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【導(dǎo)語(yǔ)】2020 年 9 月 22 日，習(xí)近平總書(shū)記在第 75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上講話時(shí)指出：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)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(jìn)行行業(yè)和技術(shù)改革。鋼鐵行業(yè)減少碳排放，方法是多樣的，最顯而易見(jiàn)且容易達(dá)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(shù)和工藝從其上游煉鐵和煉鋼開(kāi)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(diào)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(guān)機(jī)構(gòu)研究，煉鐵和煉鋼方面可調(diào)整實(shí)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(shè)備、工藝和成本等。氫能具有高能量密度、電化學(xué)活性和還原劑屬性， 能夠在鐵還原環(huán)節(jié)對(duì)煤、焦進(jìn)行規(guī)?；娲?，實(shí)現(xiàn)深度脫碳目標(biāo)。
爭(zhēng)論到統(tǒng)一的工藝路線
高中物理就認(rèn)識(shí)到3H2+Fe2O3=2Fe+3H2O，3個(gè)氫分子和1個(gè)三氧化二鐵分子能生成2個(gè)鐵原子和3個(gè)水分子，而真正具備規(guī)?？刹僮餍源_是在近幾年，各研究機(jī)構(gòu)和鋼廠也根據(jù)自身實(shí)際情況給出了相應(yīng)的操作方案。
2020年11月11日，蒂森克虜伯進(jìn)行高爐氫利用試驗(yàn)：“氫氣代替煤通過(guò)其中1個(gè)風(fēng)口注入9號(hào)高爐，后續(xù)計(jì)劃逐步將氫氣的使用范圍擴(kuò)展到9號(hào)高爐的全部28個(gè)風(fēng)口，并將從2022年起開(kāi)始在北萊茵-威斯特法倫州的全部3個(gè)高爐生產(chǎn)中使用氫氣，預(yù)計(jì)可減少20%的二氧化碳排放?！?/p>
2019年，薩爾茨吉特鋼鐵與特諾恩成立SALCOS項(xiàng)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(mén)子、Verbund等聯(lián)合推進(jìn)H2FUTURE項(xiàng)目，氫氣替代焦炭冶煉技術(shù)，定量對(duì)比研究電解槽系統(tǒng)與其他方案在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，目標(biāo)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(xiàng)目，目前處于試驗(yàn)階段，2035年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。工藝流程：高爐煉鐵過(guò)程中用氫氣替代煤和焦炭，氫氣在較低的溫度下對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行直接還原，并從爐頂排出水蒸氣和多余的氫氣。
通過(guò)對(duì)已經(jīng)開(kāi)始執(zhí)行和試驗(yàn)的氫能煉鋼項(xiàng)目研究發(fā)現(xiàn)，目前多數(shù)項(xiàng)目基礎(chǔ)是以氫代替煤和焦來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵還原，而后通過(guò)電爐實(shí)現(xiàn)煉鋼，總體路線基本一致。國(guó)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(guó)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(wèn)題，另外就是氫氣來(lái)源和經(jīng)濟(jì)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(lái)就要考慮的是成本問(wèn)題。目前氫氣來(lái)源是多途徑的，但真正規(guī)模實(shí)現(xiàn)氫來(lái)煉鋼，并達(dá)到減少碳排放的目的，需要的氫是藍(lán)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(lái)源的經(jīng)濟(jì)性。
結(jié)合目前的實(shí)際情況來(lái)看，氫氣的來(lái)源可多種方式配合。副產(chǎn)氫，主要矛盾點(diǎn)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(lái)源。化石燃料氫，傳統(tǒng)制氫中會(huì)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(shù)得到了推進(jìn)，將生產(chǎn)中的副產(chǎn)品CO2有效捕捉、封存和運(yùn)輸，其中需要完善捕捉技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)，但其中的關(guān)注點(diǎn)在電解的經(jīng)濟(jì)性和電的來(lái)源，后期主要降低電解的單位成本的同時(shí)解決電的問(wèn)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(guò)燃燒煤、油等不可再生資源，但發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量CO2，同樣需要用到碳捕捉和封存CCS技術(shù)。再生資源發(fā)電，目前可規(guī)模實(shí)現(xiàn)的主要是水電、風(fēng)電和太陽(yáng)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(jìn)的主要是太陽(yáng)能和風(fēng)電，其中市場(chǎng)關(guān)注較大的是太陽(yáng)能，主要通過(guò)光伏發(fā)電，后蓄電并網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)電的來(lái)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(lái)源。
由此，多種方式產(chǎn)生的氫可以交叉使用，重點(diǎn)關(guān)注的是電解氫的發(fā)展，降低成本依舊是主要任務(wù)，而推進(jìn)氫能煉鋼的重點(diǎn)因素就在于成本。
中國(guó)氫能煉鋼難關(guān)重重
中國(guó)2020年全年粗鋼10.53億噸,占全球56.49%，碳排放量占全國(guó)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(guó)家更需要在此方面做出重要突破。
中國(guó)氫能煉鋼主要面臨以下幾點(diǎn)困難：1.2020年全年粗鋼10.53億噸，其中9成是轉(zhuǎn)爐煉鋼，也就是長(zhǎng)流程高爐煉鋼，轉(zhuǎn)化為氫能煉鋼，需解決設(shè)備和工藝問(wèn)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(shí)改進(jìn)低品位礦石冶煉技術(shù)。2.產(chǎn)能置換背景下大規(guī)模轉(zhuǎn)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(yàn)階段，后續(xù)真正規(guī)模應(yīng)用還需時(shí)間，因此中期生產(chǎn)仍是基于長(zhǎng)流程高爐煉鋼。3.氫能的來(lái)源問(wèn)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(guó)內(nèi)處于初期，后續(xù)需攻克的難關(guān)很多，需要國(guó)家、行業(yè)和企業(yè)共同合作。
針對(duì)氫能煉鋼，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行有效探索，例如：2019年，中國(guó)寶武與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)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(shè)氫能源開(kāi)發(fā)和利用工程。
同時(shí)，中國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，且上下游產(chǎn)業(yè)鏈完備，氫能來(lái)源需滿(mǎn)足多樣性，降低成本的同時(shí)保證能源安全。氫能煉鋼是建立在2030 年前碳達(dá)峰和2060 年前碳中和基礎(chǔ)上的技術(shù)和行業(yè)改革，具備進(jìn)一步發(fā)展的空間，政府、行業(yè)和企業(yè)需精誠(chéng)合作。
