1 前言：低碳冶金，“氫”來了

我們在2021年3月4日發(fā)布的《鋼鐵碳中和：必要性及去產(chǎn)量可能路徑探討》指出，鋼鐵行業(yè)盡快實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”或不可避免，“去產(chǎn)量“是中短期內(nèi)實現(xiàn)“碳達峰”見效最快的方式，能耗和排放將在很大程度上決定鋼鐵企業(yè)的生存和去留問題，也將倒逼鋼鐵企業(yè)發(fā)展低碳技術(shù)和工藝。

我們認為鋼鐵在生產(chǎn)流程中要降低碳排放，無非從三處著手：前端減少碳輸入、中段提升碳效率和末端捕集碳排放。

“氫氣煉鋼”就是減少碳輸入，以氫還原代替碳還原，還原反應(yīng)的碳排放也隨之被“水排放”而替代，有望成為鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳綠色化轉(zhuǎn)型升級的有效途徑之一。在碳中和不斷升溫的背景下，逐漸成為各國重點關(guān)注和鼓勵發(fā)展的方向。

氫冶金在國內(nèi)上屬新興領(lǐng)域，盡管在減排壓力下，業(yè)內(nèi)已有不少氫冶金項目鋪開，但也是在近幾年才開始啟動，尚處于早期階段。隨著碳達峰、碳中和的落實，未來將會有越來越多的鋼鐵企業(yè)加入氫冶金陣營。但從焦炭冶金到氫氣冶金的跨越絕不是一朝一夕可以實現(xiàn)的，在推進氫氣煉鋼這一新興領(lǐng)域發(fā)展的同時，還需要立足當下思考對策。

在此背景下，本篇報告想嘗試回答關(guān)于氫冶金幾個問題：

• 氫氣煉鋼能實現(xiàn)多少減排？

• 現(xiàn)階段氫氣煉鋼的發(fā)展方向在哪？

• 國內(nèi)氫氣煉鋼發(fā)展到什么階段了？

2 氫氣煉鋼能實現(xiàn)多少減排：理論上長流程碳排放可降低34-62%

2.1傳統(tǒng)工藝碳排放：長流程、DRI短流程、廢鋼短流程分別為噸鋼2.0、0.9和0.3噸

2.1.1目前鋼鐵主流工藝可分為長流程、還原鐵-電弧爐短流程和廢鋼-電弧爐短流程

鋼鐵行業(yè)的碳排放機理較為復(fù)雜，但大體可以分為三類：

一是焦炭作為生產(chǎn)原料，參與化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的碳排放，如燒結(jié)、煉焦、石灰焙燒、鋼鐵冶煉和鋼材酸洗，其中碳排放主要是煉鐵工序中還原反應(yīng)所產(chǎn)生；

二是化石能源作為燃料，燃燒所產(chǎn)生的碳排放，如煉鋼焦爐、高爐和轉(zhuǎn)爐中的燃料燃燒；

三是化石能源作為發(fā)電來源，鋼鐵生產(chǎn)中電力消耗所引起的間接碳排放。

不同的工藝路線對應(yīng)的碳排放量級不一，目前世界上主要的工藝路線有三種：

①采用高爐、轉(zhuǎn)爐和焦爐的長流程，

②廢鋼和電弧爐的短流程，

③直接還原鐵（DRI）和電弧爐流程。

長流程是最常見的工藝，也是國內(nèi)主流生產(chǎn)路線，2019年長流程路線占全球鋼鐵產(chǎn)量比例約63%，剩余37%全球鋼鐵產(chǎn)量是通過電弧爐生產(chǎn)。電弧爐的原料可為廢鋼，也可為DRI，實際生產(chǎn)中一般是DRI和廢鋼的混合物。

由于目前我國是長流程和廢鋼+電弧爐的短流程為主導(dǎo)，直接還原煉鐵工藝由于在國內(nèi)應(yīng)用有限，不太為人熟知，在此進行簡單介紹。直接還原煉鐵工藝是以非焦煤為原料，在低于礦石熔化溫度以下進行還原，獲得固態(tài)金屬鐵的工藝，所得的產(chǎn)品稱為直接還原鐵（DirectReductionIron，簡稱DRI，也稱海綿鐵）。直接還原鐵是短流程的重要原料，可以替代廢鋼，解決廢鋼資源不足的問題，一般采用氣基豎爐，還原氣體主要來源于天然氣。氣基豎爐直接還原鐵工藝主要在伊朗、印度、俄羅斯、沙特、阿聯(lián)酋等中東國家，除了印度，大部分為富氣國家和地區(qū)。

2.1.2鋼鐵行業(yè)碳排放主要來自煉鐵，煉鐵碳排放主要來自碳還原

三條工藝路線每噸熱軋卷板(HRC)的二氧化碳排放量，包括傳統(tǒng)的高爐和轉(zhuǎn)爐的長流程路線，100%直接還原鐵和100%廢鋼冶煉的電弧爐短流程路線。

其在計算長流程二氧化碳排放量時，對長流程的原材料、成材率、技術(shù)指標做如下假設(shè)：

1 采用高爐、轉(zhuǎn)爐的長流程（100%生鐵，無廢鋼）單噸碳排放約2.05噸。

基于以上假設(shè)，長流程碳排放約為2.05噸CO2/噸HRC，其中煉鐵排放包含熱風(fēng)爐和發(fā)電廠1.45噸，占長流程整體碳排放量的71%。

2 廢鋼+EAF噸鋼碳排放約0.26噸。

電弧爐煉鋼需要大量電力，計算出的每噸熱軋帶卷HRC排放量取決于電弧爐運行的地區(qū)(及其各自的電網(wǎng)電力排放系數(shù))。在法國，電網(wǎng)電力排放因子低至0.08kgCO2/kWh，日本國家電網(wǎng)0.47kgCO2/kWh，而在中國和印度，電網(wǎng)電力排放因子均大于1.0kgCO2/kWh。Hatch采用日本國家電網(wǎng)0.47kgCO2/kWh的電力排放因子，則100%廢鋼噸鋼的二氧化碳排放量為0.26噸。

3 DRI+EAF噸鋼碳排放約0.96噸。

目前氣基豎爐主要是以天然氣為還原劑生產(chǎn)DRI，同樣采用日本國家電網(wǎng)0.47kgCO2/kWh的電力排放因子，則生產(chǎn)一噸HRC二氧化碳排放量約0.96噸，其中煉鐵環(huán)節(jié)排放為0.49噸，電弧爐、燒結(jié)和軋鋼環(huán)節(jié)碳排放分別為0.26、0.15和0.063噸。總結(jié)了上述三個工藝中各環(huán)節(jié)的碳排放：

典型的電爐既使用DRI，也使用部分廢鋼，其排放值介于100%DRI和100%廢鋼路線之間。比如安塞樂米塔爾漢堡有限公司的短流程工藝裝置中，DRI和廢鋼入料比為55%/45%，CO2總排放量為82.3萬噸/年，年產(chǎn)量約為100萬噸小方坯，相當于噸鋼的二氧化碳排放量為0.82噸。顯示出漢堡公司的生產(chǎn)過程和每個步驟中CO2直接及間接排放量。

可以看出，電爐煉鋼工藝，特別是使用廢鋼情況下，其排放明顯低于傳統(tǒng)高爐和轉(zhuǎn)爐長流程工藝。這主要是由于相對于長流程，短流程可以部分或全部取消高爐、燒結(jié)、焦化這三個工序，而全部采用廢鋼的短流程更是在此之上又取消了煉鐵環(huán)節(jié)，因此碳排放最低。按照上述測算，長流程和的100%DRI短流程的碳排放分別為100%廢鋼碳排放的8倍和4倍。

2.2氫氣煉鋼的減排原理：還原反應(yīng)的碳排放被水排放取代

氫氣煉鋼通過以氫還原代替碳還原，可以取締還原反應(yīng)的碳排放。前面揭示了煉鐵工藝的碳排放是煉鋼最主要的碳排放環(huán)節(jié)，而煉鐵產(chǎn)生的碳排放主要是碳還原的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，氫氣煉鋼是以氫代替碳作為還原劑，從而降低碳還原的碳排放，針對的是鋼鐵生產(chǎn)流程中的煉鐵工藝，即長流程中的高爐煉鐵和短流程中的直接還原煉鐵環(huán)節(jié)，全部采用廢鋼的短流程由于取消了煉鐵環(huán)節(jié)，不涉及氫冶金。對于長流程，除了消除還原反應(yīng)的碳排放，還可以省去煤炭焦化環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放。根據(jù)碳還原鐵反應(yīng)的化學(xué)式，還原1mol鐵需要的還原劑碳為1.5-3mol（取決于直接還原和間接還原參與比例），按照56：12：44的鐵、碳和二氧化碳摩爾質(zhì)量比例，則生產(chǎn)1噸鐵的碳還原反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳排放量為0.59噸（44/56*1.5/2）-1.18噸（44/56*1.5），加上前述典型長流程中的焦化碳排放0.1噸，相當于長流程理論上可降低約0.69-1.28噸碳排放，降幅達34-62%。

Fe2O3+1.5C→2Fe+1.5CO2直接還原

Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2間接還原

對于以天然氣為氣基的DRI生產(chǎn)工藝同理，由于天然氣本身含氫元素，參與還原反應(yīng)的碳比高爐少，約為0.47噸（44/56*1.5*1/2.5）,將該部分也已氫還原替代，則DRI短流程的碳排放可降至約0.49噸，降幅達49%。

CH4+H2O→CO+3H2水蒸氣重整

CH4+CO2→2CO+2H2二氧化碳重整

通過上述測算，可以發(fā)現(xiàn)理論上氫氣煉鋼的減排潛力確實很大，但實現(xiàn)需要諸多前提。比如制氫來源和過程本身是否存在碳排放，如果是火力發(fā)電再電解制氫，碳單耗反而比傳統(tǒng)長流程工藝更多；再比如氫完全代替碳，則沒有碳燃燒作為熱能釋放來源，而氫還原鐵本身是吸熱反應(yīng)，熱量補充從何而來，若還是通過化石燃料燃燒發(fā)熱則減排效果將大打折扣。可見，如果氫氣煉鋼只著眼于單一環(huán)節(jié)，那也不過是拆東墻補西墻，反而有違氫氣煉鋼的初衷。從焦炭煉鋼到氫能煉鋼，表面上只是還原方法的不同，但要實現(xiàn)降低碳排放的目標，需要整個流程系統(tǒng)性的規(guī)劃和配套產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，做到綠色制氫、綠色用氫，而這也是目前發(fā)展氫氣煉鋼遇到的主要瓶頸。

2.3氫氣煉鋼的難點：規(guī)模化用氫和經(jīng)濟化制氫

2.3.1難點1：規(guī)模化用氫

氫氣對碳基還原劑的替代是存在極限值的，尤其是高爐煉鐵工藝。對于長流程高爐煉鐵，碳除了作為還原劑，還起到多種關(guān)鍵作用：①作為燃料，提供高爐冶煉所需熱量，高爐熱量一般由焦炭、噴吹燃料的燃燒及外部通入的熱風(fēng)提供，其中高爐內(nèi)焦炭燃燒供熱占比高達75%-80%；②作為骨架，支撐爐料；③作為生鐵滲碳的碳源，一般生鐵中碳含量4%，全部來源于焦炭。

氫的密度和元素構(gòu)成顯然無法替代碳的支撐和滲碳作用，炭的使用難以避免，而且氫氣還原是吸熱反應(yīng)，氫氣比例達到一定程度后，需要額外供熱來實現(xiàn)熱量互補，如果這部分熱能來源還是通過碳燃燒，那碳排放只是有增無減。

Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O     ∆H＝98.12KJ

C+O2→CO2                        ∆H＝−393.52KJ

對于氣基豎爐還原煉鐵工藝，同樣存在滲碳來源、熱量互補問題，而且如果是純氫氣作為還原劑需要對純氫氣進行加壓和加熱，根據(jù)唐玨等于2020年11月在《河北冶金》發(fā)表的《我國氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢》一文，氫氣理論上加壓到1MPa以上，加熱到1000攝氏度以上，可以達到設(shè)計指標，但豎爐如果長期在如此高溫、高壓極限條件下工作，不符合安全目標。

因此在上述問題解決之前，氫氣對碳基還原劑的替代是存在極限值的，尤其是高爐煉鐵工藝，對溫度的要求更高，用氫受限程度也因此更大。

2.3.2難點2：經(jīng)濟化制氫

除了規(guī)模化用氫，如何實現(xiàn)經(jīng)濟地制氫也是一個難點。目前已有較為成熟的制氫工藝，按制取原材料分類，氫氣可劃分為灰氫、藍氫和綠氫，分別指化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源電解制氫，只有綠氫才是真正零排放制氫方式。

按照化學(xué)反應(yīng)式和原子摩爾質(zhì)量比，可以測算出還原噸鐵耗氫氣53.6kg，耗碳約321千克。參考目前焦炭的價格約2000元/噸，制氫成本參考寶豐能源于2021年4月19日披露《寧夏寶豐能源集團股份有限公司關(guān)于擬對外投資設(shè)立子公司的公告》，其200MWp光伏發(fā)電及20000標方/小時電解水制氫示范項目在試生產(chǎn)過程中的氫氣綜合成本，即1.34元/標立方。考慮碳元素在焦炭比例約85%，則還原噸鐵的碳、氫氣成本約為756、804元/噸，可見若不考慮還原劑變化帶來的其他成本變動，氫氣作為還原劑的經(jīng)濟性尚不及碳。據(jù)測算，氫氣成本需降至1.26元/標立方，或者對碳排放征收碳稅25元/噸，才能達到氫碳還原平價。寶豐能源披露遠期氫氣綜合成本可降至0.7元/標立方，屆時噸鐵氫還原成本或降至420元/噸，若能實現(xiàn)，將大大增強氫還原的經(jīng)濟性。

除經(jīng)濟地“脫碳”制氫外，其大規(guī)模儲運至今仍是工業(yè)上的難題。由于氫氣特殊的物理化學(xué)性質(zhì)——密度不足空氣的1/15，且易燃易爆，因此儲運需要極其特殊的條件，目前儲氫方法主要分為氣態(tài)、液態(tài)和固體儲氫三種。如下表所示，低溫液態(tài)儲氫由于價格昂貴，目前主要在航天領(lǐng)域應(yīng)用，有機液態(tài)和固態(tài)儲氫尚處于示范階段，還未成熟，而高壓氣態(tài)儲氫盡管已得到廣泛應(yīng)用，但由于體積比容量較低，不適用于大規(guī)模用氫場景，目前主要在燃料電池車應(yīng)用。氫氣的運輸同樣是個問題，由于氫能產(chǎn)業(yè)尚未成熟，氫氣運輸成本和前期建設(shè)較高，而運力較低，經(jīng)濟性有待提升。

盡管在當前的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度下，要徹底地實現(xiàn)氫氣煉鋼尚存諸多難題，通過氫氣煉鋼來經(jīng)濟地大幅降低鋼鐵行業(yè)碳排放恐難以實現(xiàn)。但正視當下困難的同時，也要看到氫氣煉鋼的發(fā)展?jié)摿Γ?/span>富氫工藝是現(xiàn)階段氫氣煉鋼可著眼的發(fā)展方向。

3 現(xiàn)階段氫氣煉鋼發(fā)展方向：高爐富氫和氣基豎爐富氫工藝

3.1 高爐富氫工藝：減排效果一般在10%-20%

  富氫工藝在高爐煉鐵和氣基豎爐還原煉鐵裝置都可以應(yīng)用。

  高爐富氫即向高爐噴吹含氫量更高的物質(zhì)，比如純氫氣和天然氣、焦爐煤氣等富氫氣體，來替代部分碳還原，減少碳排放。目前已有大量研究和實際案例驗證了高爐富氫的減排效果。根據(jù)Can Yilmaz等在2017年于Journal of Cleaner Production發(fā)布的《Modeling and simulation of hydrogen injection into a blast furnace to reduce carbon dioxide emissions》進行的數(shù)值模擬實驗，當分別對高爐分別噴吹10、20和30 kg/tHM溫度為1200攝氏度的氫氣時，焦比分別降低9%、16%和24%，高爐碳排放分別降低10%、23%和21%。模擬實驗顯示，氫氣最佳噴入量為27.5kg/tHM，在此之上碳排放反而隨氫氣噴入量的增加而增加。

實際案例中，高爐富氫主要來源于灰氫。

日本新日鐵住金君津廠、瑞典LKAB和德國蒂森克虜伯也進行了高爐富氫工藝的試驗，除德國蒂森克虜伯未披露氫氣來源，其他幾家的氫氣來源均是焦爐煤氣或爐頂循環(huán)煤氣，也即灰氫，結(jié)果顯示高爐富氫確實可以達到減排效果。比如新日鐵住金君津廠碳排放降低9.4%，基本實現(xiàn)預(yù)定的碳減排目；瑞典LKAB的試驗高爐噴吹循環(huán)煤氣，碳排放最高可降低27%。

高爐富氫能起到增產(chǎn)作用，是較為經(jīng)濟的鋼鐵降碳工藝。

模擬實驗和實際案例中都驗證了高爐富氫減排的積極結(jié)果，除了降碳，氫氣還能加速還原反應(yīng)，縮短爐料停留時間，起到增產(chǎn)的作用，從而提升富氫工藝的經(jīng)濟性。

梅鋼與東北大學(xué)合作研發(fā)了基于梅鋼原燃料條件的高爐風(fēng)口噴吹焦爐煤氣技術(shù)，根據(jù)畢傳光等于2018年2月在《鋼鐵期刊》上發(fā)布的《梅鋼2號高爐噴吹焦爐煤氣數(shù)值模擬》一文，與未噴吹焦爐煤氣相比，還原速度加快，焦比降14.43%，碳排放減少8.61%。當原燃料價格為焦炭2100元/t、焦爐煤氣0.7749元/m³，加工成本為0.2元/m³，梅鋼2#高爐噴吹焦爐煤氣50m3/tHM時，噸鐵成本可降低32.67元，每年因噴吹焦爐煤氣節(jié)約的焦炭量為7.79萬噸，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益5575萬元。

高爐富氫受制于氫氣利用率，減排潛力有限。

從上文我們可以看出，無論是模擬試驗還是實際案例，高爐富氫還原的減排幅度大部分在10%-20%區(qū)間，噴吹的氫氣含量也較為有限。這主要是由于當氫氣濃度增加到一定程度，高爐內(nèi)氫氣利用率反而會降低，因此提升氫氣比例的進一步減排空間受限，而且性價比也隨之降低。

3.2 氣基豎爐富氫工藝：試驗證明氫氣占比最高可提升至90%

氣基豎爐富氫即在氣基中提升氫氣在還原氣中的占比。氣基豎爐直接還原煉鐵目前是Midrex和HYL兩種工藝占主導(dǎo)，根據(jù)中晉太行礦業(yè)有限公司的《30萬噸焦爐煤氣制還原鐵項目可行性研究報告(回轉(zhuǎn)窯球團)》，這兩種工藝區(qū)別主要在于還原氣中H₂/CO比例的高低。MIDREX、HYL的H₂/CO比例一般分別為1.57、4.5左右，由于HYL氫氣占比更高，需要在高溫高壓環(huán)境下工作，而MIDREX工藝采用常壓操作，工藝更加成熟。

氣基中氫氣比例越高，減排效果越好，并且減排幅度隨氫氣比例的提升呈非線性上升。根據(jù)王兆才于2013年發(fā)布的博士論文《煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝的基礎(chǔ)研究》，在還原氣體中H₂/CO比分別為1.5、3、5，還原反應(yīng)消耗的H₂/CO比例分別為1.9、5.2、15.8，相當于實際消耗的氫氣比例都有所提升，但并非簡單的線性提升，還原氣中濃度越大，消耗的氫氣比例增幅會更大。由于氫氣消耗比例比輸入比例高，可將尾氣中未利用的CO收集凈化，通過加氫將H₂/CO提升至原來水平后再循環(huán)使用。根據(jù)H₂、CO消耗量可推算出噸鐵還原產(chǎn)生的碳排放量為如下：

  還原氣體按來源可分為天然氣基和煤基，我國DRI工藝以煤基為主。

天然氣可通過催化裂化反應(yīng)制成還原氣，Midrex典型工藝的裂化劑為爐頂煤氣，HYL典型工藝的裂化劑為水蒸氣，所以后者的H₂/CO比例更高。MIDREX也在不斷提升氫氣比例的工藝，比如工業(yè)化項目委內(nèi)瑞拉FMOMIDREX廠的H2/CO比例在3.3-3.8。煤基的還原劑可分為煤制氣和焦爐煤氣/爐頂煤氣循環(huán)，參考制氫的分類，可以理解為分別是“藍氣基”、“灰氣基”。目前已成功工業(yè)化的MIDREX煤基豎爐H₂/CO比例在0.47-0.56。我國DRI工藝大部分采用的是煤基豎爐，比如陜西恒迪20萬噸海綿鐵項目采用的是煤制氣，山西晉中的30萬噸焦爐煤氣制還原鐵項目采用的焦爐煤氣，其焦爐煤氣改質(zhì)后H₂/CO為1.7，略高于MIDREX典型工藝。

氣基豎爐還原煉鐵減排潛力更大，Midrex試驗氫氣占比90%的豎爐工藝可行，但國內(nèi)發(fā)展氣基豎爐還原需要付出較大的工藝轉(zhuǎn)換成本。

直接還原煉鐵2019年全球產(chǎn)量約1億噸，其中約60%采用MIDREX氣基豎爐還原工藝，為主流路線。其目前成功工業(yè)化的項目H2/CO比例最高可達3.8，相當于氫氣濃度高達79%，已處于較高水平。MIDREX公司試驗氫氣含量90%的氣基豎爐還原工藝，認為該工藝可行，將隨著技術(shù)的成熟進一步推廣。可見氫在氣基豎爐還原工藝的潛力更大，相對于高爐煉鐵，能更大程度地實現(xiàn)減排。

但國內(nèi)采用直接還原煉鐵的工藝較少，這與我國“貧礦多、組分雜”的鐵礦資源特點和“多煤少氣”的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)，具備天然氣資源稟賦的國家主要發(fā)展氣基豎爐還原工藝，而國內(nèi)如果發(fā)展煤制氣-氣基豎爐還原工藝，再加上配套的電弧爐的煉鋼流程，成本與高爐+轉(zhuǎn)爐的長流程相比不具備競爭優(yōu)勢，因此氣基豎爐工藝目前在國內(nèi)市場占比較小。這意味著，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)若想通過發(fā)展氣基豎爐還原工藝以突破高爐煉鐵工藝的減排瓶頸，在技術(shù)、設(shè)備、操作流程等方面可能都得從頭開始，需要付出比較大的工藝轉(zhuǎn)換成本。

3.3國內(nèi)氫氣煉鋼推進路線：短期應(yīng)以高爐富氫為主，未來逐步推進氣基豎爐富氫

灰氫+高爐富氫工藝能提升高爐氫含量，是國內(nèi)現(xiàn)階段應(yīng)推廣的氫氣煉鋼工藝。

目前國內(nèi)仍是高爐煉鐵的長流程占主導(dǎo)，而氣基豎爐還原工藝，如前所述，盡管氫氣煉鋼減排潛力更大，但需要付出較大的工藝轉(zhuǎn)換成本。因此，短期內(nèi)國內(nèi)氫氣煉鋼的發(fā)展應(yīng)仍以高爐富氫工藝為主，收集并循環(huán)利用焦爐煤氣、高爐爐頂煤氣，不僅可以實現(xiàn)減排效果，提升碳利用效率，還能在一定程度上提升產(chǎn)量帶來經(jīng)濟效益，是現(xiàn)階段較為經(jīng)濟性地減排手段。

氣基豎爐直接還原煉鐵工藝更適宜氫氣煉鋼，在國內(nèi)占比將逐步提升。

盡管氣基豎爐工藝在國內(nèi)尚不具備大規(guī)模發(fā)展條件，但我們認為以下趨勢將在未來為其創(chuàng)造發(fā)展條件：

①隨著國內(nèi)廢鋼可用性增加，國內(nèi)電弧爐占比將提升，直接還原鐵在電弧爐中既可以和廢鋼搭配使用，以突破純廢鋼生產(chǎn)的產(chǎn)品限制，改善生產(chǎn)率和成本，還可以完全替代廢鋼作為電弧爐的主要原料；

②電價的不斷下降，新能源的普及將帶來電價不斷下降，這將提升電弧爐的經(jīng)濟性，也能降低通過電解制還原鐵的生產(chǎn)成本；

③氣基豎爐的富氫工藝不斷成熟。未來隨著新能源電力的規(guī)模化，其邊際發(fā)電成本幾乎可以忽略不計，綠氫成本也將隨之顯著下降，甚至低于天然氣或煤炭的開采成本，這將顯著提升高氫氣基豎爐還原工藝的經(jīng)濟性，國內(nèi)氣基豎爐有望跳過煤氣-氣基豎爐工藝，直接發(fā)展氫氣-氣基豎爐工藝。但在新能源和氫能產(chǎn)業(yè)鏈成熟之前，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)還應(yīng)先在氣基豎爐還原工藝有所積累，由于該工藝主要應(yīng)用在國外，所以相關(guān)技術(shù)目前也需從國外引入，設(shè)備的國產(chǎn)化也比較有限，若等氫產(chǎn)業(yè)鏈成熟后才開始發(fā)展將使國內(nèi)鋼鐵行業(yè)陷入非常被動地境地。

具備電價、煤炭資源優(yōu)勢的地區(qū)和鋼企可先行發(fā)展氣基豎爐還原工藝。

由于目前綠氫成本還較高，現(xiàn)階段國內(nèi)直接還原工藝中的還原氣體主要來自煤，因此在電價較低、具備廉價煤炭資源的地區(qū)直接還原鐵和電弧爐產(chǎn)鋼的成本較低，有條件發(fā)展煤氣基豎爐還原煉鐵+電弧爐的短流程，可以作為試點地區(qū)優(yōu)先發(fā)展氣基豎爐還原工藝。

總而言之，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)未來一段時間仍將以長流程工藝為主，節(jié)能減排也應(yīng)該立足于高爐+轉(zhuǎn)爐的設(shè)備基礎(chǔ)之上，灰氫+高爐富氫應(yīng)是國內(nèi)現(xiàn)階段應(yīng)推廣的氫能煉鋼工藝。隨著未來條件成熟，富氫氣基豎爐直接還原工藝將迎來較大發(fā)展空間，在此之前可在具備電價、煤炭資源優(yōu)勢的地區(qū)和鋼企先行推廣，為之后國內(nèi)大規(guī)模發(fā)展積累技術(shù)、人才等經(jīng)驗。

4 國內(nèi)氫氣煉鋼實踐：大型鋼鐵集團開始積極布局

4.1 高爐富氫：實施主體和設(shè)計規(guī)模以“小”為主，八一鋼鐵項目將起示范作用

早在20世紀60年代國內(nèi)就對高爐富氫工藝進行了嘗試，本鋼的高爐噴吹焦爐煤氣試驗結(jié)果顯示高爐產(chǎn)量提高了10.8%，焦比降低了3%～10%，爐況順行程度好轉(zhuǎn)。1964年12月，鞍鋼煉鐵廠結(jié)合本鋼高爐噴吹焦爐煤氣的經(jīng)驗，在9號高爐進行了焦爐煤氣噴吹試驗，每噴吹1m³焦爐煤氣，可節(jié)約焦炭0.6-0.7kg，高爐冶煉過程得到了改善，促進了爐況順行。

目前已有企業(yè)就高爐富氫工藝對現(xiàn)有高爐進行改造或計劃改造，比如：

• 邢臺鋼鐵啟動于2017年的碳富氫煉鐵技術(shù)改造項目，富氫氣體來源于邢鋼自產(chǎn)焦爐煤氣，噸鐵焦爐煤氣噴吹量350立方米；

• 八一鋼鐵2020年啟動3.9億投資的氧氣高爐富氫還原低碳煉鐵項目，將在原380立方米高爐基礎(chǔ)上進行改造，富氫氣體來源于高爐爐頂循環(huán)煤氣，預(yù)計2021年7月完工，目標是實現(xiàn)5%以上的減排目標；

• 晉南鋼鐵計劃實施2000立方米級高爐規(guī)模化噴吹氫氣項目，于2020年與江蘇鋼鐵研究總院簽署技術(shù)開發(fā)合同。

• 氣基豎爐富氫：主要由具備煤資源優(yōu)勢的地方鋼企和綜合實力強的鋼鐵集團發(fā)起

部分位處富煤地區(qū)的鋼企已進行氣基還原工廠建廠或前期準備工作，比如：

• 山西中晉太行礦業(yè)公司2013年開始籌備30萬噸焦爐煤氣豎爐直接還原生產(chǎn)工廠，已于2020年11月底全部建成、進入到聯(lián)動負荷試車階段，其氣基來源于焦爐煤氣；

• 位于內(nèi)蒙的明拓集團計劃采用Midrex的氣基豎爐技術(shù)，以合成煤氣為還原氣，建設(shè)年產(chǎn)能力110萬噸的還原鐵廠，供應(yīng)下游電爐生產(chǎn)不銹鋼產(chǎn)品，中國鋼研新冶集團2019年對其該項目進行了論證，并形成了《“年產(chǎn)110萬噸氣基豎爐直接還原鐵項目”專家論證報告》；

• 酒鋼集團也于2019年9月成立冶金研究院，計劃就煤基氫冶金進行進一步研究并申報示范項目；

• 遼寧華信鋼鐵集團于2018年與東北大學(xué)就籌建年產(chǎn)1萬噸DRI和10萬噸精品鋼的煤制氣-富氫氣基豎爐-電爐短流程示范工程項目簽署合作協(xié)議。

除此之外，寶鋼和河鋼也計劃推進氣基豎爐富氫還原工藝，由于在煤資源優(yōu)勢并不顯著，但集團整體資金和科研實力雄厚，在富氫工藝的路線選擇上步子邁的更大：

• 河鋼集團于2020年11月與特諾恩雙方簽訂合同，建設(shè)高科技的氫能源開發(fā)和利用工程，其中包括一座年產(chǎn)60萬噸的ENERGIRON直接還原工廠（ENERGIRON屬于HYL工藝）。河鋼集團的60萬噸直接還原工廠將使用含氫量約70%的補充氣源，噸直接還原鐵僅產(chǎn)生250KgCO2，將成為全球最綠色的直接還原工廠之一。

• 寶鋼氫氣煉鋼的計劃路線更加系統(tǒng)化和低碳化：第一階段為低碳冶金，即以高溫堆制氫＋高爐富氫冶煉＋核電取代燃煤自備電站，實現(xiàn)低碳冶金；第二階段為零碳排放冶金，即以高溫堆制氫＋高爐富氫冶煉＋核電＋冶金氣加氫制化工原料，在第一階段技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合煤化工技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化為化工原料，從而實現(xiàn)零碳排放冶金；第三階段為無碳冶金，即以高溫堆制氫＋純氫還原氣基豎爐煉鐵＋核電＋電爐煉鋼，實現(xiàn)無碳煉鋼、冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，擺脫對化石燃料的依賴。目前正圍繞實現(xiàn)第一階段目標開展研發(fā)，同時也在開展第二、第三階段的預(yù)研究。合作伙伴為清華大學(xué)和中核集團，于2019年和合作伙伴簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，計劃核電高溫堆制氫，將核能技術(shù)與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，實現(xiàn)二氧化碳的超低排放，起到行業(yè)示范作用。

綜合來看，目前國內(nèi)鋼企在氫氣煉鋼的實踐較早，但呈現(xiàn)規(guī)模小、試驗性強的特點，早期工業(yè)化推廣高爐富氫或氣基豎爐還原工藝的鋼企由于體量較小，信息披露有限，所以項目投產(chǎn)建成后的實際效果也暫不得知，目前僅八一鋼鐵是已披露氫氣煉鋼項目鋼企中進度最快的上市公司，但推行規(guī)模并不是特別大，此次項目是對380立方米容量的高爐進行改造，若投產(chǎn)后效益和減排效果比較積極，有望對整個鋼鐵行業(yè)起到示范效應(yīng)，值得關(guān)注。

氣基豎爐氫氣煉鋼在近日相對于高爐富氫更為活躍，但所處階段也較為早期，除了山西晉中項目啟動較早，其余項目大部分處于籌建或簽署合作意向階段，但亮點在于大型鋼企如寶鋼和河鋼集團在氫氣煉鋼路線上也計劃加入氣基豎爐陣營，并且選擇的技術(shù)路線都更為先進，規(guī)劃更為全面系統(tǒng)，這為后續(xù)鋼鐵企業(yè)在低碳轉(zhuǎn)型方向上起到了指引作用。

來源：東方證券