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【導語】2020 年 9 月 22 日，習近平總書記在第 75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上講話時指出：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和。
二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和，首推其沖就是目前的高耗能和高排放產(chǎn)業(yè)，其中電力和工業(yè)碳排放占比靠前，而鋼鐵作為工業(yè)中占比最大的行業(yè)將率先進行行業(yè)和技術改革。鋼鐵行業(yè)減少碳排放，方法是多樣的，最顯而易見且容易達到的就是壓縮產(chǎn)量，其次優(yōu)化鋼廠節(jié)能管理，降低噸鋼能耗等，而利用技術和工藝從其上游煉鐵和煉鋼開始優(yōu)化生產(chǎn)流程減少碳排放是目前考慮的最優(yōu)手段。
壓縮鋼鐵產(chǎn)量，只能是短期內(nèi)的手段，而調整和優(yōu)化生產(chǎn)工藝是從行業(yè)發(fā)展角度，從根本上減少碳排放。據(jù)相關機構研究，煉鐵和煉鋼方面可調整實現(xiàn)的工藝就是氫能煉鋼替代原有的煤、焦煉鋼，但氫能煉鋼仍存很多需要突破的地方，如設備、工藝和成本等。氫能具有高能量密度、電化學活性和還原劑屬性， 能夠在鐵還原環(huán)節(jié)對煤、焦進行規(guī)?；娲?，實現(xiàn)深度脫碳目標。
爭論到統(tǒng)一的工藝路線
高中物理就認識到3H2+Fe2O3=2Fe+3H2O，3個氫分子和1個三氧化二鐵分子能生成2個鐵原子和3個水分子，而真正具備規(guī)?？刹僮餍源_是在近幾年，各研究機構和鋼廠也根據(jù)自身實際情況給出了相應的操作方案。
2020年11月11日，蒂森克虜伯進行高爐氫利用試驗：“氫氣代替煤通過其中1個風口注入9號高爐，后續(xù)計劃逐步將氫氣的使用范圍擴展到9號高爐的全部28個風口，并將從2022年起開始在北萊茵-威斯特法倫州的全部3個高爐生產(chǎn)中使用氫氣，預計可減少20%的二氧化碳排放。”
2019年，薩爾茨吉特鋼鐵與特諾恩成立SALCOS項目。工藝流程：氫氣為還原劑直接還原煉鐵-電弧爐工藝路線。
2017年，奧鋼聯(lián)、西門子、Verbund等聯(lián)合推進H2FUTURE項目，氫氣替代焦炭冶煉技術，定量對比研究電解槽系統(tǒng)與其他方案在鋼鐵行業(yè)應用的技術可行性和經(jīng)濟性，目標是到2050年減少80%的二氧化碳排放。
2016年，瑞典鋼鐵、瑞典大瀑布電力和瑞典礦業(yè)聯(lián)合成立了HYBRIT項目，目前處于試驗階段，2035年實現(xiàn)商業(yè)化運行。工藝流程：高爐煉鐵過程中用氫氣替代煤和焦炭，氫氣在較低的溫度下對球團礦進行直接還原，并從爐頂排出水蒸氣和多余的氫氣。
通過對已經(jīng)開始執(zhí)行和試驗的氫能煉鋼項目研究發(fā)現(xiàn)，目前多數(shù)項目基礎是以氫代替煤和焦來實現(xiàn)鐵還原，而后通過電爐實現(xiàn)煉鋼，總體路線基本一致。國內(nèi)很少有直接還原鐵的高爐，原因之一就是缺少高品位礦石。據(jù)卓創(chuàng)數(shù)據(jù)分析，目前國內(nèi)礦石多為中低品位，高品位礦石短缺，同樣氫能煉鋼同樣面臨此問題，另外就是氫氣來源和經(jīng)濟性。
成本制約氫能煉鋼
氫能煉鋼，首先要考慮的是能不能？3H2+Fe2O3=2Fe+3H2O告訴我們可以，那么接下來就要考慮的是成本問題。目前氫氣來源是多途徑的，但真正規(guī)模實現(xiàn)氫來煉鋼，并達到減少碳排放的目的，需要的氫是藍氫和綠氫，而不是傳統(tǒng)提煉的灰氫和棕氫，那么就需要優(yōu)化氫的來源的經(jīng)濟性。
結合目前的實際情況來看，氫氣的來源可多種方式配合。副產(chǎn)氫，主要矛盾點在純度不高和后期逐漸減少，可精煉使用，且后期逐步減少該渠道來源。化石燃料氫，傳統(tǒng)制氫中會大量排放CO2 ，但不符合減碳的目的，在此情況下碳捕捉和封存CCS技術得到了推進，將生產(chǎn)中的副產(chǎn)品CO2有效捕捉、封存和運輸，其中需要完善捕捉技術，還需研發(fā)并生產(chǎn)封存CO2的鋼材。水電解，水電解產(chǎn)生的氫完全符合后期規(guī)模使用的標準，但其中的關注點在電解的經(jīng)濟性和電的來源，后期主要降低電解的單位成本的同時解決電的問題，而目前發(fā)電方式主要有火力發(fā)電和再生資源發(fā)電。
火力發(fā)電，通過燃燒煤、油等不可再生資源，但發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量CO2，同樣需要用到碳捕捉和封存CCS技術。再生資源發(fā)電，目前可規(guī)模實現(xiàn)的主要是水電、風電和太陽能等，其中水電受地理因素限制，不易形成大規(guī)模，而有效推進的主要是太陽能和風電，其中市場關注較大的是太陽能，主要通過光伏發(fā)電，后蓄電并網(wǎng)等實現(xiàn)電的來源，但利用其電解氫整體成本和規(guī)模依舊不足，后期繼續(xù)降低發(fā)電成本，并形成穩(wěn)定的電力來源。
由此，多種方式產(chǎn)生的氫可以交叉使用，重點關注的是電解氫的發(fā)展，降低成本依舊是主要任務，而推進氫能煉鋼的重點因素就在于成本。
中國氫能煉鋼難關重重
中國2020年全年粗鋼10.53億噸,占全球56.49%，碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是碳排放量最高的制造業(yè)行業(yè)。如此背景下，氫能煉鋼是減碳的重要手段，甚至一定程度上較其他國家更需要在此方面做出重要突破。
中國氫能煉鋼主要面臨以下幾點困難：1.2020年全年粗鋼10.53億噸，其中9成是轉爐煉鋼，也就是長流程高爐煉鋼，轉化為氫能煉鋼，需解決設備和工藝問題，另外如此大的基數(shù)下，高品位鐵礦石也是重中之重，同時改進低品位礦石冶煉技術。2.產(chǎn)能置換背景下大規(guī)模轉換為氫能煉鋼是否不妥，據(jù)卓創(chuàng)分析，目前氫能煉鋼處于研究和試驗階段，后續(xù)真正規(guī)模應用還需時間，因此中期生產(chǎn)仍是基于長流程高爐煉鋼。3.氫能的來源問題，電解的電是否要靠光伏，及后續(xù)發(fā)展，電解氫的成本如何降低。因此，氫能煉鋼在國內(nèi)處于初期，后續(xù)需攻克的難關很多，需要國家、行業(yè)和企業(yè)共同合作。
針對氫能煉鋼，國內(nèi)已經(jīng)開始進行有效探索，例如：2019年，中國寶武與中核集團、清華大學簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》。2020年11月份，河鋼與特諾恩簽訂合同，建設氫能源開發(fā)和利用工程。
同時，中國是鋼鐵生產(chǎn)大國，且上下游產(chǎn)業(yè)鏈完備，氫能來源需滿足多樣性，降低成本的同時保證能源安全。氫能煉鋼是建立在2030 年前碳達峰和2060 年前碳中和基礎上的技術和行業(yè)改革，具備進一步發(fā)展的空間，政府、行業(yè)和企業(yè)需精誠合作。
