氢能炼钢，正在悄悄来到我们身边

从初中化学课开始，我们就知道，炼钢，就是让铁矿石和焦炭在高温下反应生成生铁，之后再将生铁中的杂志除去变成钢的过程。一座座高炉，在每年产出亿吨级别钢铁的同时，也构筑起了人类文明的大厦。

【图】高炉，曾经是现代文明的象征

但是众所周知，炼钢排放的大量二氧化碳，造成了严重的温室效应，也使得钢铁行业成为“臭名昭著”的高碳行业，“碳中和”的大敌。

不过21世纪的炼钢，可能要逐步和焦炭说再见了：就在2020年，国内首座氢能炼钢厂正式签约，并将于2021年投产——这意味着，在全球已经初见端倪的氢能炼钢，终于要在全球最大的钢铁生产和消费国落地生根了！

在去年的11月20日，卡斯特兰萨—特诺恩与河钢集团正式签订合同，将建设高科技的氢能源开发和利用工程，其中包括一座年产60万吨的ENERGIRON直接还原厂。据悉，这将是全球首座使用富氢气体的直接还原炼铁厂，加上全球领先的二氧化碳回收技术，生产一吨钢将仅排放约125公斤二氧化碳，仅为传统方法的1/12。

【图】双方签约现场（图片来源：网络）

从焦炭炼钢到氢能炼钢，表面上只是还原方法的不同，背后是整个产业链的脱胎换骨。今天我们就来梳理一下氢能炼钢那些事，以及这么绿色环保的炼钢法，距离在祖国大地遍地开花还有多远。

氢能炼钢，原理并无本质差异

1.治标还是治本？钢铁业的碳中和

众所周知，传统的高炉炼铁选用焦炭作为原料之一，通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量，并产生还原剂一氧化碳（CO），在高温下利用一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，将铁矿石还原得到生铁，并产生大量的二氧化碳气体（CO2）。之后再将生铁进一步冶炼成钢。

【图】焦炭，是传统炼铁中必不可少的原料

由于焦炭和铁矿石是传统炼钢必不可少的原料，因此不但让中国国内的钢铁产业被进口铁矿石“卡了脖子”。有关中国铁矿石受制于国外的更多信息，可以看扑克投资家以前推送的文章《疫情下的铁矿石迷思：何时不再成为钢企之“利润黑洞”？》，而且使得钢铁行业承担了”碳排放量大，污染严重”的恶名。

面对日益严重的环境问题，中国要在2060年实现|“碳中和”的目标不容动摇，而钢铁行业的节能减排，无疑是实现目标的关键一环。要想在钢铁行业实现减碳，目前看来有两种方法：

第一是改变炼钢模式，由铁矿石为原料的长流程，改为以废钢为原料的短流程。和长流程相比，短流程减排效果显著，目前发达国家炼钢已经以废钢为主（70%以上），但在国内多项政策利好加持下，推广起来困难依旧重重，原因有三：

（1）废钢短流程需要用到电炉，而这需要对设备进行改造，成本较高；

（2）和发达国家已经进入“后工业化”时代，有大量的废钢原料不同，国内的废钢供应量尚不足以满足炼钢需求。

（3）废钢短流程需要耗费大量电能，目前国内火电为主的情况下，综合减碳效果尚有疑问。

如果说使用废钢代替是“治标”的话，那么用氢气代替焦炭作为还原剂，则是彻彻底底的“治本”之道。氢能炼钢则利用氢气（H2）替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水，没有二氧化碳排放，因此炼铁过程100%绿色无污染。

目前氢气炼钢已经被应用到成熟的工业生产方案中，主要的方案设计有两种：部分使用氢气和完全使用氢气。在完全使用氢气的方案中，所有的铁元素均由氢还原，不用碳元素参与，因而原理上碳排量应该为0！

完全使用氢气目前还面临诸多挑战，因此部分使用氢气也是一种替代方案。在MIDREX的设计方案中，氢气占到还原剂的80%，其余气体原料为天然气，因此该设计方案下依然会有部分二氧化碳排出。本文一开头所言的河钢装置，采用的就是部分氢气的路线。

【图】部分使用氢气的炼铁流程（图片来源：网络）

不管是全部还是部分，都能有效降低碳排放量。截至2020年，我国钢铁企业平均吨钢碳排放量为1765公斤。采用基于天然气的炼铁工艺，可以将吨钢碳排放降至940公斤；而使用80%的氢气和20%的天然气则可以降至437公斤，如果完全使用氢气炼钢，则可以实现二氧化碳的“零排放”。

【图】氢气炼钢，原理上可以实现二氧化碳“零排放”（图片来源：网络）

按照常理，如果氢气炼铁真的这么绿色环保，应该迅速在全世界大力推广才对。然而迄今为止，氢能炼铁虽然已经有了一些工业化的项目，但是距离大规模应用依然差得很远。无他，在于氢气的制取、储存和应用依然面临诸多难题！

氢能炼钢，想说爱你不容易？

1.氢气的制取和储运成本，太高！

目前市场上主流制氢方法有电解水制氢、水煤气制氢以及由石油热裂的合成气和天然气制氢，由于全球第四代核电站的推广，近年来核能制氢也逐渐进入到人们的视野。这四种方法的特性，以及优缺点。各自成本见下表所示：

【图】不同制氢方法比较（图片来源：网络）

世界各国由于在资源分布、技术基础、环保要求等方面的差异，其制氢工业所选择的工艺各有侧重。在全球范围内，天然气制氢占比最高，达到48%；其次是醇类裂解制氢，占比30%；焦炉煤气第三，占比8%。日本由于化石燃料资源匮乏、环保要求高等原因，其制氢工业多数采用电解水（63%，见下图）。而中国煤资源丰富，煤炭开采及加工工业发达，因此煤焦炉气制氢工艺采用较多。

【图】全球和日本（右侧）氢能生产途径比例（图片来源：氢云链）

根据国际能源署汇总数据，在中国生产氢气各种不同技术路径的成本、碳强度如下

所示：电网电解水制氢成本最高（约5.5美元/公斤）；可再生能源发电制氢成本（约3美元/公斤）；天然气加碳捕捉与贮存制氢（约2.5美元/公斤）；天然气制氢（约1.8美元/公斤）；煤制氢（1美元/公斤）；煤加碳捕捉与贮存制氢（1.5美元/公斤）。

据国际能源署测算，中国目前氢能市场价格约为每吨6万元人民币或7800欧元，采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。环保，也不能不恰饭！

【图】国内主要渠道制氢成本（图片来源：IEA）

除了价格，碳排放强度是另一个必须考虑的问题：从目前国内电网电制氢高达32公斤二氧化碳/公斤氢；其他路径碳强度为：煤制氢（20）、天然气制氢（10）、煤制氢加碳捕捉与贮存（2）、天然气制氢（1）。也就是说，煤和天然气制氢是碳排放强度最低的路径！

总之，如果氢能的大规模开发要依靠煤制氢、天然气制氢，就解决不了“绿色”的问题，只有从可再生能源出发，进行大规模的氢能制备，同时取得成本的优势，才可能让氢能炼钢得到大规模推广。而这方面的技术尚待研发。

不仅制备上难以“脱碳”，由于氢气特殊的物理化学性质——密度不足空气的1/15，且易燃易爆，因此储运需要极其特殊的条件。目前储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢及储氢材料储氢三种。，其大规模储运至今仍是工业上的难题。

液态氢的密度是气体氢的845倍，体积能量密度比压缩状态下的氢气高出数倍，要把气态氢变成液态氢，每公斤需要耗电4-10kWh，对于储氢容器的要求异常严格，需要耐超低温、长时间可保持超低温、抗压以及严格绝热，对于材料的要求极高，因此这种方法极不经济，目前只有航空航天领域在使用。

【图】液态氢的储存装置（图片来源：网络）

高压气态储氢是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术，其储存方式是采用高压

将氢气压缩到一个耐高压容器里。但这种渠道存在一个较为致命的隐患既体积比容量低：DOE的目标体积储氢容量70g/L，而钢瓶目前所能达到的最高的体积比容量也仅有25g/L。而且要能耐受高压并保证安全性，现在国际上主要采用碳纤维钢瓶，碳纤维价格非常昂贵，也并非是理想的选择，至于用到炼钢上更加难以想象。

【图】固态氢的储存装置（图片来源：网络）

此外还有近年来热炒的储氢材料储氢就是利用氢气与储氢材料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来进行氢气储存的一种储氢方式。

储氢材料最大的优势就是储氢体积密度大，相同质量的氢气用储氢材料储存占用空间最少，并且操作容易、运输方便，同时兼具成本低与安全性高的特点，恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点，但它仍然存在一些技术问题亟待解决。

目前储氢材料主要可以分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢两种，其中物理吸附储氢又可分为金属有机框架（MOFs）和纳米结构碳材料，化学氢化物储氢则分为金属氢化物和非金属氢化物两种。不过总体而言，这些方案都还处于实验室阶段，距离工业应用还有很大距离。

【图】一种MOFs的晶体结构（图片来源：ScienceDirect）

为什么在目前的条件下，上面方案几乎没有一种能大规模用于氢能炼钢？

一家钢铁厂每天的产量少则几百吨，多则上万吨，对工业气体在纯度和稳定供应两方面都提出了很高的要求，而这显然是目前的氢气制造和储运方案难以解决的。即便如此，由于“碳中和”关系着人类的命运，因而再难啃的骨头也非啃不可。

2.不变革，就毁灭：碳排放大户的帽子，钢铁非摘不可

钢铁行业是碳排放的重要领域，特别是对中国这个钢铁大国而言。中国钢铁工业碳排放量占全国碳排放总量的15%左右，是全国碳排放量最高的制造业行业。

据不完全统计，每生产1t钢，采用高炉工艺将排放出2.5t的二氧化碳，转炉生产吨钢CO2排放为2.2吨左右，电炉工艺也要排放0.5t的二氧化碳。因此，中国迫切需要加速推进钢铁等重点行业节能减排，钢铁行业的节能减排对策的制定与实施刻不容缓。

【图】钢铁碳排量居全国各制造业之首（图片来源：网络）

钢铁行业低碳减排对全国实现碳达峰的目标至关重要。目前我国钢铁行业低碳减排政策主要有两种：

一是压缩钢铁产量。决策层要求“进一步促进钢铁产量的压减，逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗总量为依据的存量约束机制，研究制定相关工作方案，确保2021年全面实现钢铁产量同比的下降”。因此，低排放、低能耗的企业将会获得更宽松的钢铁产量限制。

二是实施碳排放权限额分配制度。决策层表示要将钢铁行业纳入碳交易市场中，限额二氧化碳排放。根据钢铁行业适用的历史强度限额分配法，在获配限额一定的条件下，钢铁企业不断降低产品能耗和碳排放量，将会为企业带来更宽松的钢铁产量限制。

【图】钢铁行业减碳相关政策梳理（图片来源：东吴证券）

按照发达国家的经验，随着环保政策的不断收紧，企业的环保成本将会不断上升，以欧盟CER碳排放权交易价格为例，从2019年年中开始，随着第三阶段的限制逐步收紧，交易价格逐步走高，这标志着企业在减少碳排放方面将会付出更多成本。鉴于中国的碳排放市场已经开始建设，欧洲的经验，势必有着很大的参考价值。

【图】削减配额，提升价格是碳排放的趋势（RefinitivEikon,ICE洲际交易所）

综上所述，可以预期的是，未来中国经济逐渐转型的大背景，加上钢铁行业低碳减排政策不断落地的严监管环境，较低能耗和较低排放的环保型钢铁企业将会拥有长足的成长优势。而高能耗，并且难以转型的企业，只能面临被淘汰的命运。

形势逼人，在下定决心之前，我们不妨先看一看节能减排的“排头兵”——欧洲是怎么氢能炼钢的。

他山之石，可以攻玉：欧洲和国内氢能炼钢对比

1.欧洲，何以成为氢能炼钢“优等生”？

欧盟钢铁行业通过技术的优化和创新，实现了很高的资源效率。但是值得注意的是，随着技术的进步，当前高炉练钢的流程已经接近热力学极限，其产生的二氧化碳已经降低到了技术最小值。因此能源效率的进一步提高和二氧化碳排放的减少，需要根本性的突破性技术。

【图】传统炼钢的减排效率，在欧洲已经达到极限（图片来源：网络）

需要指出的是，节能减排是一个综合工程，并不只有用氢替代碳一条途径。

据2018年的一份报告，欧盟28国探讨了钢铁行业减少碳排放的技术路线，其中包括循环经济，智能用碳SCU技术以及避免直接碳排放CDA技术。

智能用碳（SCU）技术包括：生产过程与碳捕集与封存（CCS）技术的结合，碳捕集与利用（CCU），这个留待以后讨论；避免直接碳排放（CDA）技术则是在炼钢中使用可再生能源电力生产氢气代替高炉中的焦炭，即直接还原过程（DR），也就是下文我们要重点举例的技术。

【图】新技术有助于循环经济（图片来源：网络）

直接还原技术（氢能炼钢），在基础炼钢中使用氢代替碳，需要使用绿氢（由再生能源发电通过水电解产生的氢气）。鉴于投入绿氢目前经济性较差，可选择一个折中的方案：使用天然气，直到有足够的无碳电力可用，体现钢铁行业与电力行业和氢气供应商的良好共生关系。涉及项目包括：MACOR/SALCOS，HYBRIT，H2Steel（H2Future，SuSteel）。

【图】直接还原技术的原理图（图片来源：网络）

最为典型的氢能炼钢项目，目前还处于中试阶段的瑞典钢铁HYBRIT项目——该项目使得瑞典成为氢能炼钢的“优等生”。

2016年，项目由瑞典钢铁公司、瑞典大瀑布电力公司和瑞典矿业集团联合成立。2016年~2017年为项目预研阶段，主要工作内容包括评估非化石能源冶炼的潜力，以及二氧化碳的捕集、存储和利用等。该项目的中试研究阶段为2018年~2024年，示范运行阶段为2025年~2035年。在为期10年的示范运行阶段主要进行运行测试，以确保到2035年实现商业化运行。

按照2018年初公布的研究结果表明，按照2017年底的电力、焦炭价格和二氧化碳排放交易价格，HYBRIT项目采用的氢冶金工艺成本比传统高炉冶炼工艺高20%~30%。

根据项目负责人在公开场合的发言表示：假设电价保持在当前水平，直接还原铁工艺可能会让粗钢的价格上涨20%到30%。另外业内专家表示，如果全面投产，HYBRIT每年将消耗约150亿度电，占瑞典目前供电量的10%。

根据另外公开信息可知，瑞典克朗兑人民币约1：1，瑞典2019年用电价格约0.5克朗/度，与河北省工业用电价格基本相同，假设粗钢吨钢成本为2700元（粗钢成本中位数），可推导出包括制氢环节在内的直接换原铁工艺吨钢耗电量约为3900kwh，远远超过电炉工艺的平均耗电的2300kwh及高炉工艺的350kwh，也可以判断出HYBIRT项目的设计产能约为450万吨。

根据世界钢协2018年世界钢铁报告中显示，2018年瑞典全国钢铁470万吨，到2050年理想状态钢产能1000万吨——还不到中国太钢一年的产量，可见其更多起到的是“试验田”功能。

另外两家典型的氢能炼钢项目还有德国的SALCOS，以及奥地利的H2FUTURE，限于篇幅不一一介绍了，有兴趣的读者可以看下面的参考文章。

《中国冶金报》从这三家欧洲项目的推进过程中，总结了氢能炼钢产业在欧洲的一些发展特点：

这3家钢企发起氢能利用项目研究的时间是2016年~2017年，项目预研与中试将在2021年前后完成，此后将进行近10年的示范运行测试，在2035年左右实现商业化运行，确保到2050年实现减排目标。为此，这3家钢企都确定了阶段性目标，确保项目稳步推进。这3个项目的示范运行测试时间都在10年左右，体现了钢企推进氢能利用项目的难度。

示范运行测试至少需要10年的时间，可见氢能取代传统能源绝非一朝一夕之功。并且，欧洲的经验如果照搬到中国，难免有些“水土不服”。

在电力来源结构上，瑞典电力83%为水电与核电，传统火电不足1%，而我国单火电占比就高达76%。根据统计局数据，我国钢铁行业用电占整体10%，而我国目前仍以高炉炼钢为主要生产手段，理想情况下全部采用氢能炼钢技术，在不考虑生产成本的前提下，我国需要至少增加80%的电力供应，这显然是不可能实现的目标，

同时正如前文所言，以火电为主的中国，电力使用的增加势必将引起二氧化碳更多的排放，综合考量将大大增加整体二氧化碳的排放，本末倒置。因而中国钢铁行业要想引入氢能，必须考虑另辟蹊径。

2.国内对氢能炼钢的探索

除了本文一开头提到的河钢项目以外，还有一些企业在氢能炼钢上展开了广泛的研究。

首先是中国钢铁“一哥”宝武集团：2019年，中国宝武就已与中核集团、清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，三方将资源共享，共同打造世界领先的核冶金产业联盟，宝武集团的首座绿色冶金工程有望落户江苏。.

此处的核冶金是技术的亮点——就是利用核能制氢再用氢气冶金。要实现核能到氢能的高效转化，必须部分或全部利用以反应堆提供的工艺热，减少热–电转换过程中的效率损失。主流的核能制氢技术包括热化学循环（碘硫循环、混合硫循环）和高温蒸汽电解。

【图】核能制氢直接还原炼铁原理路线示意图（图片来源：网络）

发展核能制氢技术，有利于保持我国高温气冷堆技术的国际领先优势，为未来氢能的大规模供应提供了解决方案，还为高温堆工艺热应用开辟新的用途，对实现我国未来的能源战略转变具有重大意义。

【图】核能制氢炼铁技术路线图（图片来源：网络）

再来到酒钢：这里的煤基氢冶金中试基地热负荷试车及部分中试试验正在顺利进行。酒钢煤基氢冶金中试基地以高炉瓦斯灰为原料进行了多次试验。项目团队分别以酒钢自产冶金焦丁和褐煤为还原剂，进行了碳冶金和氢冶金的对比试验，据公开报道，两种工艺的金属化率分别为40%左右和85%以上，体现出氢冶金技术的巨大优势。

钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业，而氢能行业是处于起步阶段的行业，不仅需要努力发展技术，也需要向社会提供更多的想象力，才能引来更多的资金和人才，才能更好地促进产业发展。但没有了扎实的科技基础，想象力最终也会成为空中楼阁。因此“仰望天空”和“脚踏实地”两者不可偏废。