從初中化學課開始，我們就知道，煉鋼，就是讓鐵礦石和焦炭在高溫下反應生成生鐵，之后再將生鐵中的雜志除去變成鋼的過程。一座座高爐，在每年產出億噸級別鋼鐵的同時，也構筑起了人類文明的大廈。
【圖】高爐，曾經是現(xiàn)代文明的象征（圖片來源：網絡）
但是眾所周知，煉鋼排放的大量二氧化碳，造成了嚴重的溫室效應，也使得鋼鐵行業(yè)成為“臭名昭著”的高碳行業(yè)，“碳中和”的大敵。
不過21世紀的煉鋼，可能要逐步和焦炭說再見了：就在2020年，國內首座氫能煉鋼廠正式簽約，并將于2021年投產——這意味著，在全球已經初見端倪的氫能煉鋼，終于要在全球最大的鋼鐵生產和消費國落地生根了！
在去年的11月20日，卡斯特蘭薩—特諾恩與河鋼集團正式簽訂合同，將建設高科技的氫能源開發(fā)和利用工程，其中包括一座年產60萬噸的ENERGIRON直接還原廠。據(jù)悉，這將是全球首座使用富氫氣體的直接還原煉鐵廠，加上全球領先的二氧化碳回收技術，生產一噸鋼將僅排放約125公斤二氧化碳，僅為傳統(tǒng)方法的1/12。
從焦炭煉鋼到氫能煉鋼，表面上只是還原方法的不同，背后是整個產業(yè)鏈的脫胎換骨。今天我們就來梳理一下氫能煉鋼那些事，以及這么綠色環(huán)保的煉鋼法，距離在祖國大地遍地開花還有多遠。
氫能煉鋼，原理并無本質差異
1.治標還是治本？鋼鐵業(yè)的碳中和
眾所周知，傳統(tǒng)的高爐煉鐵選用焦炭作為原料之一，通過焦炭燃燒提供還原反應所需要的熱量，并產生還原劑一氧化碳（CO），在高溫下利用一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來，將鐵礦石還原得到生鐵，并產生大量的二氧化碳氣體（CO2）。之后再將生鐵進一步冶煉成鋼。
【圖】焦炭，是傳統(tǒng)煉鐵中必不可少的原料（圖片來源：網絡）
由于焦炭和鐵礦石是傳統(tǒng)煉鋼必不可少的原料，因此不但讓中國國內的鋼鐵產業(yè)被進口鐵礦石“卡了脖子”。有關中國鐵礦石受制于國外的更多信息，可以看撲克投資家以前推送的文章《疫情下的鐵礦石迷思：何時不再成為鋼企之“利潤黑洞”？》，而且使得鋼鐵行業(yè)承擔了”碳排放量大，污染嚴重”的惡名。
面對日益嚴重的環(huán)境問題，中國要在2060年實現(xiàn)|“碳中和”的目標不容動搖，而鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排，無疑是實現(xiàn)目標的關鍵一環(huán)。要想在鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)減碳，目前看來有兩種方法：
第一是改變煉鋼模式，由鐵礦石為原料的長流程，改為以廢鋼為原料的短流程。和長流程相比，短流程減排效果顯著，目前發(fā)達國家煉鋼已經以廢鋼為主（70%以上），但在國內多項政策利好加持下，推廣起來困難依舊重重，原因有三：
（1）廢鋼短流程需要用到電爐，而這需要對設備進行改造，成本較高；
（2）和發(fā)達國家已經進入“后工業(yè)化”時代，有大量的廢鋼原料不同，國內的廢鋼供應量尚不足以滿足煉鋼需求。
（3）廢鋼短流程需要耗費大量電能，目前國內火電為主的情況下，綜合減碳效果尚有疑問。
如果說使用廢鋼代替是“治標”的話，那么用氫氣代替焦炭作為還原劑，則是徹徹底底的“治本”之道。氫能煉鋼則利用氫氣（H2）替代一氧化碳做還原劑，其還原產物為水，沒有二氧化碳排放，因此煉鐵過程100%綠色無污染。
目前氫氣煉鋼已經被應用到成熟的工業(yè)生產方案中，主要的方案設計有兩種：部分使用氫氣和完全使用氫氣。在完全使用氫氣的方案中，所有的鐵元素均由氫還原，不用碳元素參與，因而原理上碳排量應該為0！
完全使用氫氣目前還面臨諸多挑戰(zhàn)，因此部分使用氫氣也是一種替代方案。在MIDREX的設計方案中，氫氣占到還原劑的80%，其余氣體原料為天然氣，因此該設計方案下依然會有部分二氧化碳排出。本文一開頭所言的河鋼裝置，采用的就是部分氫氣的路線。
【圖】部分使用氫氣的煉鐵流程（圖片來源：網絡）
不管是全部還是部分，都能有效降低碳排放量。截至2020年，我國鋼鐵企業(yè)平均噸鋼碳排放量為1765公斤。采用基于天然氣的煉鐵工藝，可以將噸鋼碳排放降至940公斤；而使用80%的氫氣和20%的天然氣則可以降至437公斤，如果完全使用氫氣煉鋼，則可以實現(xiàn)二氧化碳的“零排放”。
【圖】氫氣煉鋼，原理上可以實現(xiàn)二氧化碳“零排放”（圖片來源：網絡）
按照常理，如果氫氣煉鐵真的這么綠色環(huán)保，應該迅速在全世界大力推廣才對。然而迄今為止，氫能煉鐵雖然已經有了一些工業(yè)化的項目，但是距離大規(guī)模應用依然差得很遠。無他，在于氫氣的制取、儲存和應用依然面臨諸多難題！
氫能煉鋼，想說愛你不容易？
1.氫氣的制取和儲運成本，太高！
目前市場上主流制氫方法有電解水制氫、水煤氣制氫以及由石油熱裂的合成氣和天然氣制氫，由于全球第四代核電站的推廣，近年來核能制氫也逐漸進入到人們的視野。這四種方法的特性，以及優(yōu)缺點。各自成本見下表所示：
【圖】不同制氫方法比較（圖片來源：網絡）
世界各國由于在資源分布、技術基礎、環(huán)保要求等方面的差異，其制氫工業(yè)所選擇的工藝各有側重。在全球范圍內，天然氣制氫占比最高，達到48%；其次是醇類裂解制氫，占比30%；焦爐煤氣第三，占比8%。日本由于化石燃料資源匱乏、環(huán)保要求高等原因，其制氫工業(yè)多數(shù)采用電解水（63%，見下圖）。而中國煤資源豐富，煤炭開采及加工工業(yè)發(fā)達，因此煤焦爐氣制氫工藝采用較多。
【圖】全球和日本（右側）氫能生產途徑比例（圖片來源：氫云鏈）
根據(jù)國際能源署匯總數(shù)據(jù)，在中國生產氫氣各種不同技術路徑的成本、碳強度如下
所示：電網電解水制氫成本最高（約5.5美元/公斤）；可再生能源發(fā)電制氫成本（約3美元/公斤）；天然氣加碳捕捉與貯存制氫（約2.5美元/公斤）；天然氣制氫（約1.8美元/公斤）；煤制氫（1美元/公斤）；煤加碳捕捉與貯存制氫（1.5美元/公斤）。
據(jù)國際能源署測算，中國目前氫能市場價格約為每噸6萬元人民幣或7800歐元，采用氫能煉鐵工藝成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝至少高五倍以上。環(huán)保，也不能不恰飯！
【圖】國內主要渠道制氫成本（圖片來源：IEA）
除了價格，碳排放強度是另一個必須考慮的問題：從目前國內電網電制氫高達32公斤二氧化碳/公斤氫；其他路徑碳強度為：煤制氫（20）、天然氣制氫（10）、煤制氫加碳捕捉與貯存（2）、天然氣制氫（1）。也就是說，煤和天然氣制氫是碳排放強度最低的路徑！
總之，如果氫能的大規(guī)模開發(fā)要依靠煤制氫、天然氣制氫，就解決不了“綠色”的問題，只有從可再生能源出發(fā)，進行大規(guī)模的氫能制備，同時取得成本的優(yōu)勢，才可能讓氫能煉鋼得到大規(guī)模推廣。而這方面的技術尚待研發(fā)。
不僅制備上難以“脫碳”，由于氫氣特殊的物理化學性質——密度不足空氣的1/15，且易燃易爆，因此儲運需要極其特殊的條件。目前儲氫方法主要分為低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫及儲氫材料儲氫三種。，其大規(guī)模儲運至今仍是工業(yè)上的難題。
液態(tài)氫的密度是氣體氫的845倍，體積能量密度比壓縮狀態(tài)下的氫氣高出數(shù)倍，要把氣態(tài)氫變成液態(tài)氫，每公斤需要耗電4-10kWh，對于儲氫容器的要求異常嚴格，需要耐超低溫、長時間可保持超低溫、抗壓以及嚴格絕熱，對于材料的要求極高，因此這種方法極不經濟，目前只有航空航天領域在使用。
【圖】液態(tài)氫的儲存裝置（圖片來源：網絡）
高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用并且發(fā)展比較成熟的儲氫技術，其儲存方式是采用高壓
將氫氣壓縮到一個耐高壓容器里。但這種渠道存在一個較為致命的隱患既體積比容量低：DOE的目標體積儲氫容量70g/L，而鋼瓶目前所能達到的最高的體積比容量也僅有25g/L。而且要能耐受高壓并保證安全性，現(xiàn)在國際上主要采用碳纖維鋼瓶，碳纖維價格非常昂貴，也并非是理想的選擇，至于用到煉鋼上更加難以想象。
【圖】固態(tài)氫的儲存裝置（圖片來源：網絡）
此外還有近年來熱炒的儲氫材料儲氫就是利用氫氣與儲氫材料之間發(fā)生物理或者化學變化從而轉化為固溶體或者氫化物的形式來進行氫氣儲存的一種儲氫方式。
儲氫材料最大的優(yōu)勢就是儲氫體積密度大，相同質量的氫氣用儲氫材料儲存占用空間最少，并且操作容易、運輸方便，同時兼具成本低與安全性高的特點，恰好克服了高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫的缺點，但它仍然存在一些技術問題亟待解決。
目前儲氫材料主要可以分為物理吸附儲氫和化學氫化物儲氫兩種，其中物理吸附儲氫又可分為金屬有機框架（MOFs）和納米結構碳材料，化學氫化物儲氫則分為金屬氫化物和非金屬氫化物兩種。不過總體而言，這些方案都還處于實驗室階段，距離工業(yè)應用還有很大距離。
【圖】一種MOFs的晶體結構（圖片來源：ScienceDirect）
為什么在目前的條件下，上面方案幾乎沒有一種能大規(guī)模用于氫能煉鋼？
一家鋼鐵廠每天的產量少則幾百噸，多則上萬噸，對工業(yè)氣體在純度和穩(wěn)定供應兩方面都提出了很高的要求，而這顯然是目前的氫氣制造和儲運方案難以解決的。即便如此，由于“碳中和”關系著人類的命運，因而再難啃的骨頭也非啃不可。
2. 不變革，就毀滅：碳排放大戶的帽子，鋼鐵非摘不可
鋼鐵行業(yè)是碳排放的重要領域，特別是對中國這個鋼鐵大國而言。中國鋼鐵工業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是全國碳排放量最高的制造業(yè)行業(yè)。
據(jù)不完全統(tǒng)計，每生產1t鋼，采用高爐工藝將排放出2.5t的二氧化碳，轉爐生產噸鋼CO2排放為2.2噸左右，電爐工藝也要排放0.5t的二氧化碳。因此，中國迫切需要加速推進鋼鐵等重點行業(yè)節(jié)能減排，鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排對策的制定與實施刻不容緩。
【圖】鋼鐵碳排量居全國各制造業(yè)之首（圖片來源：網絡）
鋼鐵行業(yè)低碳減排對全國實現(xiàn)碳達峰的目標至關重要。目前我國鋼鐵行業(yè)低碳減排政策主要有兩種：
一是壓縮鋼鐵產量。決策層要求“進一步促進鋼鐵產量的壓減，逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗總量為依據(jù)的存量約束機制，研究制定相關工作方案，確保 2021年全面實現(xiàn)鋼鐵產量同比的下降”。因此，低排放、低能耗的企業(yè)將會獲得更寬松的鋼鐵產量限制。
二是實施碳排放權限額分配制度。決策層表示要將鋼鐵行業(yè)納入碳交易市場中，限額二氧化碳排放。根據(jù)鋼鐵行業(yè)適用的歷史強度限額分配法，在獲配限額一定的條件下，鋼鐵企業(yè)不斷降低產品能耗和碳排放量，將會為企業(yè)帶來更寬松的鋼鐵產量限制。
【圖】鋼鐵行業(yè)減碳相關政策梳理（圖片來源：東吳證券）
按照發(fā)達國家的經驗，隨著環(huán)保政策的不斷收緊，企業(yè)的環(huán)保成本將會不斷上升，以歐盟CER碳排放權交易價格為例，從2019年年中開始，隨著第三階段的限制逐步收緊，交易價格逐步走高，這標志著企業(yè)在減少碳排放方面將會付出更多成本。鑒于中國的碳排放市場已經開始建設，歐洲的經驗，勢必有著很大的參考價值。
【圖】削減配額，提升價格是碳排放的趨勢（Refinitiv Eikon, ICE洲際交易所）
綜上所述，可以預期的是，未來中國經濟逐漸轉型的大背景，加上鋼鐵行業(yè)低碳減排政策不斷落地的嚴監(jiān)管環(huán)境，較低能耗和較低排放的環(huán)保型鋼鐵企業(yè)將會擁有長足的成長優(yōu)勢。而高能耗，并且難以轉型的企業(yè)，只能面臨被淘汰的命運。
形勢逼人，在下定決心之前，我們不妨先看一看節(jié)能減排的“排頭兵”——歐洲是怎么氫能煉鋼的。
他山之石，可以攻玉：歐洲和國內氫能煉鋼對比
1. 歐洲，何以成為氫能煉鋼“優(yōu)等生”？
歐盟鋼鐵行業(yè)通過技術的優(yōu)化和創(chuàng)新，實現(xiàn)了很高的資源效率。但是值得注意的是，隨著技術的進步，當前高爐練鋼的流程已經接近熱力學極限，其產生的二氧化碳已經降低到了技術最小值。因此能源效率的進一步提高和二氧化碳排放的減少，需要根本性的突破性技術。
【圖】傳統(tǒng)煉鋼的減排效率，在歐洲已經達到極限（圖片來源：網絡）
需要指出的是，節(jié)能減排是一個綜合工程，并不只有用氫替代碳一條途徑。
據(jù)2018年的一份報告，歐盟28國探討了鋼鐵行業(yè)減少碳排放的技術路線，其中包括循環(huán)經濟，智能用碳SCU技術以及避免直接碳排放CDA技術。
智能用碳（SCU）技術包括：生產過程與碳捕集與封存（CCS）技術的結合，碳捕集與利用（CCU），這個留待以后討論；避免直接碳排放（CDA）技術則是在煉鋼中使用可再生能源電力生產氫氣代替高爐中的焦炭，即直接還原過程（DR），也就是下文我們要重點舉例的技術。
【圖】新技術有助于循環(huán)經濟（圖片來源：網絡）
直接還原技術（氫能煉鋼），在基礎煉鋼中使用氫代替碳，需要使用綠氫（由再生能源發(fā)電通過水電解產生的氫氣）。鑒于投入綠氫目前經濟性較差，可選擇一個折中的方案：使用天然氣，直到有足夠的無碳電力可用，體現(xiàn)鋼鐵行業(yè)與電力行業(yè)和氫氣供應商的良好共生關系。涉及項目包括：MACOR / SALCOS，HYBRIT，H2Steel（H2Future，SuSteel）。
【圖】直接還原技術的原理圖（圖片來源：網絡）
最為典型的氫能煉鋼項目，目前還處于中試階段的瑞典鋼鐵HYBRIT項目——該項目使得瑞典成為氫能煉鋼的“優(yōu)等生”。
2016年，項目由瑞典鋼鐵公司、瑞典大瀑布電力公司和瑞典礦業(yè)集團聯(lián)合成立。2016年~2017年為項目預研階段，主要工作內容包括評估非化石能源冶煉的潛力，以及二氧化碳的捕集、存儲和利用等。該項目的中試研究階段為2018年~2024年，示范運行階段為2025年~2035年。在為期10年的示范運行階段主要進行運行測試，以確保到2035年實現(xiàn)商業(yè)化運行。
按照2018年初公布的研究結果表明，按照2017年底的電力、焦炭價格和二氧化碳排放交易價格，HYBRIT項目采用的氫冶金工藝成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝高20%~30%。
根據(jù)項目負責人在公開場合的發(fā)言表示：假設電價保持在當前水平，直接還原鐵工藝可能會讓粗鋼的價格上漲20%到30%。另外業(yè)內專家表示，如果全面投產，HYBRIT每年將消耗約150億度電，占瑞典目前供電量的10%。
根據(jù)另外公開信息可知，瑞典克朗兌人民幣約1：1，瑞典2019年用電價格約0.5克朗/度，與河北省工業(yè)用電價格基本相同，假設粗鋼噸鋼成本為2700元（粗鋼成本中位數(shù)），可推導出包括制氫環(huán)節(jié)在內的直接換原鐵工藝噸鋼耗電量約為3900kwh，遠遠超過電爐工藝的平均耗電的2300kwh及高爐工藝的350kwh，也可以判斷出HYBIRT項目的設計產能約為450萬噸。
根據(jù)世界鋼協(xié)2018年世界鋼鐵報告中顯示，2018年瑞典全國鋼鐵470萬噸，到2050年理想狀態(tài)鋼產能1000萬噸——還不到中國太鋼一年的產量，可見其更多起到的是“試驗田”功能。
另外兩家典型的氫能煉鋼項目還有德國的SALCOS，以及奧地利的H2FUTURE，限于篇幅不一一介紹了，有興趣的讀者可以看下面的參考文章。
《中國冶金報》從這三家歐洲項目的推進過程中，總結了氫能煉鋼產業(yè)在歐洲的一些發(fā)展特點：
這3家鋼企發(fā)起氫能利用項目研究的時間是2016年~2017年，項目預研與中試將在2021年前后完成，此后將進行近10年的示范運行測試，在2035年左右實現(xiàn)商業(yè)化運行，確保到2050年實現(xiàn)減排目標。為此，這3家鋼企都確定了階段性目標，確保項目穩(wěn)步推進。這3個項目的示范運行測試時間都在10年左右，體現(xiàn)了鋼企推進氫能利用項目的難度。
示范運行測試至少需要10年的時間，可見氫能取代傳統(tǒng)能源絕非一朝一夕之功。并且，歐洲的經驗如果照搬到中國，難免有些“水土不服”。
在電力來源結構上，瑞典電力83%為水電與核電，傳統(tǒng)火電不足1%，而我國單火電占比就高達76%。根據(jù)統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，我國鋼鐵行業(yè)用電占整體10%，而我國目前仍以高爐煉鋼為主要生產手段，理想情況下全部采用氫能煉鋼技術，在不考慮生產成本的前提下，我國需要至少增加80%的電力供應，這顯然是不可能實現(xiàn)的目標，
同時正如前文所言，以火電為主的中國，電力使用的增加勢必將引起二氧化碳更多的排放，綜合考量將大大增加整體二氧化碳的排放，本末倒置。因而中國鋼鐵行業(yè)要想引入氫能，必須考慮另辟蹊徑。
2. 國內對氫能煉鋼的探索
除了本文一開頭提到的河鋼項目以外，還有一些企業(yè)在氫能煉鋼上展開了廣泛的研究。
首先是中國鋼鐵“一哥”寶武集團：2019年，中國寶武就已與中核集團、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》，三方將資源共享，共同打造世界領先的核冶金產業(yè)聯(lián)盟，寶武集團的首座綠色冶金工程有望落戶江蘇。.
此處的核冶金是技術的亮點——就是利用核能制氫再用氫氣冶金。要實現(xiàn)核能到氫能的高效轉化，必須部分或全部利用以反應堆提供的工藝熱，減少熱–電轉換過程中的效率損失。主流的核能制氫技術包括熱化學循環(huán)（碘硫循環(huán)、混合硫循環(huán)）和高溫蒸汽電解。
【圖】核能制氫直接還原煉鐵原理路線示意圖（圖片來源：網絡）
發(fā)展核能制氫技術，有利于保持我國高溫氣冷堆技術的國際領先優(yōu)勢，為未來氫能的大規(guī)模供應提供了解決方案，還為高溫堆工藝熱應用開辟新的用途，對實現(xiàn)我國未來的能源戰(zhàn)略轉變具有重大意義。
【圖】核能制氫煉鐵技術路線圖（圖片來源：網絡）
再來到酒鋼：這里的煤基氫冶金中試基地熱負荷試車及部分中試試驗正在順利進行。酒鋼煤基氫冶金中試基地以高爐瓦斯灰為原料進行了多次試驗。項目團隊分別以酒鋼自產冶金焦丁和褐煤為還原劑，進行了碳冶金和氫冶金的對比試驗，據(jù)公開報道，兩種工藝的金屬化率分別為40%左右和85%以上，體現(xiàn)出氫冶金技術的巨大優(yōu)勢。
鋼鐵行業(yè)是去產能、調結構、促轉型的重點行業(yè)，而氫能行業(yè)是處于起步階段的行業(yè)，不僅需要努力發(fā)展技術，也需要向社會提供更多的想象力，才能引來更多的資金和人才，才能更好地促進產業(yè)發(fā)展。但沒有了扎實的科技基礎，想象力最終也會成為空中樓閣。因此“仰望天空”和“腳踏實地”兩者不可偏廢。
