钢铁行业氢冶金报告：氢冶金在钢铁行业应用空间广阔

weiyudi@gtjas.com王宏玉 氢冶金是钢铁行业减碳的重要技术路径。2019年，我国电力、钢铁、水泥和煤化工行业合计 021-38038343 wanghongyu@gtjas.com 耗煤占比超过86%，其中钢铁行业占比17%，是除电力外排放占比最高的工业门类。从钢 相关报告 铁冶炼的过程看，碳排放来自于炼铁的还原反应，要实现行业的减碳甚至零碳目标，必须改 钢铁《下半年需求仍有回升空间》 2023.07.02 钢铁《钢铁行业周报数据库20230702》 变当前碳作为主要还原剂的冶炼工艺。氢冶金将炼铁过程中的还原剂替换为氢气，从源头上 2023.07.02 控制了钢铁行业碳排放，是未来钢铁行业减碳的重要技术。 钢铁《库存维持下降趋势》 2023.06.25 钢铁《钢铁行业周报数据库20230625》 氢冶金主要技术路线为富氢还原高炉和氢气直接还原竖炉工艺。富氢还原高炉工艺通过让焦 2023.06.25 炉煤气等富氢气体参与炼铁还原，该技术是基于现有炼铁流程的改进，能够降低碳排放10- 钢铁《库存继续去化》 2023.06.19 20%。氢气竖炉直接使用氢气作为还原剂，将铁矿石还原为铁，该工艺能够实现深度脱碳。 国内氢冶金实践走在世界前列。宝武集团八一钢铁富氢碳循环氧气高炉实验已经成功，正启 动2500立方米高炉富氢碳循环商业示范项目，宝武湛江基地氢基竖炉正在建设中。河钢集 团120万吨规模氢冶金示范工程已全线贯通。以宝武、河钢集团为代表，我国氢冶金、低碳 冶金工艺的推进走在世界前列，预期低碳冶金、氢冶金技术仍将快速发展。 氢冶金前景广阔，但仍有难点。参考《现代化工》王明华和国泰君安煤炭团队测算，钢铁产 业可接受的氢成本为0.5-0.65元 /m3 ，而煤制氢成本约1元 /m3 。预期随着制氢成本下降和 欧盟碳税实施，氢冶金经济性将逐渐体现。氢冶金为吸热反应，产品难运输，技术难点仍在。 风险提示：氢冶金技术进步缓慢。 1.氢冶金：双碳背景下，钢铁行业减碳的重要路径 1.1.氢冶金技术是钢铁行业减碳的重要技术 氢冶金技术是用氢气取代碳作为还原剂和能量源炼铁。氢冶金其基本反应方程为𝐹𝑒𝑂+ 3𝐻= 2𝐹𝑒 + 3𝐻𝑂，还原产物为铁和水，理论上可实现零碳排放。氢冶金是钢铁行业低碳发展的重要技术，能够大幅降低钢铁生产流程中的二氧化碳排放，解决了传统冶金工艺中存在的环境污染等问题，实现绿色、低碳的发展目标。由于钢铁行业的二氧化碳排放是碳作为还原剂在还原铁矿的过程中产生的，如果还原剂不改变，钢铁行业减碳的空间将十分有限。氢冶金将炼铁过程中的还原剂替换为氢气，从源头上控制了钢铁行业碳排放的来源，是钢铁行业减碳的重要技术。 图1：安塞乐米塔尔碳中和路线 从“碳冶金”到“氢冶金”，钢铁行业有望摆脱高碳排、高污染、高能耗的行业定位。 根据生态环境部环境规划院发布的《碳达峰碳中和目标约束下重点行业的煤炭消费总量控制路线图研究执行摘要》，2019年，我国电力、钢铁、水泥和煤化工行业合计耗煤占比超过86%，四个行业二氧化碳排放量约为77.6亿吨，占全国二氧化碳排放总量的72%。随着“碳达峰、碳中和”成为全球产业发展的主旋律，碳排放第2名的钢铁行业需要进行生产方式上的深度变革。氢冶金因其巨大的减排潜力，已成为龙头钢企的重点研究、试产领域，国内外多家钢铁公司正在大力布局氢能冶金、绿氢制备和氢能供应等项目。 1.2.氢冶金技术已有广泛实践 氢冶金技术，在国外的实践早已经开始。氢冶金作为低碳冶金的重要技术，在海外对降碳要求较严格的地区已经开始实践。2004年开始，欧洲15个国家合计48家企业和机构开始了ULCOS项目（超低二氧化碳炼钢），旨在降低钢铁冶炼环节的二氧化碳排放；2008年，日本启动COURSE50项目（环境和谐型炼铁工艺技术开发项目），旨在2030年减少炼铁工艺30%的二氧化碳排放。德国蒂森克虏伯在2018年开始进行氢炼铁实验，重点发展“以氢代煤”高炉冶炼技术。 表1：国外低碳、氢能冶金发展较早 此外，河钢集团2019年开始着手120万吨氢冶金项目，2020年京华日钢控股集团开始建立50万吨氢冶金及高端钢材制造产线，其他如宝武集团等也在积极跟进。 1.3.氢冶金主要分为富氢还原高炉、氢气直接还原两种工艺 氢冶金主要技术路线为富氢还原高炉和氢气直接还原竖炉工艺。氢冶金作为钢铁产业低碳绿色转型的重要途径之一，目前主要技术路线主要聚焦在富氢还原高炉工艺和氢气气基直接还原竖炉工艺。 富氢还原高炉工艺有一定的减排效果。富氢还原高炉工艺是通过喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体参与炼铁过程。相关试验表明，富氢还原高炉工艺在一定程度上能够通过加快炉料还原，从而减少碳排放，但由于富氢还原工艺基于传统高炉，在还原铁的过程中，仍需焦炭作为骨架支撑，因此氢气喷吹量存在极限值。一般认为高炉富氢还原的碳减排范围处于10%-20%之间，受限于工艺，富氢还原高炉工艺难以经济地实现更大幅度的减排。 图2：富氢还原高炉工艺示意图 𝐹𝑒𝑂+ 3𝐻= 2𝐹𝑒 + 3𝐻𝑂𝐹𝑒𝑂+ 3𝐶𝑂 = 2𝐹𝑒 + 3𝐶𝑂𝐶𝐻+ 𝐶𝑂= 2𝐶𝑂 + 2𝐻𝐶𝐻+ 𝐶𝑂= 2𝐶𝑂 + 2𝐻 氢气气基直接还原工艺减排潜力更大，但存在诸多未解决的技术问题。气基直接还原竖炉工艺即通过使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石直接还原为铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。根据还原气氛中氢的含量，可分为富氢冶金和全氢冶金：焦炉煤气气基竖炉直接还原铁为富氢冶金，全氢冶金为100%氢气冶金。相较于富氢还原高炉工艺，气基直接还原竖炉工艺碳排放量可减少50%以上。 对比2种工艺，富氢还原高炉减碳幅度为10%-20%，效果有限；气基直接还原竖炉工艺是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，避免了烧结、炼铁环节的大量二氧化碳排放，相较于高炉富氢还原，其减碳幅度可达50%以上。但气基竖炉存在吸热效应强、生产成本升高、还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题。无论是高炉炼铁还是气基竖炉直接还原炼铁，采用氢冶金方式均有着明显的减碳作用，是钢铁产业和冶金行业绿色发展的主要方向。 1.4.双碳背景下，氢冶金发展的政策环境良好 碳中和作为国家重要政策导向，相关政策陆续出台。2022年1月，《“十四五”节能减排综合工作方案》出台，对“十四五”全国节能工作进行总体部署，文件明确了全国和各领域、各地区节能目标任务，是全国节能工作的纲领性文件。2022年6月，生态环境部等七部门联合印发《减污降碳协同增效实施方案》，对我国减污降碳协同增效工作作出总体部署。2022年8月工信部、国家发展改革委、生态环境部联合印发《工业领域碳达峰实施方案》，明确到2025年，规模以上工业单位增加值能耗较2020年下降13.5%。此外，各行业节能、降碳文件陆续出台，对钢铁、有色、石化等行业的碳中和工作做了具体部署。 在氢冶金方面，2022年多个相关政策出台，氢冶金政策逐渐具体化。2022年2月出台的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》，对钢铁行业节能降碳目标做出了明确指引：“绕副产焦炉煤气或天然气直接还原炼铁、高炉大富气或富氢治炼、氢冶炼等低碳前沿技术”，通过推广绿色工艺、余热余能综合利用、公辅设施改造等首段，有效降低行业单位能耗。2022年8月台的《工业领域碳达峰实施方案》，明确指出到2030年，钢铁行业“富氢碳循环高炉冶炼、氢基竖炉直接还原铁、碳捕集利用封存等技术取得突破应用，短流程炼钢占比达20%以上”。我国对“氢冶金”的相关政策已逐渐具体化，政策普遍利好氢冶金的未来发展。 表2：我国出台多个支持氢冶金发展的政策 2.氢冶金技术逐步成熟，国内企业全球领先 2.1.氢冶金的经济性或逐渐体现 氢冶金技术能够大幅降低冶金过程的碳排放，但仍然需要解决一些问题。根据中国冶金报社，氢冶金目前面临的主要问题有两点。第一是氢冶金要求铁精粉品位达到68%以上，这需要对现有的主流铁矿石进行再次富集，或者改变铁矿石富集的流程，相应会增加铁矿石的成本。其次，氢能的成本较高。我国大部分采用化石能源制氢，一般用作化工流程，可用于氢冶金的氢能资源较少，氢气成本较高。 氢冶金技术研发难点多。全氢直接还原炼铁技术基本推翻了现有“高炉—转炉”工艺，作为一项新的技术，目前还有较多问题需要解决。根据中国冶金报社，氢冶金主要的技术难点为以下4项：1）氢还原为强吸热反应，将影响到反应器内温度场分布，而反应温度的变化将影响氢气利用效率。2）依照现有气基竖炉工艺或流化床工艺，氢还原反应器内热量均依靠高温还原气的物理热带入，解决热量不足问题将是未来研发重点。3）通过提高还原气温度和增加还原气流量来补充热量，将影响到氢气在竖炉中的流速，进一步影响氢气还原率及利用效率，同时对气体加热炉装备、反应器的耐高温、耐高压、防泄漏、耐氢蚀性等带来巨大挑战。4）全氢还原无渗碳条件，不含碳的直接还原铁熔点高、极易再氧化、自燃，难以安全储存和运输。 表3：氢冶金技术的研发难点仍待解决 长远来看，氢冶金技术成功产业化之后经济性可期。根据王明华《氢能产业发展之困局——“源”与“汇”》（《现代化工》2022年第9期），用氢气代替煤炭用于钢铁产业和冶金行业，工艺变换中成本占比最大是还原剂本身。经计算，生产1吨生铁需要 600m3 氢气，补偿吸热反应需要 67m3 氢气，加热融化到1600℃需要 85m3 氢气，按照75%热效率计算，生产1吨生铁最终需要的氢气量为 800m3 。而传统工艺生产1吨生铁需要300kg焦炭和200kg煤粉。按照当前的炼焦成本估算，钢铁产业用氢替代碳进行还原可接受的氢气成本为0.5-0.65元 /m3 。根据国泰君安煤炭行业研究报告《氢能：绿色能源的终极答案》，当前国内煤制氢成本约为0.9-1.2元 /m3 ，而根据国家能源集团技术经济研究院林圣华，国内泰钢、鞍钢等集团利用焦炉煤气通过变压吸附和提纯后的氢气成本为1元 /m3 ，该成本价格虽然大于成本平衡价格，但已较为接近，随着制氢技术不断发展，氢气价格将进一步降低，逐渐缩小与平衡成本之间的差距。此外，欧盟碳关税将在2026年实施，当前欧盟碳价在80欧元/吨以上，考虑到欧盟的碳成本，未来使用氢气替代煤炭作为钢铁冶金还原剂具备较大的经济性潜力。 图3：国内煤制氢成本在0.9-1.2元 /m ³ 2.2.国内钢企氢冶金实践走在世界前列 宝武集团积极探索氢冶金技术。2019年1月15日，中核集团与中国宝武集团、清华大学签订《核能－制氢－冶金耦合技术战略合作框架协议》，打造核冶金产业联盟，联合开展核能制氢与氢能冶金研究，探索钢铁行业清洁生产的有效途径。 图4：宝武集团低碳冶金技术示意图 宝武低碳冶金技术路线中包括高炉富氢冶炼技术和竖炉富氢还原技术，通过核能制取氢气，喷吹入高炉和竖炉，达到替代部分化石燃料减少碳排放的目的，基本解决了高炉燃煤限制问题，形成了宝武特有的低碳炼铁技术。2020年7月，宝武在八钢进行了富氢碳循环氧气高炉工艺试验，将脱碳后的煤气喷入富氢碳循环高炉，使高炉吨铁燃料比下降近45 kg，相较传统高炉减排30% CO。 图5：宝武集团计划在2035年减碳30-50% 河钢集团利用世界最先进的氢能直接还原技术，建设了全球首例120万t氢能还原制备高品质金属化炉料的示范工程。旨在通过从绿色低成本制氢、铁矿精选、气基竖炉直接还原、高端金属材料适用性研究等全流程的创新研发，打造氢能技术研发中心，建成拥有最先进技术和装备的氢还原工厂，推动河钢发展进入氢时代，彻底解决钢铁生产过程中的碳排放问题。2021年5月，河钢宣钢举行氢能源开发和利用工程示范项目开工仪式，标志着全球首例氢冶金示范工程正式启动建设。此外，建龙集团在内蒙古乌海建成年产30万t氢基熔融还原法冶炼高纯铸造生铁项目(CISP)、山西中晋公司年产30万t