钢铁碳中和：大型钢铁集团开始积极布局氢气炼钢

1 引言：低碳冶金，“氢”来了

我们在2021年3月4日发表的《钢铁碳中和：减产的必要性和可能路径》报告中指出，钢铁行业尽快实现“碳达峰”和“碳中和”是必然趋势，“减产”势在必行，是中短期内实现“碳达峰”最快的途径。能源消耗与排放将很大程度上决定钢铁企业的生死存亡，也将倒逼钢铁企业发展低碳技术和工艺。

我们认为，减少钢铁生产过程的碳排放，只有三个途径可入手：前端减少碳投入、中端提高碳效率、末端捕获碳排放。

“氢能炼钢”就是减少碳的投入，以氢还原代替碳还原，还原反应的碳排放由“水排放”替代，有望成为钢铁行业向低碳绿色转型升级的有效途径之一，在碳中和趋势日益高涨的背景下，逐渐成为各国关注和鼓励发展的重点。

氢能冶金在国内属于新兴领域，虽然在减排压力下行业内已上马了不少氢能冶金项目，但这些项目都是近几年才起步的，还处于早期阶段。随着氢能冶金的推行和氢能炼钢产业的发展，未来会有越来越多的钢企加入氢能冶金阵营，但从焦炭冶金到氢能冶金的转变并非一朝一夕就能实现的，在推动氢能炼钢发展的同时，我们也需要立足当下思考应对之策。

在此背景下，本报告试图回答有关氢冶金的几个问题：

2氢能炼钢能实现多少减排：理论上长流程碳排放可减少34-62%

2.1 传统工​​艺碳排放：长流程、DRI短流程、废钢短流程每生产一吨钢碳排放量分别为2.0吨、0.9吨、0.3吨

2.1.1当前主流炼钢工艺流程可分为长流程、还原铁-电弧炉短流程、废钢-电弧炉短流程。

钢铁行业碳排放机制比较复杂，但大致可分为三类：

第一，焦炭作为生产原料，在烧结、炼焦、石灰焙烧、炼钢、酸洗钢等化学反应过程中都会产生碳排放，其中碳排放主要来源于炼铁过程中的还原反应。

二是燃烧化石能源作为燃料产生的碳排放，例如炼钢焦炉、高炉、转炉等燃料的燃烧；

三是以化石能源作为发电来源以及钢铁生产用电造成的间接碳排放。

不同的工艺路线对应不同的碳排放量，目前国际上主要有三种工艺路线：

①利用高炉、转炉、焦炉的长流程，

②废钢短流程电弧炉，

③直接还原铁（DRI）和电弧炉工艺。

长流程是最常见的工艺，也是中国主流的生产路线，2019年长流程占全球钢铁产量的63%左右，其余37%的全球钢铁产量是通过电弧炉生产的，电弧炉的原料可以是废钢，也可以是DRI，实际生产中一般是DRI和废钢混合。

目前我国以废钢+电弧炉的长流程和短流程为主，直接还原炼铁工艺由于在国内应用有限，不太为人所知，这里就简单介绍一下。直接还原炼铁工艺是以非焦煤为原料，将矿石还原到其熔点以下，得到固态金属铁的过程，得到的产品称为直接还原铁（DRI，又称海绵铁）。直接还原铁是短流程的重要原料，可以替代废钢。为解决废钢资源不足的问题，一般采用气基立炉，还原气主要来源于天然气，气基立炉直接还原铁工艺主要在伊朗、印度、俄罗斯、沙特、阿联酋等中东国家应用，除印度外，大多数为天然气丰富的国家和地区。

2.1.2 钢铁行业碳排放主要来自炼铁环节，炼铁环节碳排放主要来自碳减排

采用三种工艺路线生产每吨热轧卷 (HRC) 的二氧化碳排放量，包括采用高炉和转炉的传统长路线，以及采用 100% 直接还原铁和 100% 废钢的电弧炉短路线。

在计算长流程二氧化碳排放量时，对长流程的原材料、产出率、技术指标等做出如下假设：

1 使用高炉和转炉（100％生铁，无废钢）的长流程每吨钢排放约2.05吨碳。

基于以上假设，长流程的碳排放量约为2.05吨CO2/吨热轧卷，其中炼铁排放包括热风炉和发电厂的1.45吨，占长流程整体碳排放量的71%。

2废钢+电炉每吨钢碳排放量约为0.26吨。

电弧炉炼钢需要大量电力，计算得出的每吨热轧卷的HRC排放量取决于电弧炉运行的地区（及其各自的电网电力排放因子）。在法国，电网电力排放因子低至0./千瓦时，日本国家电网为0./千瓦时，而在中国和印度，电网电力排放因子大于1./千瓦时。哈奇采用日本国家电网的电力排放因子0./千瓦时，因此每吨钢100%废钢的二氧化碳排放量为0.26吨。

3 DRI+EAF每吨钢的碳排放量约为0.96吨。

目前，气基立炉主要以天然气为还原剂生产直接还原铁，以日本国家电网同等电力排放系数0./kWh计算，生产一吨热轧卷的二氧化碳排放量约为0.96吨，其中炼铁工序排放0.49吨，电弧炉、烧结、轧钢工序的碳排放量分别为0.26、0.15、0.063吨。以上三个工序中各环节的碳排放量汇总如下：

典型的电炉既使用DRI，也使用一些废钢，其排放值介于100%DRI和100%废钢路线之间。例如，在天元二手材料短流程装置中，DRI和废钢进料比例为55%/45%，总CO2排放量为82.3万吨/年，年产钢坯约100万吨，相当于每生产一吨钢排放0.82吨CO2。这显示了汉堡公司的生产过程以及每个步骤中的CO2排放量。直接排放和间接排放。

可以看出，电炉炼钢工序，特别是使用废钢时的排放量明显低于传统的高炉、转炉长流程，这主要是因为与长流程相比，短流程可以部分或全部省去高炉、烧结、炼焦等三大工序，而全部使用废钢的短流程又省去了炼铁工序，因此碳排放量最低，根据上述计算，长流程和100%DRI短流程的碳排放量分别是废钢碳排放量的100%和200%的8倍和4倍。

2.2 氢能炼钢减排原理：还原反应产生的碳排放被水排放取代

氢气炼钢可以通过用氢气还原代替碳还原，从而消除还原反应产生的碳排放。如前所述，炼铁工序的碳排放是炼钢中主要的碳排放环节，而炼铁产生的碳排放主要由碳还原化学反应产生。氢气炼钢以氢气代替碳作为还原剂，从而减少碳还原产生的碳排放，它针对的是钢铁生产过程中的炼铁工序，即长流程中的高炉炼铁和直接还原炼铁工序，全部使用废钢的短流程省去了炼铁工序，不涉及氢气冶金。对于长流程来说，除了可以消除还原反应产生的碳排放外，还可以省略煤炼焦工序产生的碳排放。根据碳还原反应的化学式，还原1mol铁所需的还原剂碳为1.5-3mol（取决于直接还原和间接还原的比例）。按照铁、碳、二氧化碳的摩尔质量比为56:12:44，生产1吨铁的碳还原反应产生0.59吨（44/56*1.5/2）~1.18吨（44/56*1.5）的二氧化碳排放，加上前述典型长流程中炼焦的0.1吨碳排放，相当于理论上长流程可减少碳排放约0.69-1.28吨，减幅为34-62%。

Fe2O3+1.5C直接还原→2Fe+1.5CO2

间接还原 Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

天然气基DRI生产工艺同样如此，由于天然气本身含有氢气，参与还原反应的碳比高炉少，约为0.47吨（44/56*1.5*1/2.5），这部分也已被氢气还原替代，DRI短流程碳排放量可降至约0.49吨，减幅达49%。

CH4+H2O→CO+3H2 蒸汽重整

CH4+CO2→2CO+2H2 二氧化碳重整

通过以上测算，我们可以发现，理论上氢能炼钢具有很大的减排潜力，但需要很多前提条件，比如制氢的来源和过程本身是否排放碳，如果是火力发电再电解制氢，单位碳耗量要高于传统的长流程；再比如如果氢气完全替代碳，就没有碳燃烧作为热能释放的来源，而氢气还原铁本身就是吸热反应，热量补充从哪里来？如果还是靠燃烧化石燃料产生，那就要减量了。可见，氢能炼钢如果只注重单一环节，那只是拆东墙补西墙，违背了氢能炼钢的初衷。只是减量方式不同，但要达到减少碳排放的目标，需要系统规划整个流程，发展配套的产业链，实现氢气的绿色生产和绿色使用，这也是目前氢能炼钢发展遇到的重大瓶颈。

2.3 氢能炼钢的难点：氢气的大规模使用和氢气生产的经济性

2.3.1 难点一：氢气规模化利用

氢气替代碳基还原剂是有极限的，特别是在高炉炼铁过程中。对于长流程高炉炼铁，碳除了作为还原剂外，还起着多种关键作用：1、作为燃料，提供高炉冶炼所需的热量。高炉的热量一般由焦炭、喷入的燃料和从外部引入的热空气的燃烧提供，其中焦炭在高炉内燃烧所提供的热量占75%-80%之多；2、作为骨架，支撑炉料；3、作为生铁的增碳剂。生铁的碳源为4%，这全部来自焦炭。

氢的密度和元素组成显然无法取代碳的支撑和渗碳作用，碳的使用是不可避免的，另外氢还原是吸热反应，当氢比例达到一定程度时，需要额外加热来实现热量互补，如果这部分热能的来源还是通过碳燃烧，那么碳排放量只会越来越大。

Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O ΔH＝98.12KJ

C+O2→CO2 ∆H＝−393.52KJ

对于以气为基础的立炉还原炼铁工艺，还存在渗碳源、热量互补等问题。另外，如果采用纯氢作为还原剂，纯氢需要加压加热，据唐珏等2020年11月发表的《我国氢能冶金现状及未来趋势》一文介绍，氢气加压到1MPa以上，加热到1000摄氏度以上，理论上就能达到设计指标。但如果立炉长期在高温高压这样的极端条件下工作，并不符合安全目标。

因此，在上述问题解决之前，氢气替代碳基还原剂的应用是有限制的，特别是在高炉炼铁工艺中，该工艺对温度要求较高，因此对氢气的使用限制较大。

2.3.2 难点二：经济制氢

除了大规模使用氢气，如何实现经济制氢也是难点。目前氢气生产工艺已经比较成熟，按照原料分类，氢气可分为灰氢、蓝氢、绿氢，绿氢是指从化石燃料中制取氢气。在包括工业副产品电解制氢、可再生能源制氢在内的三种制氢方式中，只有绿氢是真正意义上的零排放制氢方式。

根据化学反应式及原子摩尔质量比可计算出还原一吨铁需消耗53.6千克氢气及约321千克碳。焦炭现价约2000元/吨，制氢成本以宝丰能源2021年4月数据为准。19日披露的《天源二手材料关于拟境外投资设立子公司的公告》显示，其光伏发电及2万标立方米/小时水电解制氢示范项目试生产过程中氢气综合成本为1.34元/标立方米。考虑到焦炭中碳的占比约为85%，还原一吨铁所需碳、氢的成本分别约为756元/吨、804元/吨。可见，若不考虑还原剂变化带来的其他成本变化，氢气作为还原剂的经济性还是不如碳的。据测算，氢气成本需降至1.26元/标立方米，或对碳排放征收25元/吨的碳税，才能实现氢碳减排平价。宝丰能源透露，氢气远期综合成本可降至0.7元/标立方米，一吨铁还原成氢气的成本或降至420元/吨。若能实现，将大大提升氢气还原的经济性。

除了氢气生产经济性“脱碳”以外，其大规模储存运输仍是产业难题。由于氢气特殊的物理化学性质——密度不足空气的1/15，且易燃易爆，因此其储存和运输难度很大，需要极其特殊的条件。目前储氢方式主要分为气态、液态和固态储氢三种。如下表所示，低温液态储氢由于价格较高，目前主要应用于航空航天领域；有机液态和固态储氢目前还处于示范阶段，尚未成熟；高压气态储氢虽然已经得到广泛应用，但由于其体积容量比较低，并不适合大规模用氢场景，目前主要应用于燃料电池汽车。氢气的运输同样是难题，但由于氢能产业尚不成熟，氢气运输和初期建设成本较高，同时运输能力较低，经济效益有待提升。

虽然在目前的技术水平和产业发展下完全实现氢能炼钢还有不少困难，经济上通过氢能炼钢可能难以大幅减少钢铁行业的碳排放。看到氢能炼钢的发展潜力，富氢技术是现阶段氢能炼钢可以重点发展的方向。

3 当前氢气炼钢的发展方向：高炉富氢和气基立炉富氢工艺

3.1高炉富氢工艺：减排效果一般为10%-20%

富氢工艺既可以应用于高炉炼铁，也可以应用于气基立炉还原炼铁设备。

高炉富氢是指向高炉中喷入氢含量较高的物质，如纯氢气与天然气、焦炉煤气等富氢气体，代替部分减碳，减少碳排放，目前已有大量研究和实际案例验证。根据Can等2017年在 into a Blast 杂志上所做的数值模拟实验，当在1200℃高炉中喷入10、20、30kg/t重氢时，氢气温度为27.5000W/tHM，焦比分别降低9%、16%和24%，高炉碳排放量分别降低10%、23%和21%。模拟实验可知，氢气最佳喷入量为27.5kg/tHM。上述碳排放量实际上随喷氢量的增加而增加。

实际情况下，高炉富氢主要来源于灰氢。

天元二手材料、瑞典LKAB、德国蒂森克虏伯等也都进行了高炉富氢工艺实验，除德国蒂森克虏伯未披露氢气来源外，其余公司的氢气来源均为焦炉煤气或炉顶煤气。循环煤气又称灰氢实验结果表明，高炉富氢确实能达到减排效果，例如新日铁君津工厂碳排放下降9.4%，基本实现计划碳减排目标；瑞典LKAB的实验高炉向高炉中喷入循环煤气又称灰氢，碳排放最高可减少27%。

高炉富氢可以提高产量，是一种比较经济的钢水减碳工艺。

无论是模拟实验还是实际案例都验证了高炉富氢减排的积极效果，氢气除了可以降低碳之外，还能加速还原反应，缩短炉料停留时间，提高产量，从而提高富氢工艺的经济性。

梅钢与东北大学根据梅钢原燃料情况，联合研发了高炉风口喷吹焦炉煤气技术，据毕创光等2018年2月在《钢铁杂志》上发表的《梅钢2号高炉喷吹焦炉煤气》一文《数值模拟》显示，与未喷吹焦炉煤气相比，还原速度加快，焦比降低14.43%，碳排放减少8.61%。当原燃料价格为焦炭2100元/t、焦炉煤气0.7749元/m3时，处理成本为0.2元/m3。梅钢2号高炉喷吹50m3/tHM焦炉煤气时，可降低吨铁成本32.67元。喷吹焦炉煤气每年可节约焦炭7.79万吨，产生直接经济效益，效益金额达5575万元。

高炉富氢受制于氢气的利用率，减排潜力有限。

从上文我们可以看出，无论是模拟试验还是实际案例，高炉富氢还原的减排幅度大多在10%-20%的范围内，且喷入的氢气含量也比较有限，这主要是因为当氢气浓度增加到一定程度时，高炉氢气的利用率就会下降，因此通过增加氢气比例进一步减排的空间有限，成本效益也会相应下降。

3.2气基立式炉富氢工艺：实验表明，氢气比例可提高到90%

气基立炉富氢就是提高气基立炉还原气中氢气的比例。气基立炉直接还原炼铁目前以HYL和HYL两种工艺为主，根据天元二手材料《30万吨焦炭煤气还原铁（回转窑球团）项目可行性研究报告》。两种工艺的区别主要在于还原气中H2/CO比值不同，HYL中H2/CO比值一般分别在1.57和4.5左右。由于HYL含氢比例较高，需要在高温高压环境下工作，而该工艺采用常压操作，较为成熟。

气基中氢气比例越高，减排效果越好，减排率随氢气比例增加呈非线性增加。根据王兆才2013年发表的博士论文《煤制气—气基立炉直接还原工艺》，《基础研究》中还原气中H2/CO比例分别为1.5、3、5，还原反应所消耗的H2/CO比例分别为1.9、5.2、15.8，也就是说实际耗氢比例有所增加，但并非简单的线性增加炼钢 废钢与生铁所占比例，还原气中浓度越高，耗氢比例增加幅度越大。由于耗氢比例高于投入比例，可将尾气中未利用的CO收集净化，通过加氢可将H2/CO比例提高至50%。根据H2和CO消耗量可计算还原一吨铁产生的碳排放量如下：

还原气按来源可分为天然气型和煤型，我国DRI工艺以煤型为主。

天然气通过催化裂解反应制成还原性气体，典型工艺的裂解剂为炉顶煤气，HYL典型工艺的裂解剂为水蒸汽，因此后者H2/CO比值较高，不断提高氢比的工艺如工业项目委内瑞拉装置H2/CO比值为3.3-3.8。煤基还原剂又可分为煤气化法和焦炉煤气/炉顶煤气循环法。参照氢气生产的分类，可以理解为“蓝气型”、“灰气型”。目前已成功工业化的煤基立炉H2/CO比为0.47-0.56，我国DRI工艺大多采用煤基立炉，如陕西恒迪20万吨海绵铁项目采用的是煤制气，山西晋中30万吨焦炉煤气制还原铁项目采用的是焦炉煤气，焦炉煤气经重整后H2/CO比为1.7，比典型工艺略高。

气基竖炉还原炼铁具有较大的减排潜力，氢气占90%的竖炉工艺实验是可行的，但我国发展气基竖炉还原需要较大的工艺转换成本。

2019年全球直接还原炼铁产量约1亿吨，其中约60%采用气基竖炉还原工艺，为主流路线。其目前成功工业化的项目H2/CO比高达3.8，折合氢气浓度高达79%，已处于较高水平。该公司试验了氢含量90%的气基竖炉还原工艺，认为该工艺可行，随着技术的成熟将进一步推广。可见氢气在气基竖炉还原工艺中潜力更大，相比高炉炼铁，可以更大程度地实现减排。

但直接还原炼铁工艺在国内应用较少，这与我国铁矿石资源“贫矿多、成分混杂”的特点以及“煤多气少”的能源结构有关，拥有天然气资源的国家主要发展以气为基础的竖炉还原工艺，如果我国发展以煤制气为基础的竖炉还原工艺，再加上配套的电弧炉炼钢工艺，成本与高炉+转炉的长流程相比并不具有竞争力，因此以气为基础的竖炉工艺目前在国内市场占比较小。这意味着，国内钢铁行业如果想通过发展以气为基础的竖炉还原工艺来突破高炉炼铁工艺的减排瓶颈，可能需要在技术、设备、操作工艺等方面做出一些努力，一切都要从头开始，需要相对较高的工艺转换成本。

3.3 国内氢气炼钢推广路线：短期内应以高炉富氢为主，未来应逐步推广以气基立炉富氢

灰氢+高炉富氢工艺，可以提高高炉氢含量，是现阶段我国应推广的氢气炼钢工艺。

目前国内仍以高炉炼铁长流程为主，而以气为主的竖炉还原工艺，如前文所述，氢气炼钢虽然减排潜力较大，但需要较大的工艺转换成本。国内氢气炼钢发展仍应以高炉富氢工艺为主，焦炉煤气、高炉顶煤气的收集回收利用，不仅能达到减排效果，提高碳的利用效率，还能在一定程度上增加产量，带来经济效益，是现阶段比较经济的减排手段。

气基立炉直接还原炼铁工艺更加适合氢气炼钢，在国内市场的份额将逐步提高。

尽管基于天然气的垂直炉工艺尚无中国大规模发展的条件，但我们认为以下趋势将在未来为其发展创造条件：

①随着家用废品钢的可用性增加，家用电弧炉的比例将增加，可以在带有废钢的电弧炉中使用，以突破纯钢铁生产的产品限制，提高生产力和成本，并完全替换废料作为电弧炉的主要原料；

②电力价格的持续下降。

③ The of gas-based to . In the , with the scale-up of new power, its power cost will be , and the cost of green will also drop , even lower than the cost of gas or coal. This will the of the high -based . The gas-based is to skip the coal gas-gas-based and the -gas-based . , in the new and the chain , the steel first some in gas-based . Since this is used , the also needs to be from , and the of is also . If the steel only to after the chain , it will put the steel in a very .

电价和煤炭资源优势的地区和钢铁公司首先可以开发基于天然气的垂直炉减少技术。

由于绿色氢的成本仍然相对较高，因此，当前的国内直接减少过程中的气体主要来自煤炭，因此，在电力价格低下的地区和廉价的煤炭资源中，煤炭的成本相对较低。

简而言之，在未来的时间里，国内钢铁行业仍将由长期进程的技术主导，而能源保存和排放量也应基于爆炸炉 +转换器的设备。凭借电价和煤炭资源的优势，将来积累了技术炼钢 废钢与生铁所占比例，才能和其他经验，为中国的大规模发展铺平了道路。

4国内氢钢业实践：大型钢铁团体开始积极部署

4.1高炉氢富集：实施实体和设计量表主要是“小”，而Bayi钢铁项目将扮演示范角色

早在1960年代，中国就尝试了Benxi Steel的爆炸炉的测试结果。爆炸炉。注入的焦炭气可以节省0.6-0.7kg的可乐。

目前，一些企业已经进行了或计划通过爆炸炉氢富集工艺来改变现有的爆炸炉，例如：

一些位于煤炭富裕地区的钢铁公司已经开始为基于天然气的还原工厂进行建设或初步准备，例如：

此外，和还计划促进基于气体的垂直炉子较低的降低过程，因为煤炭资源的优势并不重要，但是该组具有强大的整体财务和科学研究力量，它在氢化过程的选择方面取得了长足的进步。

总体而言，国内钢铁公司长期以来一直在练习氢气，但是在工业化的早期阶段，钢铁公司的钢铁公司是小规模和实验性的钢铁公司。进行项目，但实施规模并不是特别大。

基于气体的垂直熔炉制造比爆炸氢富集更为活跃，但它也处于相对较早的阶段。先进的计划更全面和系统性，这将为后续的钢铁公司提供一个很好的机会，以低碳转型为指导。