作为世界粗钢产量第一大国，我国钢铁行业的碳排放量约占全国排放总量的15%。我国主流的钢铁生产工艺是用焦炭和铁矿石在高炉冶炼出铁水，再经转炉熔炼成钢。这种名为长流程的制造过程碳排放强度较高。氢冶金技术是用氢替代焦炭来还原铁矿石中的氧化铁，减少长流程炼钢的碳排放，是钢铁行业的重要减碳途径之一。自然资源保护协会（NRDC）日前发布了《面向碳中和的氢冶金发展战略研究》（以下简称报告），提出了从现阶段到2060年我国氢冶金发展的路线图和政策建议。
多方合力推广氢冶金
作为支撑我国国民经济发展的基础性行业之一，钢铁行业碳排放总量占全国15%左右，是占比最高的制造业，是“双碳”目标下工业绿色发展的主战场。
报告认为，基于现有工艺流程，现阶段碳排放强度到未来极致碳排放强度的过渡阶段，如果依托钢铁工业现有生产工艺难以实现行业碳中和，必须寻求减煤降碳降焦，大幅替代化石能源新型冶炼工艺。因此，基于氢冶金和绿色能源颠覆性冶炼技术将成为钢铁行业低碳发展的重要方向。
对于发展氢冶金，国家层面已经有了顶层设计。2022年2月7日，工信部、国家发展改革委、生态环境部联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出将制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用。到2025年，钢铁行业研发投入强度力争达到1.5%，氢冶金、低碳冶金等先进工艺技术取得突破进展。碳达峰碳中和“1+N”政策体系中的《工业领域碳达峰实施方案》和《减污降碳协同增效实施方案》等文件，都明确了对加强氢冶金、富氢冶炼等技术的示范应用。2022年3月23日，国家发展改革委发布的《氢能产业发展中长期规划》提出，开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢能冶金示范应用。
据了解，我国相关行业和企业在氢冶金技术应用和研发方面都采取了积极的行动。在《中国钢铁工业“双碳”愿景及技术路线图》中，提出了钢铁行业低碳共性技术清单，涉及八个技术方向。其中，前三个方向涵盖了富氢或全氢的直接还原、富氢碳循环高炉和氢基熔融还原这三个目前氢冶金技术涉及到的三大领域。中国宝武、鞍钢、河钢、建龙等企业，发布了各自的《碳达峰碳中和行动方案》《低碳技术路线图》《低碳发展路线图》，都将氢冶金作为其重要的降碳技术路径。
在“碳达峰碳中和”目标约束下，钢铁行业深度脱碳已经成为必然趋势，通过传统技术创新，实现现有生产工艺的降碳空间就有瓶颈限制。报告认为，氢还原目前是替代碳还原最可行的途径。它有理论技术支撑，且已经具备实践应用条件，对高炉富氢循环、氢基熔融还原和氢基直接还原等路线，国内外企业都已经开展了示范研究，并取得了积极进展。
推动氢冶金技术规模应用
据了解，氢冶金技术主要包括高炉富氢冶炼技术和氢基直接还原技术。其中，高炉富氢冶炼由于改造成本较低、富氢气体易获取、可操作性强，被认为是从现阶段的“碳冶金”过渡到“氢冶金”的桥梁，其潜在碳减排幅度为10%-30%。从中长期来看，氢基直接还原工艺是最具发展潜力的低碳冶金技术之一。报告预计，氢基直接还原技术有望在2040年后大规模推广，先决条件是绿氢产业链的发展，包括绿色、经济、大规模氢源的获取，氢气长距离的安全储运，氢源供需的合理配置等。
报告指出，经济性是制约钢铁行业氢冶金发展的关键因素之一，其中主要涉及氢气成本及碳排放成本。随着技术进步，制氢成本逐渐降低，就显示出成本优势。因此，在不同阶段里碳市场也是推动氢冶金发展和氢冶金示范应用的重要手段。
报告建议，近中期在示范阶段，钢铁企业可以充分利用各类工业副产氢实现就近消纳，降低工业副产氢的供给成本，来降低研发示范阶段的费用。在中远期，行业必须依赖于氢能的发展和布局，利用光伏、风能、水电等绿电，通过电解水制氢，支撑中国钢铁工业的氢冶金低碳化转型。
报告认为，另外一个重要的因素就是安全规模化用氢。由传统的碳基能源转变为清洁的氢能源，在储存运输以及向反应器内喷吹等，对相应的安全、温度、压力和流量等都有一些特殊的要求。因此，在设计和建设规范等都应该有相应的基础，在技术研发的同时，必须完善氢冶金和钢铁企业储氢、用氢相关的工程建设、安全防火等规范标准来支撑用氢的安全化和规范化。同时，输氢、储氢等相关配套措施要逐步完善。
四步走发展路线图
报告在综合考虑中远期钢产量变化趋势和钢铁工业“双碳”愿景的基础上，提出我国氢冶金发展按四步走的建议：
一是到2030年，吨钢碳排放强度较2020年下降15%。集中攻关高炉富氢冶炼技术和纯氢基直接还原技术，以及相应的软硬件。开展高炉富氢冶炼技术的示范项目，有条件的钢铁企业应率先开展高炉喷氢改造，争取富氢高炉产能占比达到15%。
二是2030-2040年，吨钢碳排放强度较2020年下降55%。在此期间，钢铁行业应集中攻关纯氢基直接还原技术及氢基直接还原装备的国产化、大型化。纯氢直接还原技术取得突破性成果，开展纯氢直接还原技术示范项目。国家氢能产业体系初步形成，氢源供应增长，成本下降，富氢高炉产能占比超过60%，力争绿氢用量占比达到30%以上。
三是2040-2050年，吨钢碳排放强度较2020年下降85%。大力推广纯氢基直接还原技术，加快 “高炉-转炉”长流程制钢向“纯氢基还原+电炉”短流程制钢转型，“氢基还原+电炉”短流程制钢产能占比达到25%。绿氢供应量占钢铁产业需氢总量达到85%。钢铁企业与绿电、绿氢供应商紧密结合，共建产业链生态圈，耦合发展。
四是2050-2060年，吨钢碳排放强度较2020年下降95%。进一步提升纯氢基直接还原+绿电电炉短流程钢产量占比，“纯氢基直接还原+绿电电炉”短流程钢产量占比达到35%。至2060年，钢铁行业年碳排放量降低至约1亿吨，需进一步借助CCUS和碳汇实现“碳中和”目标。
报告建议，加强氢冶金技术研发和示范的财政和税收支持，给予氢冶金研发和试点项目在信贷总量、支持方式和利率上更多支持。在钢铁行业纳入全国统一碳市场后，结合行业低碳发展目标及氢冶金等战略路径，科学合理地减少免费配额占比，使率先推进氢冶金技术的企业能够从碳交易中先获益、多获益。同时，强化顶层设计、系统谋划，构建氢能产业链和钢铁行业在内的产业生态圈。
自然资源保护协会北京代表处首席代表张洁清表示，高质量发展对钢铁行业提出了新要求，不仅需要为国民经济发展提供基础原材料保障，还需要在行业运行中体现经济性、生态性和安全性。作为促进钢铁工业绿色低碳发展的重要技术，氢冶金能够有效推动“减污降碳”，是钢铁行业高质量发展、落实生态文明理念的重要手段。