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。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“綠鋼”或成為未來新的鋼鐵生產模式。
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的轉型脫碳項目、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（基于流化床反應的氫還原鐵技術+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，印度基礎設施和能源集團（Essar Group）計劃在沙特建設綠色鋼鐵廠（GSA），印度金達爾鋼鐵集團正在阿曼建設“hydrogen-ready”綠色鋼鐵廠；非洲地區(qū)，納米比亞的HyIron項目正在建設。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，預計將有更多國內外鋼企進駐布局。
就國內來看，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的國內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的全球首套綠氫零碳流化床高效煉鐵新技術示范項目。
整體來看，國內外均在探索多元化的氫冶金工藝路線。相較之下，國內目前多傾向于保衛(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；國內則傾向于使用焦爐煤氣。從國內外相關政策來看，各種工藝均是有效的減碳措施，但隨著國內鋼鐵行業(yè)即將納入全國碳排放交易和2026年歐盟碳邊境調節(jié)機制（CBAM）的正式實施，國內傳統(tǒng)長流程工藝的鋼鐵生產成本將增加，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、鋼鐵產能限制和下游“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，極少來自電解水制氫。從價格方面，最低的工業(yè)副產氫成本約為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)副產氫，也不及長流程的成本競爭力。
第二，鋼鐵產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)產能置換實施辦法》（工信部原〔2021〕46號）嚴禁鋼鐵行業(yè)新增產能，新建鋼廠必須執(zhí)行產能置換工作。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)、具有化工副產氫的企業(yè)需要購買合規(guī)產能才能進行氫冶金生產，經(jīng)濟壓力較大。
以300萬噸規(guī)模鋼廠實施產能置換為例。若按1.5∶1置換，新建長流程鋼廠產能僅為200萬噸，而新建氫冶金鋼廠可實現(xiàn)1∶1等量置換，產能規(guī)模仍為300萬噸。如果鋼鐵產能按照均價500元/噸計算，長流程置換后損失100萬噸產能，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)領導者）等眾多行業(yè)頭部企業(yè)簽訂合作，年產250萬噸純氫“綠鋼”被以溢價20%~30%的價格預定一空，這也是歐洲企業(yè)積極建設氫冶金項目的緣由。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，依靠技術創(chuàng)新驅動低碳轉型，布局低碳冶金技術，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)轉型升級的關鍵，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)展應如何“破冰”？筆者認為，應從政策側、原料側、生產側、需求側、金融側等方面協(xié)同發(fā)力。
政策側，一是鼓勵對發(fā)展氫冶金的企業(yè)給予產能政策傾斜。日前，相關部委正組織開展低碳冶金技術攻關嘗試，對遴選出的千萬噸級鋼鐵企業(yè)實施5年延緩產能置換。各地方政府也應積極推動“僵尸企業(yè)”破產重整，以及裝備老舊的落后產能等與氫氣資源相結合，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、碳關稅等，加速氫能產業(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，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)在張宣科技應用滿1年。據(jù)了解，我國富氫的焦爐煤氣年產能超1000萬噸，氫氣含量在55%~60%，僅需簡單預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，但技術發(fā)展迅速，專家預測我國綠氫成本到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。
生產側，建議鋼企強化高端“綠鋼”的品牌建設。氫冶金電爐短流程生產高端綠色優(yōu)特鋼，是鋼鐵行業(yè)推進新質生產力建設的必要路徑，應借鑒歐美做法，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，鋼水中會累積產生Cu、Sn、As、Pb等有害元素，影響電爐鋼質量和高端品種鋼開發(fā)，而高品質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，使電爐可以生產優(yōu)質特鋼。
需求側，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品應用普及，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品，對國家整體“雙碳”戰(zhàn)略實施不利。
金融側，建議對氫冶金企業(yè)強化金融支持。“高爐+燒結+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）
