何為氫冶金？它與傳統(tǒng)煉鐵工藝有何不同？從“碳冶金”到“氫冶金”，意味著怎樣的轉(zhuǎn)變？它對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展有著怎樣啟示？帶著這些問題，記者深入氫冶金項(xiàng)目一線進(jìn)行實(shí)地采訪。

二氧化碳減排70%以上

8月3日下午，位于張家口市某氫冶金項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，一座118米高的氫基豎爐巍然聳立，豎爐周圍簇?fù)碇幚?、加熱爐、二氧化碳脫除等裝置，高低錯(cuò)落的通廊、密集架設(shè)的管道將各個(gè)裝置連接，整套設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。這是全球首例采用“焦?fàn)t煤氣零重整豎爐直接還原”工藝技術(shù)的氫冶金示范工程。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，今年5月，項(xiàng)目正式實(shí)現(xiàn)安全、連續(xù)、順利生產(chǎn)。

置身現(xiàn)場(chǎng)，氫冶金與傳統(tǒng)煉鐵工藝在觀感上差別很大。傳統(tǒng)高爐被氫基豎爐取代，一個(gè)個(gè)銀白色的反應(yīng)罐，密布的管道和閥門、儀表，也是傳統(tǒng)高爐煉鐵所沒有的，這里更像一座化工廠。

“這些反應(yīng)罐和管道內(nèi)流通的是焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t煤氣經(jīng)過深度凈化、脫除雜質(zhì)，加壓進(jìn)入氫基豎爐內(nèi)，之后該氣體的主要成分氫將與鐵礦石進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)?！睔湟苯鹱鳂I(yè)區(qū)作業(yè)長(zhǎng)呂同志一邊說，一邊手指管線描述大致流程。

采用氫氣作為還原劑和過程燃料，是氫冶金與傳統(tǒng)高爐煉鐵本質(zhì)的不同?！案郀t煉鐵是鐵礦石和焦炭反應(yīng)，將鐵礦石中的氧化鐵還原成單質(zhì)鐵，變成鐵水。而氫冶金是氫與鐵礦石反應(yīng)，置換出鐵礦石中的氧，整個(gè)過程是氣體與固體的反應(yīng)?！眳瓮緦煞N工藝進(jìn)行對(duì)比。

與傳統(tǒng)工藝比，氫冶金在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源替代的同時(shí)，也改變了整個(gè)冶金的生產(chǎn)流程。

當(dāng)前，鋼鐵企業(yè)普遍的冶煉工藝是“高爐+轉(zhuǎn)爐”的模式，在高爐冶煉出鐵水，再經(jīng)轉(zhuǎn)爐熔煉成鋼，這種模式被稱為長(zhǎng)流程煉鋼。氫冶金技術(shù)省去高爐等流程，所產(chǎn)出的DRI（直接還原鐵）產(chǎn)品直接轉(zhuǎn)入電爐，工藝流程環(huán)節(jié)減少，復(fù)雜度也大大降低。

能源的轉(zhuǎn)換，加上冶煉流程的縮短，氫冶金帶來最直接的改變是碳排放量的變化。對(duì)此，全程參與氫冶金項(xiàng)目的技術(shù)中心副主任李同志感受頗深。

“傳統(tǒng)的冶煉工藝，以含碳量高的煤和焦炭作為燃料，每生產(chǎn)一噸鋼，約排放2噸二氧化碳，其中有1.6噸至1.7噸在高爐環(huán)節(jié)產(chǎn)生。而氫冶金使用的焦?fàn)t煤氣，本身含有55%至65%的氫氣，可直接利用，還有15%的甲烷可分解為氫氣和一氧化碳，最終，還原氣體中的氫碳比達(dá)到8∶1以上?！弊鳛橐幻撹F行業(yè)的老兵，李同志經(jīng)歷過高爐煉鐵的鼎盛時(shí)代，他直言氫冶金是鋼鐵冶煉的重大技術(shù)革新。

一組數(shù)據(jù)可以說明氫冶金的減排效果。據(jù)測(cè)算，與同等生產(chǎn)規(guī)模的“高爐+轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程工藝相比，氫冶金示范工程一期每年可減少二氧化碳排放80萬噸，減排比例達(dá)到70%以上，同時(shí)二氧化硫、氮氧化合物、煙粉塵排放分別減少30%、70%和80%以上。

為了將減排效果，該氫冶金項(xiàng)目在規(guī)劃時(shí)，還配套了二氧化碳捕集和精制系統(tǒng)。

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)東側(cè)區(qū)域，呂同志告訴筆者，二氧化碳精制過程在這里完成?！拔覀儠?huì)將氫冶金過程中產(chǎn)生的部分二氧化碳捕集，進(jìn)而脫水、加壓，精制成工業(yè)級(jí)液體二氧化碳和食品級(jí)液體二氧化碳，預(yù)計(jì)生產(chǎn)一噸DRI產(chǎn)品可捕集二氧化碳約125千克，項(xiàng)目可年產(chǎn)二氧化碳副產(chǎn)品約6萬噸?！?/p>

當(dāng)天17時(shí)，呂同志趕回氫冶金項(xiàng)目辦公樓，循例參加項(xiàng)目部的會(huì)議。會(huì)議議題是對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行再梳理、再優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)減碳潛力，探索當(dāng)前工藝下的降碳極限。呂同志表示，自5月以來，這樣的會(huì)議至少是一天一開，目的是努力打造行業(yè)首條“零碳”示范產(chǎn)線。

在氫冶金項(xiàng)目辦公樓大廳內(nèi)，展示著一封5月31日中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)來的賀信。賀信中說，氫冶金項(xiàng)目一期工程的成功，是由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變的重要里程碑，引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)邁入“以氫代煤”冶煉“綠鋼”的時(shí)代。

低碳“綠鋼”走向世界名企

8月4日，特材研究制造產(chǎn)線上，一塊燒得通體發(fā)紅的鍛件被機(jī)器從高溫爐內(nèi)取出，送至鍛壓機(jī)下，在工人們的輔助下，鍛壓機(jī)開始對(duì)鍛件進(jìn)行錘打，發(fā)出震耳欲聾的聲響。這是一種用于制作模具的綠色鋼材，它配加的主要原料是氫冶金項(xiàng)目生產(chǎn)的DRI產(chǎn)品。

模具被稱為工業(yè)之母，是制造業(yè)不可或缺的生產(chǎn)工具。模具對(duì)構(gòu)型和尺寸精度要求極高，因此模具鋼要求鋼的品質(zhì)要足夠高、足夠純凈，否則極易引起磨損、裂紋，甚至破型。在特材產(chǎn)品區(qū)域，整齊堆疊著剛剛下線的不同規(guī)格的模具鋼。說，這些模具材料已達(dá)到北美壓鑄協(xié)會(huì)模具鋼的優(yōu)質(zhì)級(jí)別，由它制作的模具，應(yīng)用于特斯拉、大眾新能源汽車等世界馳名企業(yè)?！坝捎谫|(zhì)量過硬，該種鋼材今年以來訂單量持續(xù)攀升，售價(jià)近4萬元/噸?！?/p>

模具鋼是特材

“在碳達(dá)峰碳中和背景下，鋼鐵下游行業(yè)越來越關(guān)注鋼材產(chǎn)品的碳排放量，未來，產(chǎn)品能不能被廣大客戶接納，要看制造流程是否綠色，生產(chǎn)過程是否有減碳措施?！崩钔菊f，如奔馳、寶馬等汽車企業(yè)，已經(jīng)要求鋼鐵供應(yīng)商提供鋼材產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)報(bào)告，明確提出“綠鋼”要求。

“綠鋼”需求無疑是一個(gè)好消息，它將氫冶金在綠色低碳方面的優(yōu)勢(shì)，最終轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品上的競(jìng)爭(zhēng)力。

“下一步，我們將研究生產(chǎn)多種原料結(jié)構(gòu)條件下的DRI產(chǎn)品，提供排放更低、純凈度更高的氫冶金產(chǎn)品，讓綠色制造的含金量更高?！崩钔菊f。

引領(lǐng)未來行業(yè)發(fā)展風(fēng)向標(biāo)

在專業(yè)人士看來，氫冶金之所以受到關(guān)注，源于鋼鐵行業(yè)減排的大背景。數(shù)據(jù)資料顯示，中國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放量占全球鋼鐵碳排放量的60%以上，占全國(guó)碳排放總量的15%左右，是我國(guó)制造業(yè)中碳排放量最多的行業(yè)。毫無疑問，降低碳排放量，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)是主戰(zhàn)場(chǎng)。

外部環(huán)境也在促使鋼鐵行業(yè)加快降碳步伐。5月17日，歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制（CBAM）正式生效，這意味著，鋼鐵、水泥等多個(gè)行業(yè)將被征收“碳稅”。對(duì)我國(guó)鋼鐵企業(yè)來說，如果不能盡快完成降碳目標(biāo)，未來在國(guó)際市場(chǎng)上將面臨很大競(jìng)爭(zhēng)壓力。

鋼鐵行業(yè)降碳該從何處下手？

多年來，傳統(tǒng)的冶煉工藝節(jié)能降碳空間幾乎觸碰到了天花板，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模降碳，需摒棄原有思路，尋找新路徑?！安捎镁G色能源的冶煉工藝將成為鋼鐵業(yè)低碳發(fā)展的方向，就當(dāng)前的技術(shù)路線來看，氫冶金是未來的方向，至少是方向之一。”專業(yè)人士說。

事實(shí)上，氫冶金并不是一門新技術(shù)，該技術(shù)在歐洲等國(guó)家已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟。氫冶金技術(shù)在我國(guó)遲遲沒有推開，一個(gè)深層次的原因是，過去二十年間，鋼鐵企業(yè)更注重提高生產(chǎn)效率和增加產(chǎn)能，而氫冶金是一個(gè)小而精的產(chǎn)線，并不適應(yīng)彼時(shí)我國(guó)的發(fā)展需求。

“當(dāng)前，我國(guó)鋼鐵行業(yè)進(jìn)入新發(fā)展階段，總產(chǎn)能達(dá)到峰值并逐步開始回落，鋼鐵業(yè)開始由量向質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程，所以氫冶金這種更綠色、更注重質(zhì)量的技術(shù)路線有了生存空間。”李同志說。

談及鋼鐵企業(yè)對(duì)氫冶金的接受度，李同志表示，當(dāng)前階段，鋼鐵行業(yè)對(duì)氫冶金技術(shù)還處在觀望期，但對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的接納度要比原來高很多，未來幾年，一些規(guī)模比較大的鋼鐵企業(yè)會(huì)逐步嘗試氫冶金技術(shù)。

在我國(guó)，對(duì)氫冶金的探索已經(jīng)開始起步。在河北省，根據(jù)河鋼集團(tuán)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2025年，河鋼氫冶金冶煉流程占比將提升到7%左右，2030年進(jìn)一步提升到10%左右，2050年努力達(dá)到30%。

從政策角度，對(duì)于發(fā)展氫冶金，國(guó)家層面已經(jīng)有了頂層設(shè)計(jì)。2022年，工信部等幾部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出將制定氫冶金行動(dòng)方案，加快推進(jìn)低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。而在國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃》中則進(jìn)一步明確，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，探索氫能冶金示范應(yīng)用。

能源結(jié)構(gòu)調(diào)整支撐鋼鐵低碳轉(zhuǎn)型

河鋼集團(tuán)從“碳冶金”到“氫冶金”，不僅是工藝流程上的改變，更被看作鋼鐵行業(yè)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的標(biāo)志性事件。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，氫能被視為21世紀(jì)具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?，在碳達(dá)峰碳中和大背景下，未來鋼鐵行業(yè)無論是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整還是工藝創(chuàng)新，氫能都是重要方向。

隨著鋼鐵工業(yè)進(jìn)入新舊能源混用階段，氫能逐漸應(yīng)用于冶金過程中的部分環(huán)節(jié)。對(duì)鋼鐵行業(yè)而言，當(dāng)前階段可以充分利用各類工業(yè)副產(chǎn)氫，就近消納，降低氫能供給成本。在中長(zhǎng)期，則需要依賴氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和布局，以此支撐鋼鐵工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型。

根據(jù)河北省新型能源強(qiáng)省建設(shè)相關(guān)方案，河北將加快構(gòu)建形成“風(fēng)、光、水、火、核、儲(chǔ)、氫”多能互補(bǔ)的能源格局，氫能被列為其中重要一極。河北省在全國(guó)率先印發(fā)實(shí)施省級(jí)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃，提出要推動(dòng)高純氫制備技術(shù)、氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和整車技術(shù)研發(fā)，并布局推進(jìn)第一、二批氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目128個(gè)。

在國(guó)家層面，近日，國(guó)家六部委聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2023版）》。指南系統(tǒng)構(gòu)建了氫能制、儲(chǔ)、輸、用全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋基礎(chǔ)與安全、氫制備、氫儲(chǔ)存和輸運(yùn)、氫加注、氫能應(yīng)用五個(gè)子體系，旨在充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)范和引領(lǐng)作用。

政策引領(lǐng)下，河北氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出良好勢(shì)頭。在唐山，目前國(guó)內(nèi)單體產(chǎn)能最大的電池燃料用氫氣生產(chǎn)項(xiàng)目已投產(chǎn)；在保定，全國(guó)首條百輛級(jí)別氫能重卡運(yùn)輸線實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)。全省正在形成一條完整的氫產(chǎn)業(yè)鏈。

在氫產(chǎn)業(yè)體系中，可再生能源制氫的前景被廣泛看好。無論是河北在建設(shè)新型能源強(qiáng)省中提出“提高清潔高效能源比重”，還是我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃中要求“重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫”，都意味著綠氫將迎來蓬勃發(fā)展的機(jī)遇。

河北省在可再生能源領(lǐng)域已具備一定規(guī)模，張家口可再生能源示范區(qū)、承德國(guó)家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)、風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目、海興光伏“領(lǐng)跑者”基地等一批可再生能源示范項(xiàng)目及配套工程正加快建設(shè)，將為綠電制氫產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)能源。

張家口作為可再生能源示范區(qū)，風(fēng)能、太陽能資源十分豐富。有關(guān)專家表示，在未來以清潔能源為主體的大背景下，鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)應(yīng)以氫能替代為主線，綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，構(gòu)建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統(tǒng)，使鋼鐵擺脫對(duì)化石能源的依賴，從源頭上解決碳排放問題，是實(shí)現(xiàn)低碳甚至“零碳”排放的一條途徑。