫碳項目、SSAB （瑞典鋼鐵公司）正在美國佩里和蒙彼利埃建設(shè)零碳排放氫氣直接還原項目 、克利夫蘭·克利夫斯鋼廠在美國米德爾敦的氫氣直接還原鐵項目等；亞洲地區(qū)，韓國浦項制鐵的HyREX+ESF工藝（基于流化床反應(yīng)的氫還原鐵技術(shù)+熔分工藝）、日本新日鐵EDRP項目均在研究使用氫氣還原低品位鐵礦石，寶鋼股份與沙特阿美、沙特公共投資基金計劃在沙特共建“直接還原鐵+電爐”工藝的全流程厚板工廠，印度基礎(chǔ)設(shè)施和能源集團（Essar Group）計劃在沙特建設(shè)綠色鋼鐵廠（GSA），印度金達爾鋼鐵集團正在阿曼建設(shè)“hydrogen-ready”綠色鋼鐵廠；非洲地區(qū)，納米比亞的HyIron項目正在建設(shè)。中東及北非地區(qū)，由于有著大規(guī)模的廉價天然氣，堪稱發(fā)展氫冶金項目的絕佳場地，待戰(zhàn)爭影響消退后，預(yù)計將有更多國內(nèi)外鋼企進駐布局。
就國內(nèi)來看，氫冶金工藝百花齊放，主要有富氫高爐、富氫熔融還原、氫基豎爐、氫基流化床4種工藝。其中，富氫高爐工藝的典型代表是中國寶武八鋼公司的富氫碳循環(huán)氧氣高爐（HyCROF）、河北縱橫的3R碳氫高爐、晉城鋼鐵的燒結(jié)和高爐噴吹煤層氣工藝、晉南鋼鐵和昌黎縣興國精密機件有限公司的高爐噴吹氫氣工藝等；富氫熔融還原工藝的代表是建龍集團在內(nèi)蒙古烏海投建的CISP（非高爐氫基熔融還原）項目，在熔融還原基礎(chǔ)上噴吹焦爐煤氣；氫基豎爐直接還原工藝的典型代表是河鋼集團張宣科技全球首例120萬噸“氫基豎爐—近零碳排電弧爐”新型短流程項目，寶鋼股份湛江鋼鐵建設(shè)的國內(nèi)首套單體百萬噸級氫基豎爐；氫基流化床工藝的典型代表是鞍鋼鲅魚圈公司正在建設(shè)的全球首套綠氫零碳流化床高效煉鐵新技術(shù)示范項目。
整體來看，國內(nèi)外均在探索多元化的氫冶金工藝路線。相較之下，國內(nèi)目前多傾向于保衛(wèi)高爐派工藝（高爐流程噴吹焦爐煤氣/煤層氣/氫氣、CCUS等），而海外傾向于徹底擺脫高爐派工藝（100%廢鋼+電爐、氫基DRI+電爐/熔分爐等）。在關(guān)鍵的氫能源上，國外傾向于直接使用電解水制氫或初始使用天然氣，再逐步用氫氣替代；國內(nèi)則傾向于使用焦爐煤氣。從國內(nèi)外相關(guān)政策來看，各種工藝均是有效的減碳措施，但隨著國內(nèi)鋼鐵行業(yè)即將納入全國碳排放交易和2026年歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制（CBAM）的正式實施，國內(nèi)傳統(tǒng)長流程工藝的鋼鐵生產(chǎn)成本將增加，進而失去競爭優(yōu)勢，以氫基豎爐+電爐（DRI+廢鋼）工藝、全廢鋼電爐工藝為代表的短流程工藝即將迎來發(fā)展的春天。
氫冶金發(fā)展面臨三大難點
當前，制約氫冶金發(fā)展的限制環(huán)節(jié)主要有3個方面，包括氫氣供應(yīng)、鋼鐵產(chǎn)能限制和下游“綠鋼”市場尚未形成。
第一，氫能源的價格因素是決定應(yīng)用規(guī)模的主要因素。我國是世界上最大的制氫國，但六成主要來自煤制氫，其余近四成來自天然氣和工業(yè)副產(chǎn)，極少來自電解水制氫。從價格方面，最低的工業(yè)副產(chǎn)氫成本約為15元/千克，最高的電解水制綠氫成本約為40元/千克。目前，我國電解水制氫還在發(fā)展中，制氫規(guī)模尚不足以支持氫冶金工業(yè)發(fā)展，即使使用最便宜的工業(yè)副產(chǎn)氫，也不及長流程的成本競爭力。
第二，鋼鐵產(chǎn)能置換及購買限制是影響氫冶金工藝推廣的主要因素。目前，我國執(zhí)行的《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實施辦法》（工信部原〔2021〕46號）嚴禁鋼鐵行業(yè)新增產(chǎn)能，新建鋼廠必須執(zhí)行產(chǎn)能置換工作。雖然氫冶金屬于鼓勵類，可實施1∶1的等量置換，但鋼鐵產(chǎn)能主要集中在以長流程工藝為主的鋼企，而具有氫氣資源的獨立焦化企業(yè)、具有化工副產(chǎn)氫的企業(yè)需要購買合規(guī)產(chǎn)能才能進行氫冶金生產(chǎn)，經(jīng)濟壓力較大。
以300萬噸規(guī)模鋼廠實施產(chǎn)能置換為例。若按1.5∶1置換，新建長流程鋼廠產(chǎn)能僅為200萬噸，而新建氫冶金鋼廠可實現(xiàn)1∶1等量置換，產(chǎn)能規(guī)模仍為300萬噸。如果鋼鐵產(chǎn)能按照均價500元/噸計算，長流程置換后損失100萬噸產(chǎn)能，合計約5億元。另外，氫冶金在環(huán)保、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、降碳等方面也具有較大優(yōu)勢。
第三，國內(nèi)下游“綠鋼”市場尚未形成是限制氫冶金發(fā)展的最主要因素。報道顯示，使用純氫的瑞典綠色鋼鐵公司自2020年成立以來，與舍弗勒、保時捷、采埃孚、梅賽德斯-奔馳、Lindab（建筑行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者）等眾多行業(yè)頭部企業(yè)簽訂合作，年產(chǎn)250萬噸純氫“綠鋼”被以溢價20%~30%的價格預(yù)定一空，這也是歐洲企業(yè)積極建設(shè)氫冶金項目的緣由。而我國，雖然2022年寶馬與河鋼、北京奔馳與寶鋼先后簽訂了“綠鋼”采買協(xié)議，但絕大多數(shù)下游企業(yè)尚未提出“綠鋼”需求，且存在大量的反感或質(zhì)疑聲音，部分企業(yè)對歐美“綠鋼”政策實施持觀望態(tài)度。因此，國內(nèi)的“綠鋼”推進存在一定延遲。
“破冰”需協(xié)同發(fā)力
當前，依靠技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動低碳轉(zhuǎn)型，布局低碳冶金技術(shù)，開發(fā)低碳排放鋼，已成為鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展和鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，而氫冶金無疑將是重中之重。那么，面對上述發(fā)展難點，我國氫冶金發(fā)展應(yīng)如何“破冰”？筆者認為，應(yīng)從政策側(cè)、原料側(cè)、生產(chǎn)側(cè)、需求側(cè)、金融側(cè)等方面協(xié)同發(fā)力。
政策側(cè)，一是鼓勵對發(fā)展氫冶金的企業(yè)給予產(chǎn)能政策傾斜。日前，相關(guān)部委正組織開展低碳冶金技術(shù)攻關(guān)嘗試，對遴選出的千萬噸級鋼鐵企業(yè)實施5年延緩產(chǎn)能置換。各地方政府也應(yīng)積極推動“僵尸企業(yè)”破產(chǎn)重整，以及裝備老舊的落后產(chǎn)能等與氫氣資源相結(jié)合，最大化發(fā)揮資源優(yōu)勢和市場價值。二是建議政府增加用氫補貼。2022年，美國政府通過的《通脹削減法案》提出，將為低碳氫氣提供每千克0.6美元~3美元的補貼；歐盟針對氫能全產(chǎn)業(yè)鏈制定明確的發(fā)展規(guī)劃并細化配套政策，如補貼規(guī)則、可再生氫定義、碳關(guān)稅等，加速氫能產(chǎn)業(yè)化進程。日前，西班牙、印度、荷蘭、智利、德國、澳大利亞、日本先后發(fā)布針對綠氫的補貼政策，謀求在全球競爭中保持戰(zhàn)略優(yōu)勢。雖然國內(nèi)很多地方政府也推出用氫補貼，但最高不超過1000萬元，對于大規(guī)模用氫的鋼鐵行業(yè)來說，這無異于杯水車薪。
能源側(cè)，第一，發(fā)展焦爐煤氣豎爐氫冶金是我國現(xiàn)階段解決鋼鐵減碳問題最具競爭力的技術(shù)路線。目前，以焦爐煤氣為氣源的豎爐氫冶金工程已經(jīng)在張宣科技應(yīng)用滿1年。據(jù)了解，我國富氫的焦爐煤氣年產(chǎn)能超1000萬噸，氫氣含量在55%~60%，僅需簡單預(yù)凈化處理后即可為氫冶金工藝使用。根據(jù)測算，如果這些焦爐煤氣全部用于氫冶金，大約可支持1.5億噸的綠色直接還原鐵產(chǎn)能。焦爐煤氣豎爐氫冶金短流程與同規(guī)模長流程相比，可減碳約70%。
第二，鼓勵有綠氫、綠電資源的地方率先進行綠色氫冶金，帶動全行業(yè)綠色低碳發(fā)展。我國可再生能源裝機量已成為全球第一，西北和北部（風(fēng)能、太陽能可開發(fā)潛力巨大）、西南部（水電制氫潛力巨大）和東南沿海（風(fēng)電+海水制氫開發(fā)前景廣闊）地區(qū)在綠氫供給上各具優(yōu)勢，未來將有巨大潛力。目前，綠氫制備成本高達40元/千克左右，但技術(shù)發(fā)展迅速，專家預(yù)測我國綠氫成本到2025年有望達到20元/千克、2035年有望達到15元/千克、2050年有望達到10元/千克。當綠氫價格達15元/千克（不考慮碳稅影響）時，使用綠氫、綠電的純氫冶金短流程將突破目前較長流程工藝的競爭力劣勢。
生產(chǎn)側(cè)，建議鋼企強化高端“綠鋼”的品牌建設(shè)。氫冶金電爐短流程生產(chǎn)高端綠色優(yōu)特鋼，是鋼鐵行業(yè)推進新質(zhì)生產(chǎn)力建設(shè)的必要路徑，應(yīng)借鑒歐美做法，在“雙碳”新戰(zhàn)場上開辟高端“綠鋼”新賽道。值得注意的是，完全使用以廢鋼為原料的電爐煉鋼時，鋼水中會累積產(chǎn)生Cu、Sn、As、Pb等有害元素，影響電爐鋼質(zhì)量和高端品種鋼開發(fā)，而高品質(zhì)直接還原鐵作為稀釋劑與廢鋼搭配，可以改善和增強鋼的物理性質(zhì)，使電爐可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)特鋼。
需求側(cè)，建議對建筑、汽車、家電等下游行業(yè)優(yōu)先考核碳排放，同時，對全民進行綠色低碳產(chǎn)品應(yīng)用普及，以擴大市場需求，促進工藝提升。目前，僅寶馬、奔馳等合資公司對“綠鋼”提出需求，絕大多數(shù)鋼鐵用戶尚未部署綠色產(chǎn)品，對國家整體“雙碳”戰(zhàn)略實施不利。
金融側(cè)，建議對氫冶金企業(yè)強化金融支持?！案郀t+燒結(jié)+焦化”長流程的投資強度僅為1000元/噸鐵左右，而完整氫冶金工程噸鐵投資強度近2000元，且未來通過提高技術(shù)降低投資的幅度也有限。因此，如果將氫冶金工程與金融市場相結(jié)合，解決氫冶金投資大的問題，其發(fā)展步伐將加快。
綜合來看，氫冶金項目仍是最具發(fā)展前景的綠色低碳鋼鐵制造工藝路線。雖面臨一些發(fā)展中的問題，但有望在發(fā)展中解決。（趙志龍 樊三彩）
來源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)編輯：張雨恬
