全球鋼鐵業(yè)低碳轉(zhuǎn)型能否“氫”盡所能？

　　近期閉幕的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第三十次締約方會(huì)議（COP30），讓全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的共識(shí)與緊迫性進(jìn)一步凸顯。全球鋼鐵行業(yè)碳排放占比達(dá)6%~8%，其中高爐煉鐵工序是主要排放源。不少觀點(diǎn)認(rèn)為，要想實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的深度減碳，關(guān)鍵便在于用低碳還原劑替代傳統(tǒng)化石燃料。在這一背景下，盡管在儲(chǔ)運(yùn)與能量密度上仍面臨挑戰(zhàn)，但氫正得到越來(lái)越多的重視。

　　然而，全球鋼鐵業(yè)能否真正發(fā)揮氫能的潛力，在低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)“氫”盡所能？米德雷克斯（Midrex）近期發(fā)布了一份報(bào)告，系統(tǒng)梳理了氫在鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型中的角色，從氫的類型與制取成本，到其在煉鐵工藝中替代碳基還原劑的可行路徑，再到大規(guī)模應(yīng)用所面臨的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈挑戰(zhàn)，吸引了不少關(guān)注。該報(bào)告指出，氫基直接還原煉鐵已成為最具前景的發(fā)展方向，而其產(chǎn)業(yè)化速度最終取決于綠氫能否以足夠規(guī)模、具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本穩(wěn)定供應(yīng)，并成功跨越技術(shù)集成、設(shè)施配套與市場(chǎng)協(xié)同等多重障礙。

　　成本壁壘有待突破

　　按照生產(chǎn)方式的不同，氫有著自己的“彩虹色譜”，包括綠氫、藍(lán)氫、灰氫、黑\棕氫、粉氫、綠松石氫、黃氫、白氫。綠氫是實(shí)現(xiàn)低碳排放煉鋼最理想的氫氣。米德雷克斯介紹，雖然目前有不少可選擇的綠氫生產(chǎn)方式，但是工業(yè)和發(fā)電領(lǐng)域?qū)G氫的巨大需求，仍將帶來(lái)較大的技術(shù)和商業(yè)挑戰(zhàn)，并需要政府或私營(yíng)部門的大規(guī)模資金支持。當(dāng)前，粉氫在市場(chǎng)中屬于“小眾產(chǎn)品”，但長(zhǎng)期看具有發(fā)展?jié)摿?。白氫，也可以叫天然氫，正受到日益增長(zhǎng)的關(guān)注和重視。米德雷克斯在報(bào)告中介紹，在2023年全球已有40家公司勘探天然氫礦床，而2020年時(shí)僅有10家。天然氫相較于可再生能源或化石燃料制氫具有顯著成本優(yōu)勢(shì)。目前，灰氫平均成本低于2美元/千克，綠氫成本約為其3倍，而白氫的提取和提純成本可控制在約1美元/千克。

　　米德雷克斯在報(bào)告中測(cè)算，全球“低碳排放氫”產(chǎn)能預(yù)計(jì)從2021年的70萬(wàn)噸/年大幅增長(zhǎng)至2030年的約2400萬(wàn)噸/年。這一增長(zhǎng)依賴于電解槽技術(shù)的快速進(jìn)步與廉價(jià)可再生電力的充足供應(yīng)。以澳大利亞為例，其目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)50吉瓦的電解槽裝機(jī)容量，相當(dāng)于該國(guó)全國(guó)居民用電總量。當(dāng)前，歐洲、大洋洲及拉丁美洲等地區(qū)正在建設(shè)更大規(guī)模的電解槽項(xiàng)目，預(yù)計(jì)到2030年單個(gè)項(xiàng)目規(guī)?？沙^(guò)1吉瓦。然而，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)需要巨額資金支持，并面臨可再生能源間歇性供應(yīng)、電網(wǎng)擴(kuò)容等挑戰(zhàn)。

　　報(bào)告指出，綠氫成本是決定其競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，目前估算范圍4美元/千克~9美元/千克，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)蒸汽重整制氫約1美元/千克的成本。在成本構(gòu)成中，電力費(fèi)用占比最高。根據(jù)米德雷克斯的測(cè)算，生產(chǎn)每千克氫需50千瓦時(shí)~55千瓦時(shí)的電力，按0.06美元/千瓦時(shí)計(jì)算，僅電費(fèi)就達(dá)約3美元/千克。綠電成本通常在0.08美元/千瓦時(shí)~0.12美元/千瓦時(shí)，且在電網(wǎng)薄弱地區(qū)更高。同時(shí)，電解槽設(shè)備本身成本高昂，目前為1400美元/千瓦~1800美元/千瓦，但預(yù)計(jì)到2030年有望下降70%至約400美元/千瓦。未來(lái)成本下降依賴于電解效率提升，可再生能源電價(jià)持續(xù)降低和關(guān)鍵金屬如鉑、稀土供應(yīng)鏈的穩(wěn)定。

　　藍(lán)氫則與碳捕集、利用與存儲(chǔ)（CCUS）技術(shù)緊密綁定。米德雷克斯在報(bào)告中預(yù)計(jì)，到2030年，歐洲及北美地區(qū)通過(guò)該路徑的氫產(chǎn)量可達(dá)每年300萬(wàn)噸。其商業(yè)化前景取決于CCUS技術(shù)成本能否大幅下降。目前，這一技術(shù)成本在15美元/噸二氧化碳~120美元/噸二氧化碳，且每捕集1噸二氧化碳需消耗約1噸蒸汽，并面臨地質(zhì)封存條件、管道基礎(chǔ)設(shè)施等限制。

　　報(bào)告指出，目前氫能的大規(guī)模應(yīng)用還面臨儲(chǔ)存與調(diào)峰的難題。無(wú)論是電力還是氫氣本身的儲(chǔ)存，目前成本均很高且缺乏工業(yè)級(jí)解決方案。盡管挑戰(zhàn)重重，但在鋼鐵等高排放行業(yè)，結(jié)合綠氫與CCUS的技術(shù)路線，仍被視為歐盟、北美等發(fā)達(dá)地區(qū)實(shí)現(xiàn)2050年深度降碳目標(biāo)的最可行路徑。而“氫能經(jīng)濟(jì)”的成形將最終取決于技術(shù)突破、成本下降與系統(tǒng)性基礎(chǔ)設(shè)施投資的同步推進(jìn)。

　　根據(jù)國(guó)際能源署公布的數(shù)據(jù)，綠氫在2030年后才可能達(dá)到工業(yè)規(guī)模。目前全球?qū)Ｓ脷淠苌a(chǎn)中僅有不到0.1%來(lái)自水電解制氫。在此過(guò)渡期，藍(lán)氫成為了眾多企業(yè)積極探索的替代方案。然而，主要挑戰(zhàn)仍在于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茪湟詽M足預(yù)計(jì)需求，這不僅是鋼鐵行業(yè)要面對(duì)的，也包括其他行業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)國(guó)際能源署的可持續(xù)發(fā)展情景預(yù)測(cè)，到2050年全球氫能需求將增至2.87億噸/年，較2020年增長(zhǎng)超過(guò)400%；2030年之后，氫能需求將大幅增長(zhǎng)。然而，當(dāng)綠氫可供使用時(shí)，哪些行業(yè)能優(yōu)先獲得供應(yīng)？這一點(diǎn)至今仍未明確。米德雷克斯認(rèn)為，這可能最終簡(jiǎn)化為價(jià)格與可負(fù)擔(dān)性的考量標(biāo)準(zhǔn)。目前的趨勢(shì)正轉(zhuǎn)向優(yōu)先保障工業(yè)領(lǐng)域使用，而非交通運(yùn)輸?shù)绕渌艹惺軞淠艹杀镜男袠I(yè)。盡管如此，全球氫能生產(chǎn)正迅速發(fā)展，眾多項(xiàng)目正在推進(jìn)以生產(chǎn)各類氫。米德雷克斯在報(bào)告中預(yù)計(jì)，2030年后綠氫產(chǎn)量將急劇增長(zhǎng)，到2050年將成為主導(dǎo)。與此同時(shí)，藍(lán)氫產(chǎn)量也將增長(zhǎng)，而灰氫和棕氫將在2030年后逐步減少。

　　沿3條技術(shù)路徑 推進(jìn)在鋼鐵業(yè)的應(yīng)用

　　報(bào)告指出，當(dāng)前全球鋼鐵生產(chǎn)的傳統(tǒng)路徑中，約72%采用焦化—高爐—轉(zhuǎn)爐（CO-BF-BOF）工藝，約29%采用廢鋼—直接還原鐵—電弧爐（Scrap-DRI-EAF）工藝。高爐工藝的二氧化碳排放量最高可達(dá)電弧爐工藝的4倍。

　　氫氣在鋼鐵冶金中的直接應(yīng)用主要用于加熱和還原鐵氧化物。一是高爐噴吹氫氣。氫可部分替代焦炭或煤粉噴吹及替代天然氣等其他還原劑，但作用有限。由于氫還原是吸熱反應(yīng)，會(huì)吸收熱量并導(dǎo)致高爐風(fēng)口區(qū)域產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，需要通過(guò)向高爐內(nèi)的還原和熔煉過(guò)程補(bǔ)充額外熱量作補(bǔ)償。這能減少碳排放，但無(wú)法徹底消除。二是氫等離子體熔融還原。這是一種利用氫等離子體還原鐵礦石的工藝，目前仍處于試驗(yàn)階段，但具有一定潛力。三是氫基直接還原鐵。氫氣可以替代天然氣或煤作為還原劑，去除鐵礦石中的氧，過(guò)程也更為環(huán)保。

　　米德雷克斯介紹，目前，歐洲多家企業(yè)已規(guī)劃在2030年前建設(shè)氫基直接還原鐵產(chǎn)能，并探索配套碳捕集與封存技術(shù)，以處理過(guò)渡階段的排放。對(duì)于在直接還原豎爐中氫氣與一氧化碳的混合使用，歐洲等地區(qū)鋼鐵行業(yè)已就逐步提高氫氣比例直至實(shí)現(xiàn)100%純氫還原進(jìn)行了大量規(guī)劃。其在具備地質(zhì)封存二氧化碳實(shí)際條件的地區(qū)，也可在現(xiàn)有直接還原工廠和高爐工藝中增加碳捕集與封存技術(shù)，以減少碳足跡。例如，墨西哥和阿布扎比已部分應(yīng)用捕集的二氧化碳。歐洲主要鋼鐵制造商計(jì)劃在2030年或之后不久增加其鋼廠的直接還原鐵產(chǎn)能。值得注意的是，熱壓鐵塊也可視為一種能源運(yùn)輸形式。在美國(guó)、部分中東國(guó)家、澳大利亞等生產(chǎn)的熱壓鐵塊，運(yùn)輸?shù)侥茉闯杀靖甙夯蚩稍偕茉礉摿τ邢薜膰?guó)家，相比以液態(tài)、氣態(tài)或氨形式運(yùn)輸氫氣，是一種更簡(jiǎn)單且成本更低的解決方案。

　　氫基直接還原技術(shù)正從示范走向產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)報(bào)告，就目前而言，成熟的MIDREX？與ENERGIRON？工藝已具備100%氫基還原的技術(shù)能力。與此同時(shí)，多項(xiàng)新興技術(shù)也正圍繞氫能展開，例如普銳特冶金技術(shù)的Hyfor？流化床工藝、其與浦項(xiàng)制鐵聯(lián)合開發(fā)的HyREX工藝（結(jié)合熔煉環(huán)節(jié)），以及美卓重新推出的Circored？流化床工藝。在歐洲，如瑞典鋼鐵公司（SSAB）、蒂森克虜伯、奧鋼聯(lián)等鋼企，正積極推進(jìn)從高爐向直接還原鐵生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型，他們計(jì)劃將所產(chǎn)直接還原鐵用于電弧爐補(bǔ)充廢鋼，或經(jīng)電熔后作為轉(zhuǎn)爐原料使用。類似布局也出現(xiàn)在亞太地區(qū)，例如澳大利亞計(jì)劃替換肯布拉港高爐。歐洲旗艦項(xiàng)目“H2FUTURE”已在奧地利林茨鋼廠投運(yùn)一套6兆瓦質(zhì)子交換膜電解系統(tǒng)，用于綠氫生產(chǎn)。瑞典的“HYBRIT”項(xiàng)目在完成呂勒奧中試后，正推進(jìn)耶利瓦雷示范工廠建設(shè)，將采用綠電制氫與“綠球團(tuán)礦”生產(chǎn)純綠色直接還原鐵。更進(jìn)一步的商業(yè)化項(xiàng)目標(biāo)桿是瑞典Stegra公司（原H2GS公司）位于布登的工廠，計(jì)劃于2026年投產(chǎn)，將成為全球首個(gè)完全依托可再生能源和100%氫基直接還原工藝的規(guī)?；熬G色鋼鐵廠”，規(guī)劃年產(chǎn)能達(dá)250萬(wàn)噸低碳排放鋼。

　　與此同時(shí)，多數(shù)新建直接還原產(chǎn)能將先以天然氣為基礎(chǔ)，并設(shè)計(jì)為可靈活調(diào)節(jié)還原氣中的氫比例、兼容碳捕集技術(shù)，以待綠氫具備經(jīng)濟(jì)性時(shí)平滑過(guò)渡?！靶枰私獾氖牵舨捎锰烊粴庵卣茪湓龠M(jìn)行還原，其碳排放反而高于直接使用天然氣?！泵椎吕卓怂乖趫?bào)告中強(qiáng)調(diào)。

　　從示范走向主流 仍面臨多重挑戰(zhàn)

　　盡管規(guī)劃的應(yīng)用前景廣闊，但氫在鋼鐵行業(yè)真正實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，仍面臨多重挑戰(zhàn)與不確定性。

　　米德雷克斯介紹，就目前而言，規(guī)劃的綠氫項(xiàng)目規(guī)模遠(yuǎn)不足以滿足未來(lái)需求，特別是歐洲鋼鐵行業(yè)的減排目標(biāo)。與此同時(shí)，大規(guī)模、低成本的綠氫生產(chǎn)依賴于綠電設(shè)施的快速擴(kuò)張，和電解槽技術(shù)成本的持續(xù)降低。盡管預(yù)計(jì)到2030年制氫成本將顯著下降，但其實(shí)際進(jìn)度將直接影響2050年目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可能性。因此，氫能否成為經(jīng)濟(jì)可行的替代方案，仍存在不確定性。

　　與此同時(shí)，氫能技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用效果需要實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，特別是大型高爐富氫冶煉、氫基直接還原鐵等關(guān)鍵工藝。當(dāng)綠氫供應(yīng)有限時(shí)，鋼鐵行業(yè)能否獲得足夠份額尚不明確，這也會(huì)影響企業(yè)技術(shù)路線規(guī)劃與投資決策。

　　政策和輿論環(huán)境變化也是需要考量的因素。雖然全球普遍支持2050年的碳中和目標(biāo)，但各國(guó)進(jìn)展不一，部分發(fā)達(dá)國(guó)家已出現(xiàn)政策執(zhí)行放緩跡象。同時(shí)，發(fā)展中國(guó)家受限于經(jīng)濟(jì)條件，其目標(biāo)設(shè)定與實(shí)施能力存在差異，這些因素都可能影響全球氫能應(yīng)用的節(jié)奏。

　　再看技術(shù)層面，在具體工藝中，氫基直接還原還需克服兩大操作難題。一是氫還原為吸熱反應(yīng)而產(chǎn)生的爐內(nèi)冷卻效應(yīng)，需通過(guò)優(yōu)化溫度與氣流控制進(jìn)行補(bǔ)償。二是反應(yīng)生成的水蒸氣在設(shè)備上部可能凝結(jié)，需通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)與操作制度予以避免。

　　最后，米德雷克斯表示，氫在鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程中能否物盡其用，不僅取決于配套技術(shù)成熟度，還受到供應(yīng)體系、成本競(jìng)爭(zhēng)力、產(chǎn)業(yè)政策及全球協(xié)作等多重因素的綜合影響。

　　轉(zhuǎn)自：中國(guó)鋼鐵新聞網(wǎng)

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