面对全球气候变暖的严峻挑战和“双碳”目标的紧迫要求，先进钢企竞相入局氢冶金新赛道。从全世界炼铁工艺来看，传统高炉、熔融还原等工艺的基础还是煤炭，依靠富氢、煤气循环等可以减少碳排放，但改变不了其碳冶金的本质。笔者认为，发展氢基竖炉短流程工艺将是钢铁行业实现绿色低碳的必然，有望实现“零碳冶金”。
摆脱高炉派 VS 保卫高炉派
当前，世界各国氢冶金项目增长加快，通过氢冶金生产“绿钢”或成为未来新的钢铁生产模式。
就全球来看，欧洲是氢冶金的先行区，且基本方向就是应用氢冶金短流程替换高炉长流程。其中，瑞典是氢冶金的先锋队，最早于2020年8月在吕勒奥投运了世界第一个全氢的HYBRIT（氢基直接还原铁）试验装置。目前，瑞典新兴绿色钢铁公司H2 Green Steel正在建设1套250万吨/年纯氢的大型绿色钢铁工厂，盖利瓦雷市也将建设1座百万吨级的氢基竖炉项目。据不完全统计，目前正在开展的氢冶金项目有：欧洲地区，塔塔钢铁荷兰分公司的氢基竖炉项目、德国萨尔茨吉特集团μDRAL项目；北美地区，安米多法斯科（Dofasco） 钢厂在加拿大汉密尔顿建设的转型脱碳项目、SSAB （瑞典钢铁公司）正在美国佩里和蒙彼利埃建设零碳排放氢气直接还原项目 、克利夫兰·克利夫斯钢厂在美国米德尔敦的氢气直接还原铁项目等；亚洲地区，韩国浦项制铁的HyREX+ESF工艺（基于流化床反应的氢还原铁技术+熔分工艺）、日本新日铁EDRP项目均在研究使用氢气还原低品位铁矿石，宝钢股份与沙特阿美、沙特公共投资基金计划在沙特共建“直接还原铁+电炉”工艺的全流程厚板工厂，印度基础设施和能源集团（Essar Group）计划在沙特建设绿色钢铁厂（GSA），印度金达尔钢铁集团正在阿曼建设“hydrogen-ready”绿色钢铁厂；非洲地区，纳米比亚的HyIron项目正在建设。中东及北非地区，由于有着大规模的廉价天然气，堪称发展氢冶金项目的绝佳场地，待战争影响消退后，预计将有更多国内外钢企进驻布局。
就国内来看，氢冶金工艺百花齐放，主要有富氢高炉、富氢熔融还原、氢基竖炉、氢基流化床4种工艺。其中，富氢高炉工艺的典型代表是中国宝武八钢公司的富氢碳循环氧气高炉（HyCROF）、河北纵横的3R碳氢高炉、晋城钢铁的烧结和高炉喷吹煤层气工艺、晋南钢铁和昌黎县兴国精密机件有限公司的高炉喷吹氢气工艺等；富氢熔融还原工艺的代表是建龙集团在内蒙古乌海投建的CISP（非高炉氢基熔融还原）项目，在熔融还原基础上喷吹焦炉煤气；氢基竖炉直接还原工艺的典型代表是河钢集团张宣科技全球首例120万吨“氢基竖炉—近零碳排电弧炉”新型短流程项目，宝钢股份湛江钢铁建设的国内首套单体百万吨级氢基竖炉；氢基流化床工艺的典型代表是鞍钢鲅鱼圈公司正在建设的全球首套绿氢零碳流化床高效炼铁新技术示范项目。
整体来看，国内外均在探索多元化的氢冶金工艺路线。相较之下，国内目前多倾向于保卫高炉派工艺（高炉流程喷吹焦炉煤气/煤层气/氢气、CCUS等），而海外倾向于彻底摆脱高炉派工艺（100%废钢+电炉、氢基DRI+电炉/熔分炉等）。在关键的氢能源上，国外倾向于直接使用电解水制氢或初始使用天然气，再逐步用氢气替代；国内则倾向于使用焦炉煤气。从国内外相关政策来看，各种工艺均是有效的减碳措施，但随着国内钢铁行业即将纳入全国碳排放交易和2026年欧盟碳边境调节机制（CBAM）的正式实施，国内传统长流程工艺的钢铁生产成本将增加，进而失去竞争优势，以氢基竖炉+电炉（DRI+废钢）工艺、全废钢电炉工艺为代表的短流程工艺即将迎来发展的春天。
氢冶金发展面临三大难点
当前，制约氢冶金发展的限制环节主要有3个方面，包括氢气供应、钢铁产能限制和下游“绿钢”市场尚未形成。
第一，氢能源的价格因素是决定应用规模的主要因素。我国是世界上最大的制氢国，但六成主要来自煤制氢，其余近四成来自天然气和工业副产，极少来自电解水制氢。从价格方面，最低的工业副产氢成本约为15元/千克，最高的电解水制绿氢成本约为40元/千克。目前，我国电解水制氢还在发展中，制氢规模尚不足以支持氢冶金工业发展，即使使用最便宜的工业副产氢，也不及长流程的成本竞争力。
第二，钢铁产能置换及购买限制是影响氢冶金工艺推广的主要因素。目前，我国执行的《钢铁行业产能置换实施办法》（工信部原〔2021〕46号）严禁钢铁行业新增产能，新建钢厂必须执行产能置换工作。虽然氢冶金属于鼓励类，可实施1∶1的等量置换，但钢铁产能主要集中在以长流程工艺为主的钢企，而具有氢气资源的独立焦化企业、具有化工副产氢的企业需要购买合规产能才能进行氢冶金生产，经济压力较大。
以300万吨规模钢厂实施产能置换为例。若按1.5∶1置换，新建长流程钢厂产能仅为200万吨，而新建氢冶金钢厂可实现1∶1等量置换，产能规模仍为300万吨。如果钢铁产能按照均价500元/吨计算，长流程置换后损失100万吨产能，合计约5亿元。另外，氢冶金在环保、节能、节水、节地、降碳等方面也具有较大优势。
第三，国内下游“绿钢”市场尚未形成是限制氢冶金发展的最主要因素。报道显示，使用纯氢的瑞典绿色钢铁公司自2020年成立以来，与舍弗勒、保时捷、采埃孚、梅赛德斯-奔驰、Lindab（建筑行业领导者）等众多行业头部企业签订合作，年产250万吨纯氢“绿钢”被以溢价20%~30%的价格预定一空，这也是欧洲企业积极建设氢冶金项目的缘由。而我国，虽然2022年宝马与河钢、北京奔驰与宝钢先后签订了“绿钢”采买协议，但绝大多数下游企业尚未提出“绿钢”需求，且存在大量的反感或质疑声音，部分企业对欧美“绿钢”政策实施持观望态度。因此，国内的“绿钢”推进存在一定延迟。
“破冰”需协同发力
当前，依靠技术创新驱动低碳转型，布局低碳冶金技术，开发低碳排放钢，已成为钢铁行业绿色发展和钢铁行业转型升级的关键，而氢冶金无疑将是重中之重。那么，面对上述发展难点，我国氢冶金发展应如何“破冰”？笔者认为，应从政策侧、原料侧、生产侧、需求侧、金融侧等方面协同发力。
政策侧，一是鼓励对发展氢冶金的企业给予产能政策倾斜。日前，相关部委正组织开展低碳冶金技术攻关尝试，对遴选出的千万吨级钢铁企业实施5年延缓产能置换。各地方政府也应积极推动“僵尸企业”破产重整，以及装备老旧的落后产能等与氢气资源相结合，最大化发挥资源优势和市场价值。二是建议政府增加用氢补贴。2022年，美国政府通过的《通胀削减法案》提出，将为低碳氢气提供每千克0.6美元~3美元的补贴；欧盟针对氢能全产业链制定明确的发展规划并细化配套政策，如补贴规则、可再生氢定义、碳关税等，加速氢能产业化进程。日前，西班牙、印度、荷兰、智利、德国、澳大利亚、日本先后发布针对绿氢的补贴政策，谋求在全球竞争中保持战略优势。虽然国内很多地方政府也推出用氢补贴，但最高不超过1000万元，对于大规模用氢的钢铁行业来说，这无异于杯水车薪。
能源侧，第一，发展焦炉煤气竖炉氢冶金是我国现阶段解决钢铁减碳问题最具竞争力的技术路线。目前，以焦炉煤气为气源的竖炉氢冶金工程已经在张宣科技应用满1年。据了解，我国富氢的焦炉煤气年产能超1000万吨，氢气含量在55%~60%，仅需简单预净化处理后即可为氢冶金工艺使用。根据测算，如果这些焦炉煤气全部用于氢冶金，大约可支持1.5亿吨的绿色直接还原铁产能。焦炉煤气竖炉氢冶金短流程与同规模长流程相比，可减碳约70%。
第二，鼓励有绿氢、绿电资源的地方率先进行绿色氢冶金，带动全行业绿色低碳发展。我国可再生能源装机量已成为全球第一，西北和北部（风能、太阳能可开发潜力巨大）、西南部（水电制氢潜力巨大）和东南沿海（风电+海水制氢开发前景广阔）地区在绿氢供给上各具优势，未来将有巨大潜力。目前，绿氢制备成本高达40元/千克左右，但技术发展迅速，专家预测我国绿氢成本到2025年有望达到20元/千克、2035年有望达到15元/千克、2050年有望达到10元/千克。当绿氢价格达15元/千克（不考虑碳税影响）时，使用绿氢、绿电的纯氢冶金短流程将突破目前较长流程工艺的竞争力劣势。
生产侧，建议钢企强化高端“绿钢”的品牌建设。氢冶金电炉短流程生产高端绿色优特钢，是钢铁行业推进新质生产力建设的必要路径，应借鉴欧美做法，在“双碳”新战场上开辟高端“绿钢”新赛道。值得注意的是，完全使用以废钢为原料的电炉炼钢时，钢水中会累积产生Cu、Sn、As、Pb等有害元素，影响电炉钢质量和高端品种钢开发，而高品质直接还原铁作为稀释剂与废钢搭配，可以改善和增强钢的物理性质，使电炉可以生产优质特钢。
需求侧，建议对建筑、汽车、家电等下游行业优先考核碳排放，同时，对全民进行绿色低碳产品应用普及，以扩大市场需求，促进工艺提升。目前，仅宝马、奔驰等合资公司对“绿钢”提出需求，绝大多数钢铁用户尚未部署绿色产品，对国家整体“双碳”战略实施不利。
金融侧，建议对氢冶金企业强化金融支持。“高炉+烧结+焦化”长流程的投资强度仅为1000元/吨铁左右，而完整氢冶金工程吨铁投资强度近2000元，且未来通过提高技术降低投资的幅度也有限。因此，如果将氢冶金工程与金融市场相结合，解决氢冶金投资大的问题，其发展步伐将加快。
综合来看，氢冶金项目仍是最具发展前景的绿色低碳钢铁制造工艺路线。虽面临一些发展中的问题，但有望在发展中解决。（赵志龙 樊三彩）
来源：中国冶金报-中国钢铁新闻网编辑：张雨恬
