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摘要：應用冶金焦爐煤氣提取的灰氫具有較好的減碳作用。灰氫煉鐵與現有長流程工藝相比，理論上可減少碳排放20%；灰氫重卡與柴油重卡相比，理論上可減少碳排放21%。當前，氫能產業鏈技術尚不成熟，灰氫的價格并不低，綠色度不夠，焦爐煤氣制氫受到煉焦產能減少的影響。鋼鐵企業發展氫能產業，急不得也緩不得，可加速布局氫能重卡和加氫站賽道，在氫冶金方面加強技術積累，時機成熟再投資建設。

關鍵詞：焦爐煤氣；氫氣；碳減排；氫能重卡；氫冶金

一、背景

氫能是替代化石能源實現碳中和的重要選擇。氫能已經成為國際社會應對氣候變化、構建脫碳社會的重要產業方向。歐、美、日、韓等發達國家紛紛制定氫能發展路線圖，加快推進氫能產業技術研發和產業化布局。氫能產業已成為我國能源戰略布局的重要部分。

2022年3月，國家發展改革委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035 年）》， 提出逐步探索工業領域替代應用。不斷提升氫能利用經濟性，拓展清潔低碳氫能在化工行業替代的應用空間。開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發應用。探索氫能在工業生產中作為高品質熱源的應用。擴大工業領域氫能替代化石能源應用規模，積極引導合成氨、合成甲醇、煉化、煤制油氣等行業由高碳工藝向低碳工藝轉變，促進高耗能行業綠色低碳發展。“十四五”時期工業領域氫能產業創新應用示范工程：結合國內冶金和化工行業市場環境和產業基礎，探索氫能冶金示范應用，探索開展可再生能源制氫在合成氨、甲醇、煉化、煤制油氣等行業替代化石能源的示范。

《“十四五”工業綠色發展規劃》明確提出鼓勵氫能等替代能源在鋼鐵、水泥、化工等行業的應用。2021年，國內最大的鋼鐵企業集團中國寶武發布碳達峰行動方案，明確高爐富氫、氫冶金為未來六大降碳技術路徑，目前中國寶武在新疆、廣東湛江投資建設相關涉氫項目。

2022年8月，《工業領域碳達峰實施方案》提出，推動綠色低碳技術重大突破，部署工業低碳前沿技術研究，實施低碳零碳工業流程再造工程，研究實施氫冶金行動計劃。在鋼鐵行業，嚴格落實產能置換和項目備案、環境影響評價、節能評估審查等相關規定，切實控制鋼鐵產能。強化產業協同，構建清潔能源與鋼鐵產業共同體。鼓勵適度穩步提高鋼鐵先進電爐短流程發展。推進低碳煉鐵技術示范推廣。優化產品結構，提高高強高韌、耐蝕耐候、節材節能等低碳產品應用比例。到2025年，廢鋼鐵加工準入企業年加工能力超過1.8億噸，短流程煉鋼占比達15%以上。到2030年，富氫碳循環高爐冶煉、氫基豎爐直接還原鐵、碳捕集利用封存等技術取得突破應用，短流程煉鋼占比達20%以上。

2022年9月27日，鞍鋼集團氫冶金項目開工儀式在鞍鋼鲅魚圈鋼鐵基地舉行。該項目是全球首套綠氫零碳流化床高效煉鐵新技術示范項目，具有完全自主知識產權，探索低碳冶金新技術路線，對助力我國鋼鐵工業綠色低碳創新發展具有重大意義。

二、現狀

鋼鐵行業是我國能源消費大戶，其二氧化碳排放量約占全國排放總量的15%。我國鋼鐵行業主要采用高爐—轉爐長流程工藝路線，能源結構以煤炭、焦炭為主體，目前噸鋼二氧化碳排放量中煉鐵環節占70%以上，開發低碳煉鐵新技術是鋼鐵工業綠色低碳轉型發展的關鍵所在[1]。

中國高爐-轉爐工藝產鋼量約占總產量的88.4%，高于71.5%的世界平均水平；在全球前十大鋼鐵生產國家中，中國短流程占比最低。如果對高爐工藝加以改進或使用更低碳的工藝替代，雖然可以釋放巨大的減排空間，但經濟代價也相當大[2]。

(一）焦爐煤氣在鋼鐵行業主要應用場景

鋼鐵企業焦爐煤氣的應用場景主要有三類[3-4]：

一是燃燒用于加熱。這是目前最常用的方式。

二是用于氫能商用車。目前已有多個鋼鐵企業應用氫能重卡。

三是氫冶金。相比傳統碳冶金，氫冶金以氫氣為燃料和還原劑，可以使煉鐵過程碳排放大幅降低，從源頭上解決碳排放問題。

(二）鋼鐵行業和獨立焦化廠紛紛布局氫能

氫的氧化產物是水，還原鐵時不生成任何有害物質、無溫室氣體排放，全氫還原的美好愿景激勵著全球鋼企正積極開展對這一技術的研究。

從國際上看，氫冶金是當前全球鋼鐵行業技術研發的熱點，尤其在歐洲，面臨碳減排壓力，歐洲鋼鐵企業紛紛將目光聚焦在利用氫氣作為還原劑，開發氫煉鐵工藝技術，以期在鋼鐵生產中實現“氣候中性”的目標。近來，瑞典鋼鐵公司、蒂森克虜伯、德國迪林根和薩爾鋼鐵、薩爾茨吉特、安賽樂米塔爾、GFG聯盟等歐洲鋼鐵企業在氫冶金方面的項目研發取得一定進展。如瑞典的 HYBRIT 項目計劃用可再生電力生產氫，如順利，可能在2035年實現工業化。

從國內看，氫能價值的提高，越來越多的鋼企和獨立焦化企業重新審視焦爐煤氣價值，進行副產制氫。焦爐煤氣以往在鋼廠主要作為熱源用來燃燒加熱，對于獨立焦化廠主要用來供給市政燃氣。隨著國內經濟進入低碳發展時期，氫能在代碳、減碳方面的價值凸顯，越來越多的企業重新審視焦爐煤氣價值，近年來包括中國寶武、鞍鋼集團、河鋼集團等鋼鐵企業，以及中國旭陽、美錦能源、山西鄭旺等獨立焦化企業都在推進焦爐煤氣副產制氫項目。中國寶武另辟蹊徑，與中核集團、清華大學簽訂核能制氫合作項目，目前進展順利，已建成了產氫能力100標升/小時規模的臺架并實現86小時連續運行[2-3]。

三、應用焦爐煤氣提取的灰氫具有較好的減碳作用[4]

(一）灰氫煉鐵，理論上可減少碳排放20%

采用傳統的高爐煉鐵技術，噸鐵二氧化碳排放量約1.232噸。

煤熱解產生焦爐煤氣，其中氫氣的體積分數為60%左右，常用多級變壓吸附工藝從焦爐煤氣中提取高純度氫氣。煉焦過程的產品有焦炭、焦爐煤氣、焦油、粗苯等。因此，煉焦過程消耗的能源和碳排放需要按照國際標準《ISO 14044環境管理·生命周期評價 要求和導則》在產品之間進行分配。在相關文獻的數據基礎上，對電力排放因子進行了更新，煤熱解制備1公斤氫氣的碳排放量為5.48公斤，其中直接碳排放為3.05公斤，消耗電力、蒸汽、水產生的間接碳排放為2.43公斤。如采用氣氫管道輸送，每標方氫氣的耗電量不到0.1千瓦時，折合碳排放量0.0581公斤。因此，煤熱解制氫+管道輸氫的碳排放量為5.54公斤二氧化碳/公斤氫氣[5]。

按照理想的狀態，假設還原和加熱鐵礦石都采用焦爐煤氣提取的灰氫，目前還原1噸鐵大約需要500標方—550標方氫氣，加熱需要500標方氫氣，那么制備1噸直接還原鐵需要約93.75公斤氫氣，相應的碳排放量為519.38公斤二氧化碳。考慮到后續煉鋼時還需要先將直接還原鐵熔化，而熔化1噸直接還原鐵又需要耗電700千瓦時—800千瓦時，相應會增加碳排放464.8公斤二氧化碳。那么，用灰氫制備1噸直接還原鐵水，碳排放量約984.18公斤二氧化碳。

可見，制備相近品質的鐵水，即使采用灰氫，理論上仍可降低高爐工序近20%的碳排放量。

(二）灰氫重卡，理論上可減少碳排放21%

49噸柴油發動機車型百公里油耗在32升左右，1升柴油約為0.86公斤，而1噸柴油的碳足跡為3.82噸二氧化碳，那么百公里碳足跡為105公斤二氧化碳。

在相關文獻的數據基礎上，對電力排放因子進行了更新，分別測算煤炭生產、煤炭運輸、煤熱解制氫（含變壓吸附提氫）、氫氣壓縮、氣氫拖車運輸、氫氣加注環節的碳排放量，折合1公斤氫氣的碳排放量分別為1.65公斤、0.03公斤、5.48公斤、0.6391公斤、0.4648公斤、0公斤，即送到加氫站的灰氫的碳足跡為8.2639公斤二氧化碳/公斤氫氣。

通過氫燃料電池汽車的技術進步，車輛的綜合氫耗水平有望逐步下降。根據我國節能與新能源汽車技術路線圖，49噸載重量重卡的百公里氫耗將從目前的10公斤氫氣/100公里分別降至2025年的8公斤/100公里，2030年的7.5公斤/100公里水平。那么，重卡使用灰氫，當前100公里車程的碳足跡約82.639公斤二氧化碳。

可見，對于49噸載重量重卡，即使采用灰氫，理論上仍可降低單位車程的碳足跡近21%。

四、存在問題

當前，鋼鐵企業發展氫能產業，還存在一些障礙[4-6]。

一是技術尚不成熟。國內外已有試驗經驗表明，全氫直接還原技術存在客觀障礙，也存在經濟上的挑戰，暫無法實現。氫冶金技術上，需要攻克在更大容積的豎爐中開展全氫還原技術，實現規模化、高效率的生產；能源上，需要降低可再生能源制電的成本并提高穩定性。

二是灰氫的價格并不低。氫冶金方面，目前，我國大多數高爐的燃料比在530-540公斤/噸，按單位燃料價1.8元/公斤，則傳統高爐的燃料成本在954-972元/噸。據測算，焦爐煤氣制氫的綜合成本介于9~15元/公斤。那么，全氫氣煉鐵的燃料成本約1400元/噸，氫冶金的成本遠高于傳統的高爐-轉爐長流程工藝。重卡方面，49噸柴油發動機車型百公里油耗在32升左右，0號柴油價格不到8元/升，百公里油費約256元。在儲運及加注環節，長管拖車氣態儲運成本約8元/公斤，加注成本約11元/公斤。在不考慮補貼的情況下，即使按照成本價算，氫能重卡百公里耗氫的費用也要超過柴油重卡。據不完全統計，當前我國氫氣終端銷售價格為50-80元/公斤，如按照市售氫價，超過500元，遠高于柴油重卡。預計2024年前后，氫能重卡的全生命周期成本將與柴油車基本持平。

三是綠色度不夠。焦爐煤氣制氫過程產生的碳排放包括兩部分，一部分是焦爐煤氣吸附后，剩下的甲烷替代氫氣燃燒產生的碳排放，另一部分是焦爐煤氣變壓吸附提氫的能耗產生的碳排放。目前，焦爐煤氣制備氫氣，碳足跡比“清潔氫”的碳足跡4.9公斤二氧化碳/公斤氫要高出不少。

四是焦爐煤氣制氫受到煉焦產能減少的影響。自2018年發布《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》以來，國內重點地區如河北、山東、河南等地大力推進焦爐淘汰工作。根據上海鋼聯統計，截至2021年國內焦炭產能5.26億噸，2018年以來減少了4000萬噸。2021年，我國焦炭產量4.64億噸，同比減少 2.2%。“十四五”焦化行業面臨節能降碳壓力和下游鋼鐵行業產量壓減的影響，國內焦炭產量將進入平臺區，焦爐煤氣制氫將受到煉焦產能減少的影響。

五、建議

“雙碳”背景下，鋼鐵企業面臨巨大的減排壓力，同時也面臨著經濟綠色低碳轉型的壓力，應統籌好發展和減排的關系、短期目標和長期目標的關系。

快，加速布局氫能重卡賽道。柴油車對環境的影響是長期存在的突出問題。柴油車尾氣對PM2.5的貢獻很大。據統計，柴油貨車保有量雖然只占全國汽車總量的7.9%，但其一氧化碳、碳氧化合物、氮氧化物、顆粒物的排放量卻分別占汽車排放總量的10%、18.8%、60%、84.6%以上。一方面，服務自身物流運輸。鋼鐵企業物流量大，每個鋼廠都有大量汽柴油車，如河北鋼鐵集團就有兩萬多輛。另一方面，服務社會。在港口、碼頭、工業園區等區域，重型柴油車密集，如曹妃甸港、黃驊港、連云港、張家港、青島港都是重化工業聚集地區。唐山港每年有一億多噸鋼的物流量，黃驊港服務的邯鄲地區也是五、六千萬噸鋼，柴油車密集。“柴改氫”要優先在港口和港口城市開展，優先發展氫能商用物流車。

慢，在技術尚不成熟的氫冶金賽道，結合自身資源稟賦條件和技術優勢，加大研發投入，蓄勢待發，不急于投資建設。當前，無論技術成熟度還是經濟可行性，國內還不具備大規模發展氫基豎爐的條件，短期內國內仍將以長流程為主導，高爐富氫碳循環技術是國內鋼廠減少碳排放可行的方案，預計2030年左右，可能會迎來高爐富氫碳循環技術改造的高峰期；對具備電力、煤炭資源優勢的企業可先行先試開發氫基豎爐工藝，為今后國內大規模推廣積累技術、人才等經驗。未來，隨著可用廢鋼的增加、電弧爐占比的提升、綠電和綠氫變得更加低廉可及，全氫冶金將迎來較大發展空間[4-6]。

六、結語

應用焦爐煤氣提取的灰氫具有較好的減碳作用：灰氫煉鐵，理論上可減少碳排放20%；灰氫重卡，理論上可減少碳排放21%。當前，氫能產業鏈技術尚不成熟，灰氫的價格并不低，綠色度不夠，焦爐煤氣制氫受到煉焦產能減少的影響。鋼鐵企業發展氫能產業，急不得也緩不得。

參考文獻

[1]甘曉靳.可持續煉鋼——氫在鋼鐵工業未來發展潛力的戰略評估[N].世界金屬導報，2021-04-27(B14).

[2] 國家發布重磅規劃!多家鋼企全面布局![EB/OL].搜狐網,2022-03-31.

https://www.sohu.com/a/534161530_120568484.

[3] 陳程,宋紹旗,陳培敦.我國鋼企應如何融入氫能產業鏈？[EB/OL].中國鋼鐵新聞網,2021-05-28.

http://www.csteelnews.com/xwzx/jrrd/202105/t20210528_50620.html.

[4] 張建紅.鋼鐵企業發展氫能產業不能急也不能緩[N].中國改革報. 2022-11-02(07).

[5] 羅仁英.煤制氫氣生命周期碳足跡研究[D].中國石油大學碩士學位論文.2020.

[6] 張建紅.鋼鐵企業發展氫能產業,急不得也緩不得[EB/OL].新華財經-中國金融信息網,2022-10-27.

https://www.cnfin.com/cy-lb/detail/20221027/3731293_1.html.

注：本文部分內容發表在2022年10月27日新華財經客戶端，原文標題《鋼鐵企業發展氫能產業，急不得也緩不得》。本文在原文基礎上對標題、內容和結構進行了較大幅度的改動。文中圖片來源于網絡。