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加快氫基直接還原豎爐、純氫豎爐、流化床直接還原爐、氫基熔融還原爐等氫冶金裝置研發(fā)，突破還原爐內(nèi)襯耐火材料、富氫噴槍等關(guān)鍵材料和核心零部件，以及氫冶金控制機(jī)理模型、數(shù)字化智能化控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。
推進(jìn)高爐富氫冶煉，以氫氣替代焦炭、煤粉，開發(fā)爐內(nèi)氫氣高效安全噴吹系統(tǒng)，提升氫氣利用效率、降低固體燃料比例。
推進(jìn)純氫冶金，發(fā)展純氫還原零碳高純材料，開展“綠電—綠氫—純氫冶金”上下游產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉丁?/p>
——工信部等三部門《加快工業(yè)領(lǐng)域清潔低碳?xì)鋺?yīng)用實(shí)施方案》
鋼鐵企業(yè)是碳排放“大戶”，減碳?jí)毫O重。作為我國(guó)制造業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵行業(yè)碳排放總量占全國(guó)的15%-20%。業(yè)內(nèi)形容，鋼鐵行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型是一場(chǎng)馬拉松，而不是一場(chǎng)短跑。
根據(jù)《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡(jiǎn)稱：《報(bào)告》）報(bào)告預(yù)計(jì)，氫基直接還原工藝將在2040年后大規(guī)模推廣，先決條件是綠氫產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，包括綠色、經(jīng)濟(jì)、大規(guī)模氫源的獲取，氫氣長(zhǎng)距離的安全儲(chǔ)運(yùn)，以及氫源供需的合理配置等。
《報(bào)告》指出，經(jīng)濟(jì)性是制約鋼鐵行業(yè)氫冶金發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，主要涉及氫氣成本和碳排放成本。隨著技術(shù)進(jìn)步，制氫成本逐漸降低，當(dāng)企業(yè)需要為碳排放支付費(fèi)用時(shí)，氫冶金就可以顯示出成本優(yōu)勢(shì)。碳排放的成本越高，氫冶金的成本優(yōu)勢(shì)越大。因此，合理利用碳市場(chǎng)將對(duì)氫冶金技術(shù)推廣應(yīng)用起到積極推動(dòng)作用。
來源：《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》
未來鋼鐵制造工藝路線 來源：《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》
來源：《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》
鋼鐵行業(yè)進(jìn)入碳排放權(quán)交易市場(chǎng)
碳交易是把二氧化碳排放權(quán)作為一種商品，從而形成二氧化碳排放權(quán)的交易。2011年，我國(guó)碳排放交易試點(diǎn)工作開始啟動(dòng)，2013年首個(gè)碳排放權(quán)交易平臺(tái)在深圳開始交易，此后，北京、天津、上海、廣東、湖北、重慶等省市先后啟動(dòng)了碳排放權(quán)交易試點(diǎn)。2021年7月16日，全國(guó)碳排放交易市場(chǎng)開市。由于發(fā)電行業(yè)處于全社會(huì)碳排放量最大的能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，被首先納入全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)。
今年3月26日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)覆蓋鋼鐵、水泥、鋁冶煉行業(yè)工作方案》，標(biāo)志著全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)首次擴(kuò)大行業(yè)覆蓋范圍工作正式進(jìn)入實(shí)施階段，同時(shí)也標(biāo)志著中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)正式邁入碳約束時(shí)代。
全球鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放強(qiáng)度約為1.92噸/噸粗鋼，中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放強(qiáng)度高于電爐流程（0.70噸/噸粗鋼），但低于高爐-轉(zhuǎn)爐流程（2.32噸/噸粗鋼）。碳排放成本的增加正在使傳統(tǒng)碳冶金成本上升，在碳排放成本較低時(shí)，傳統(tǒng)碳冶金工藝由于碳排放量大，但成本增加有限，仍具有一定的經(jīng)濟(jì)性。但隨著碳排放成本的不斷提高，碳冶金企業(yè)需要為大量的碳排放支付高額費(fèi)用，這使得碳冶金的總成本大幅上升。例如，當(dāng)碳排放成本為200元/噸時(shí)，氫冶金才更具有成本優(yōu)勢(shì)；當(dāng)碳排放成本達(dá)到400元/噸時(shí)，氫冶金的成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。
碳排放成本越高，氫冶金優(yōu)勢(shì)越大
氫冶金的成本主要取決于氫氣的制取成本、儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本等。雖然目前氫氣的制取成本相對(duì)較高，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，氫氣的制取成本有望逐漸降低。而且，氫冶金過程中不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，不需要為碳排放支付費(fèi)用，其成本相對(duì)穩(wěn)定。因此，在碳排放成本不斷上升的情況下，氫冶金的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來。
氫冶金以氫氣為主要還原劑，其燃燒產(chǎn)物僅為水，不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，從而實(shí)現(xiàn)了從源頭上減少碳排放。與傳統(tǒng)的碳冶金相比，氫冶金可以大幅降低碳排放量，有助于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)。例如，氫基豎爐直接還原氫冶金技術(shù)的二氧化碳理論減排量可達(dá)98%。
2022年12月16日，河鋼集團(tuán)張宣科技120萬噸氫冶金示范工程一期全線貫通，該工程是全球首例富氫氣體（焦?fàn)t煤氣）零重整豎爐直接還原氫冶金示范工程，標(biāo)志著我國(guó)鋼鐵行業(yè)由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”的轉(zhuǎn)變邁出顛覆性、示范性、關(guān)鍵性步伐。據(jù)介紹，該工程采用全球首創(chuàng)的“焦?fàn)t煤氣零重整豎爐直接還原”工藝技術(shù)，自重整后，工藝氣體中的氫碳比可達(dá)到8:1以上，是目前工業(yè)化生產(chǎn)中含氫比例最高的氣基豎爐直接還原工藝，最接近未來100%氫還原的工藝狀態(tài)。
經(jīng)歷兩年多時(shí)間，河鋼集團(tuán)所生產(chǎn)的綠鋼已開始走向國(guó)際。近日，河鋼簽訂1萬噸氫冶金綠鋼出口訂單，將于8月底前發(fā)往意大利終端客戶。這筆訂單實(shí)現(xiàn)了噸鋼降碳50%，標(biāo)志著河鋼在綠鋼領(lǐng)域的全球競(jìng)爭(zhēng)力正加速提升，為中國(guó)鋼鐵企業(yè)積極主動(dòng)應(yīng)對(duì)CBAM（碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制）市場(chǎng)與碳關(guān)稅帶來的挑戰(zhàn)，開辟出一條新路徑。
綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為氫冶金技術(shù)推廣的先決條件
氫冶金技術(shù)核心，在于“以氫代碳”。在氫冶金中使用綠氫，可使整個(gè)冶金過程的碳排放趨近于零，滿足全球“碳達(dá)峰、碳中和”的環(huán)保要求，是鋼鐵等行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳的關(guān)鍵。
但是，從某種程度上來說，綠氫也直接決定了鋼鐵行業(yè)的脫碳進(jìn)程，直接決定了氫冶金技術(shù)能否快速發(fā)展。
一方面，氫冶金技術(shù)對(duì)氫氣的純度要求較高，綠氫的純度通常可以達(dá)到99.9%以上，能夠滿足氫冶金工藝的需求，保證還原反應(yīng)的高效進(jìn)行。從當(dāng)前綠氫生產(chǎn)來看，若考慮成本效益，當(dāng)首選堿性電解槽制取綠氫，然而其最終生產(chǎn)出來的氫氣含有雜質(zhì)，需要提純分離，若采用PEM電解槽或AEM電解槽制取綠氫，設(shè)備成本又會(huì)大幅提升。
另一方面，氫冶金技術(shù)需要持續(xù)穩(wěn)定的綠氫輸入，而對(duì)于可再生能源電解水制氫來說也是一項(xiàng)難題。綠氫生產(chǎn)依賴風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源，風(fēng)光發(fā)電具有不穩(wěn)定性，在氫冶金過程中難以達(dá)到穩(wěn)定持續(xù)輸入綠氫。
所以，豐富綠氫供應(yīng)顯得尤為重要。綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以增加氫氣的供應(yīng)量，為氫冶金技術(shù)的推廣提供充足的氫氣資源。隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，綠氫的產(chǎn)量也將相應(yīng)增加，能夠滿足冶金行業(yè)對(duì)氫氣的需求。
此外，綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要建立完善的供應(yīng)鏈體系，包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫等環(huán)節(jié)。這將為氫冶金技術(shù)的推廣提供有力的支持，確保氫氣能夠及時(shí)、穩(wěn)定地供應(yīng)到冶金企業(yè)。
近兩年，國(guó)內(nèi)氫冶金技術(shù)得到大力發(fā)展，以寶鋼、河鋼、寶武為首的多家鋼鐵企業(yè)積極開發(fā)氫冶金項(xiàng)目，共同推進(jìn)鋼鐵行業(yè)脫碳轉(zhuǎn)型。今年上半年，中國(guó)鋼研連續(xù)簽約兩大純氫冶金項(xiàng)目合作，與西藏富融新材料科技有限公司和新疆昆侖鋼鐵有限公司在臨沂純氫冶金技術(shù)開發(fā)中試基地舉行合作框架協(xié)議簽約儀式。中國(guó)鋼研研發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于純氫冶金釩鈦磁鐵礦工業(yè)化高效分離技術(shù)，建成并穩(wěn)定運(yùn)行全球首條5萬噸級(jí)純氫多穩(wěn)態(tài)豎爐示范生產(chǎn)線。
按照工信部等三部門發(fā)布的《加快工業(yè)領(lǐng)域清潔低碳?xì)鋺?yīng)用實(shí)施方案》，結(jié)合當(dāng)前氫冶金項(xiàng)目發(fā)展趨勢(shì)，可以看到“氫基直接還原豎爐”工藝已經(jīng)率先“殺出重圍”，成為更多鋼鐵企業(yè)發(fā)展氫冶金技術(shù)的選擇。隨著綠氫產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫冶金技術(shù)也將得到更為廣泛的應(yīng)用和拓展，鋼鐵產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型之路將會(huì)更為廣闊，鋼鐵行業(yè)也將早日實(shí)現(xiàn)降碳減排的目標(biāo)。
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