“碳冶金”变“氢冶金”意味着什么？

何为氢冶金？它与传统炼铁工艺有何不同？从“碳冶金”到“氢冶金”，意味着怎样的转变？它对钢铁产业实现高质量发展有着怎样启示？带着这些问题，记者深入氢冶金项目一线进行实地采访。

二氧化碳减排70%以上

8月3日下午，位于张家口市某氢冶金项目现场，一座118米高的氢基竖炉巍然耸立，竖炉周围簇拥着水处理、加热炉、二氧化碳脱除等装置，高低错落的通廊、密集架设的管道将各个装置连接，整套设备平稳运行。这是全球首例采用“焦炉煤气零重整竖炉直接还原”工艺技术的氢冶金示范工程。经过一段时间运行，今年5月，项目正式实现安全、连续、顺利生产。

置身现场，氢冶金与传统炼铁工艺在观感上差别很大。传统高炉被氢基竖炉取代，一个个银白色的反应罐，密布的管道和阀门、仪表，也是传统高炉炼铁所没有的，这里更像一座化工厂。

“这些反应罐和管道内流通的是焦炉煤气，焦炉煤气经过深度净化、脱除杂质，加压进入氢基竖炉内，之后该气体的主要成分氢将与铁矿石进一步发生反应。”氢冶金作业区作业长吕同志一边说，一边手指管线描述大致流程。

采用氢气作为还原剂和过程燃料，是氢冶金与传统高炉炼铁本质的不同。“高炉炼铁是铁矿石和焦炭反应，将铁矿石中的氧化铁还原成单质铁，变成铁水。而氢冶金是氢与铁矿石反应，置换出铁矿石中的氧，整个过程是气体与固体的反应。”吕同志将两种工艺进行对比。

与传统工艺比，氢冶金在实现传统化石能源替代的同时，也改变了整个冶金的生产流程。

当前，钢铁企业普遍的冶炼工艺是“高炉+转炉”的模式，在高炉冶炼出铁水，再经转炉熔炼成钢，这种模式被称为长流程炼钢。氢冶金技术省去高炉等流程，所产出的DRI（直接还原铁）产品直接转入电炉，工艺流程环节减少，复杂度也大大降低。

能源的转换，加上冶炼流程的缩短，氢冶金带来最直接的改变是碳排放量的变化。对此，全程参与氢冶金项目的技术中心副主任李同志感受颇深。

“传统的冶炼工艺，以含碳量高的煤和焦炭作为燃料，每生产一吨钢，约排放2吨二氧化碳，其中有1.6吨至1.7吨在高炉环节产生。而氢冶金使用的焦炉煤气，本身含有55%至65%的氢气，可直接利用，还有15%的甲烷可分解为氢气和一氧化碳，最终，还原气体中的氢碳比达到8∶1以上。”作为一名钢铁行业的老兵，李同志经历过高炉炼铁的鼎盛时代，他直言氢冶金是钢铁冶炼的重大技术革新。

一组数据可以说明氢冶金的减排效果。据测算，与同等生产规模的“高炉+转炉”长流程工艺相比，氢冶金示范工程一期每年可减少二氧化碳排放80万吨，减排比例达到70%以上，同时二氧化硫、氮氧化合物、烟粉尘排放分别减少30%、70%和80%以上。

为了将减排效果，该氢冶金项目在规划时，还配套了二氧化碳捕集和精制系统。

在项目现场焦炉煤气压缩机东侧区域，吕同志告诉笔者，二氧化碳精制过程在这里完成。“我们会将氢冶金过程中产生的部分二氧化碳捕集，进而脱水、加压，精制成工业级液体二氧化碳和食品级液体二氧化碳，预计生产一吨DRI产品可捕集二氧化碳约125千克，项目可年产二氧化碳副产品约6万吨。”

当天17时，吕同志赶回氢冶金项目办公楼，循例参加项目部的会议。会议议题是对整个工艺流程进行再梳理、再优化，发现减碳潜力，探索当前工艺下的降碳极限。吕同志表示，自5月以来，这样的会议至少是一天一开，目的是努力打造行业首条“零碳”示范产线。

在氢冶金项目办公楼大厅内，展示着一封5月31日中国钢铁工业协会发来的贺信。贺信中说，氢冶金项目一期工程的成功，是由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变的重要里程碑，引领钢铁行业迈入“以氢代煤”冶炼“绿钢”的时代。

低碳“绿钢”走向世界名企

8月4日，特材研究制造产线上，一块烧得通体发红的锻件被机器从高温炉内取出，送至锻压机下，在工人们的辅助下，锻压机开始对锻件进行锤打，发出震耳欲聋的声响。这是一种用于制作模具的绿色钢材，它配加的主要原料是氢冶金项目生产的DRI产品。

模具被称为工业之母，是制造业不可或缺的生产工具。模具对构型和尺寸精度要求极高，因此模具钢要求钢的品质要足够高、足够纯净，否则极易引起磨损、裂纹，甚至破型。在特材产品区域，整齐堆叠着刚刚下线的不同规格的模具钢。说，这些模具材料已达到北美压铸协会模具钢的优质级别，由它制作的模具，应用于特斯拉、大众新能源汽车等世界驰名企业。“由于质量过硬，该种钢材今年以来订单量持续攀升，售价近4万元/吨。”

模具钢是特材

“在碳达峰碳中和背景下，钢铁下游行业越来越关注钢材产品的碳排放量，未来，产品能不能被广大客户接纳，要看制造流程是否绿色，生产过程是否有减碳措施。”李同志说，如奔驰、宝马等汽车企业，已经要求钢铁供应商提供钢材产品的生命周期评价报告，明确提出“绿钢”要求。

“绿钢”需求无疑是一个好消息，它将氢冶金在绿色低碳方面的优势，最终转化成产品上的竞争力。

“下一步，我们将研究生产多种原料结构条件下的DRI产品，提供排放更低、纯净度更高的氢冶金产品，让绿色制造的含金量更高。”李同志说。

引领未来行业发展风向标

在专业人士看来，氢冶金之所以受到关注，源于钢铁行业减排的大背景。数据资料显示，中国钢铁工业碳排放量占全球钢铁碳排放量的60%以上，占全国碳排放总量的15%左右，是我国制造业中碳排放量最多的行业。毫无疑问，降低碳排放量，实现碳达峰碳中和目标，钢铁行业是主战场。

外部环境也在促使钢铁行业加快降碳步伐。5月17日，欧盟碳边境调节机制（CBAM）正式生效，这意味着，钢铁、水泥等多个行业将被征收“碳税”。对我国钢铁企业来说，如果不能尽快完成降碳目标，未来在国际市场上将面临很大竞争压力。

钢铁行业降碳该从何处下手？

多年来，传统的冶炼工艺节能降碳空间几乎触碰到了天花板，要实现大规模降碳，需摒弃原有思路，寻找新路径。“采用绿色能源的冶炼工艺将成为钢铁业低碳发展的方向，就当前的技术路线来看，氢冶金是未来的方向，至少是方向之一。”专业人士说。

事实上，氢冶金并不是一门新技术，该技术在欧洲等国家已经发展得相对成熟。氢冶金技术在我国迟迟没有推开，一个深层次的原因是，过去二十年间，钢铁企业更注重提高生产效率和增加产能，而氢冶金是一个小而精的产线，并不适应彼时我国的发展需求。

“当前，我国钢铁行业进入新发展阶段，总产能达到峰值并逐步开始回落，钢铁业开始由量向质的转变过程，所以氢冶金这种更绿色、更注重质量的技术路线有了生存空间。”李同志说。

谈及钢铁企业对氢冶金的接受度，李同志表示，当前阶段，钢铁行业对氢冶金技术还处在观望期，但对这项技术的接纳度要比原来高很多，未来几年，一些规模比较大的钢铁企业会逐步尝试氢冶金技术。

在我国，对氢冶金的探索已经开始起步。在河北省，根据河钢集团规划，预计到2025年，河钢氢冶金冶炼流程占比将提升到7%左右，2030年进一步提升到10%左右，2050年努力达到30%。

从政策角度，对于发展氢冶金，国家层面已经有了顶层设计。2022年，工信部等几部委联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出将制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用。而在国家发改委发布的《氢能产业发展中长期规划》中则进一步明确，开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢能冶金示范应用。

能源结构调整支撑钢铁低碳转型

河钢集团从“碳冶金”到“氢冶金”，不仅是工艺流程上的改变，更被看作钢铁行业能源结构调整的标志性事件。

长远来看，氢能被视为21世纪具发展潜力的能源之一，在碳达峰碳中和大背景下，未来钢铁行业无论是能源结构调整还是工艺创新，氢能都是重要方向。

随着钢铁工业进入新旧能源混用阶段，氢能逐渐应用于冶金过程中的部分环节。对钢铁行业而言，当前阶段可以充分利用各类工业副产氢，就近消纳，降低氢能供给成本。在中长期，则需要依赖氢能产业的发展和布局，以此支撑钢铁工业低碳转型。

根据河北省新型能源强省建设相关方案，河北将加快构建形成“风、光、水、火、核、储、氢”多能互补的能源格局，氢能被列为其中重要一极。河北省在全国率先印发实施省级氢能产业发展“十四五”规划，提出要推动高纯氢制备技术、氢燃料电池发动机和整车技术研发，并布局推进第一、二批氢能产业重点项目128个。

在国家层面，近日，国家六部委联合印发《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》。指南系统构建了氢能制、储、输、用全产业链标准体系，涵盖基础与安全、氢制备、氢储存和输运、氢加注、氢能应用五个子体系，旨在充分发挥标准对氢能产业发展的规范和引领作用。

政策引领下，河北氢能产业发展呈现出良好势头。在唐山，目前国内单体产能最大的电池燃料用氢气生产项目已投产；在保定，全国首条百辆级别氢能重卡运输线实现市场化运营。全省正在形成一条完整的氢产业链。

在氢产业体系中，可再生能源制氢的前景被广泛看好。无论是河北在建设新型能源强省中提出“提高清洁高效能源比重”，还是我国氢能产业发展中长期规划中要求“重点发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢”，都意味着绿氢将迎来蓬勃发展的机遇。

河北省在可再生能源领域已具备一定规模，张家口可再生能源示范区、承德国家可持续发展议程创新示范区、风电制氢综合利用示范项目、海兴光伏“领跑者”基地等一批可再生能源示范项目及配套工程正加快建设，将为绿电制氢产业提供基础能源。

张家口作为可再生能源示范区，风能、太阳能资源十分丰富。有关专家表示，在未来以清洁能源为主体的大背景下，钢铁行业能源系统应以氢能替代为主线，绿电和绿氢的组合可以通用在钢铁生产的各个环节。因此，构建以“绿电+绿氢”为核心的能源系统，使钢铁摆脱对化石能源的依赖，从源头上解决碳排放问题，是实现低碳甚至“零碳”排放的一条途径。