氫冶金是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標的革命性技術。氫冶金正處于技術導入期，需要從氫冶金的規(guī)模經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)生態(tài)角度全方面研究了碳中和目標下的鋼鐵行業(yè)的減碳路徑與應用前景，百人會氫能中心在東北大學低碳鋼鐵前沿技術研究院、德國蒂森克虜伯、泰山鋼鐵等科研院所和企業(yè)的支持下，進行了氫冶金研究并發(fā)布報告。預計到 2030 年，基于綠氫的氫冶金將逐漸擴大在鋼鐵行業(yè)中的規(guī)模化應用，到 2050 年，鋼鐵行業(yè)的用氫需求將達到 980 萬噸，氫冶金成為鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標的主要路徑之一。本文內(nèi)容主要分為兩部分，節(jié)選自研報《碳中和目標下氫冶金減碳經(jīng)濟性研究》及發(fā)表于《價格實踐與理論》的相應論文。上篇傳送門：《碳中和目標下的氫冶金減碳路徑與應用前景（上）》。

 

01

 

氫供求關系及成本是影響氫冶金應用的關鍵因素

 

氫氣作為氫冶金的基本原料，其供求關系直接影響氫冶金推進的程度。綜合我國鋼鐵行業(yè)政策規(guī)劃、專家訪談及數(shù)據(jù)分析，預計到2030年氫冶金產(chǎn)量為0.21-0.29億噸，約占全國鋼鐵總產(chǎn)量的2.3%-3.1%。基于氫冶金的氫氣需求約為191-259萬噸。氫冶金用氫需求中約92%來自焦爐煤氣，剩余約8%來自電解水制氫。到2050年，氫冶金鋼產(chǎn)量為0.96-1.12億噸，基于氫冶金的氫氣需求約為852-980萬噸。其中焦爐煤氣提供166萬噸氫，剩余814萬噸來自于綠氫。

 

 

圖表8 氫冶金中氫的來源

 

摘自：張真.“碳中和目標下氫冶金減碳經(jīng)濟性研究”.《價格理論與實踐》

 

氫氣成本是決定氫冶金成本具有市場競爭力的關鍵因素。傳統(tǒng)的高爐煉鋼方式，成本主要取決于鐵礦石和焦炭價格，焦煤價格直接決定了焦炭價格。而氫冶金方式煉鋼成本取決于鐵礦石和氫氣價格。隨著碳稅價格的提高，氫冶金成本對氫的價格包容度越高。基于我國碳交易的發(fā)展及發(fā)達國家實踐，預計到2030年，碳稅在200-250元/噸時，氫成本小于10.45-11.15元/kg時，氫冶金成本優(yōu)勢顯現(xiàn)。以2030年氫成本11.15元/kg，按每電解生成1m3 H2需要4.5kWh電，電力成本占總成本的70%推算，電力成本為0.146元/kWh。伴隨著可再生能源電力成本的下降及電解槽的規(guī)模化應用，綠氫直接還原鐵的成本競爭力開始突顯。氫冶金的應用推廣價值將在可再生能源豐富的區(qū)域率先實現(xiàn)。鋼鐵企業(yè)會優(yōu)選此類地區(qū)開展綠氫規(guī)模化氫冶金示范應用項目。

 

 

圖表9 氫冶金的競爭性成本優(yōu)勢分析（僅考慮H2和CO2價格）

 

注：藍色表示氫冶金具有成本優(yōu)勢；白色表示傳統(tǒng)煉鋼具有成本優(yōu)勢

 

摘自：張真.“碳中和目標下氫冶金減碳經(jīng)濟性研究”.《價格理論與實踐》

 

02

 

氫冶金應用帶動鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色升級

 

產(chǎn)業(yè)綠色轉型升級是實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和的終極路徑。將氫氣加入鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈中，能夠升級傳統(tǒng)鋼鐵制造、擴大氫氣的使用量、有效利用廢鋼以及減少鐵礦石的使用量，將形成產(chǎn)業(yè)結構和能源結構的雙贏局面。未來，可再生能源電力及綠氫成本將逐漸下降，碳稅價格將不斷提高，與現(xiàn)有燒結+焦化+高爐+轉爐的長流程工藝的建設投資、人工成本、備件費用相比，DRI+廢鋼+電爐的短流程工藝在生產(chǎn)成本和工程投資上更具有明顯優(yōu)勢，短流程煉鋼比例將逐年上升。以焦炭為核心的成熟的鋼鐵產(chǎn)業(yè)生態(tài)將逐漸替代為以氫能為核心的新鋼鐵產(chǎn)業(yè)生態(tài)。以氫冶金為核心的新的產(chǎn)業(yè)布局、技術進步、金融支撐以及基礎設施配套將逐步形成。在相對大規(guī)模風電、光伏布置的地域，如中國西北、西南地區(qū)，有可能獲得大規(guī)模廉價綠電和綠氫，可在當?shù)亟ㄔO鋼鐵企業(yè)，在這些地區(qū)，可建設相應鐵路、管道、電網(wǎng)和其他貿(mào)易基礎設施與其配套；也可建立輸氫管道將氫送到外地，供其他煉鋼廠。

 

到2050年，鋼鐵行業(yè)將成為工業(yè)中繼化工后的第二大用氫行業(yè)。綠氫經(jīng)生產(chǎn)、儲運后，送到煉鋼廠，生產(chǎn)直接還原鐵，然后在電弧爐中使用直接還原鐵生產(chǎn)鋼。根據(jù)波士頓咨詢公司，到2050年，氫冶金相應設備市場每年可能達到160億至200億美元，我國按照占比60%，市場規(guī)模在800億元人民幣。

 

03

 

明確氫冶金減碳路線圖

 

氫冶金是實現(xiàn)碳中和的關鍵技術，鋼鐵行業(yè)轉型向氫冶金不可能一蹴而就。實現(xiàn)未來可再生能源的廉價可用性和監(jiān)管將是采用氫冶金的兩個關鍵驅動因素。盡管我國鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和的目標仍需30-40年，但現(xiàn)在就采取行動至關重要。氫冶金必須選擇合適的技術路線、遵循一個明確的減碳路線圖。

 

氫能冶金技術主要有三種：富氫還原高爐、氫氣氣基豎爐和熔融還原氫冶金。其中熔融還原氫冶金尚未成熟，處于實驗室研究階段，很難實現(xiàn)工業(yè)化。從碳減排力度來看，富氫還原高爐的碳減排潛力在10%-20%，氫氣氣基豎爐的碳減排潛力為50%-98%，我國鋼鐵行業(yè)更需發(fā)展到氫氣氣基豎爐。在全氫和豎爐和富氫豎爐兩種路線來看，由于100%氫氣代碳冶金存在客觀障礙，也存在技術和經(jīng)濟上的挑戰(zhàn)，暫無法實現(xiàn)。富氫豎爐可結合氫的強還原能力和碳冶金的強放熱效應，實現(xiàn)煤氣的優(yōu)勢互補。富氫豎爐更適宜推廣，國外已試驗了 90%的氫氣占比是可行的。我國更適合走富氫豎爐的工藝路線。

 

從我國鋼鐵行業(yè)實際情況出發(fā)，目前我國以長流程高爐煉鋼為主，轉化為氫能煉鋼需解決設備和工藝的問題。在產(chǎn)能置換背景下大規(guī)模轉換為氫能煉鋼也存不妥。而且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。因此近中期鋼鐵生產(chǎn)仍是基于長流程高爐煉鋼，氫氣氣基豎爐是未來氫冶金的主導方向。

 

從我國鋼鐵企業(yè)的分布區(qū)域來看，大部分產(chǎn)能集中在東部經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域。這些區(qū)域，電力價格較高，電解水制氫成本較高，應充分利用并發(fā)揮焦爐煤氣的作用。在輸氫基礎設施完備、可取得低廉氫氣后，可逐步發(fā)展氫氣氣基豎爐煉鐵。此外，也可轉移部分鋼鐵生產(chǎn)到具有廉價電力的地區(qū)。在具有較大規(guī)模廉價風電、光電的地區(qū)，當?shù)劁撈髴e極探索氫冶金氣基豎爐技術，建設氫冶金示范工程，探索出一條鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳甚至“零碳”經(jīng)濟的最佳途徑，逐步解決鋼鐵冶金過程中產(chǎn)生的碳排放問題。

 

短期內(nèi)，國內(nèi)氫能冶金應仍以高爐富氫工藝為主。我國焦炭產(chǎn)量約5億噸，過程產(chǎn)生的焦爐煤氣可用于氫冶金。富氫還原高爐技術相對成熟，部分已實現(xiàn)工業(yè)化應用。近中期內(nèi)，可以高爐富氫+碳鋪集利用方式實現(xiàn)碳減排。未來隨著廢鋼可用性增加、電弧爐占比的提升、電價和氫氣價格的降低，可利用現(xiàn)有豎爐設計和生產(chǎn)經(jīng)驗，適度改進豎爐關鍵工藝和設備，達到最佳產(chǎn)能和最低能耗。遠期來看，需要在掌握富氫豎爐基本規(guī)律的基礎上，結合可再生能源廉價化趨勢，逐步過渡到全氫豎爐。

 

 

圖表10 氫冶金技術路線選擇與減碳路線圖

 

1）與現(xiàn)有高爐技術相比的減碳能力

 

2）對整個鋼鐵行業(yè)減碳貢獻，與2020年相比

 

摘自：張真.“碳中和目標下氫冶金減碳經(jīng)濟性研究”.《價格理論與實踐》

 

04

 

合作創(chuàng)新，加速推進氫冶金規(guī)模化應用

 

氫冶金不光是鋼鐵行業(yè)的技術創(chuàng)新，涉及能源、化工、鋼鐵等多個行業(yè)，需要跨行業(yè)的合作創(chuàng)新。只有政府和鋼鐵企業(yè)攜力，才能實現(xiàn)氫冶金在鋼鐵行業(yè)中的減碳作用。

 

政府方面，應加強政策引導，推進氫基礎設施建設和氫冶金技術研發(fā)，制定氫冶金相關標準，引導氫冶金產(chǎn)能置換，獎勵氫冶金氣基豎爐設備升級。政府應逐步創(chuàng)建零碳綠色鋼鐵市場，對綠色鋼鐵給予稅費支持。同時鼓勵跨國合作，確保公平開放的競爭環(huán)境。

 

鋼鐵企業(yè)應未雨綢繆，科學評估氫冶金技術的減排潛力及投資回報，制定可行的氫冶金技術路線。特鋼企業(yè)可探索零碳鋼鐵產(chǎn)品帶來的新出口機遇。龍頭鋼企應積極布局氫能煉鋼相關技術，開展示范試點。隨著未來環(huán)保成本的不斷上升，氫冶金的環(huán)保效益將會覆蓋其較高的成本，從而使企業(yè)從中獲益；在碳中和目標的大背景下，較早布局這一領域的鋼鐵企業(yè)將有望從中得到可觀的經(jīng)濟價值。