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近两个月来，河钢集团张宣高科科技有限公司的氢冶金示范项目迎来一批批参观者。
该示范工程一期于去年12月全线贯通，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生产。
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，位于张家口市宣化区的河钢集团张宣高科科技有限公司氢冶金项目现场，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。
2022年12月，张宣科技120万吨氢冶金示范工程一期全线贯通，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。”张宣科技氢冶金作业区作业长吕志敏一边说，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。”吕志敏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张宣科技技术中心副主任李洋感受颇深。
“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，李洋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。
为了将减排效果做到极致，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，吕志敏告诉笔者，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，吕志敏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。吕志敏表示，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，张宣科技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。
这是一种用于制作高端模具的绿色钢材，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。
DRI产品正好能满足这一点。据测算，张宣科技DRI产品金属化率达94%，纯度高、品质好，可作为生产高端产品的高品质洁净原料。
“通过配加DRI产品，我们生产的高品质模具钢，铜、镍等残余元素含量低于全废钢冶炼工艺控制水平，磷、硫等有害元素远低于传统工艺，无论是成分指标还是性能指标，都达到行业领先水平。”张宣科技特材研制公司特冶区作业长柳金瑞说。
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。柳金瑞说，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，最高售价近4万元/吨。”
模具钢是张宣科技高端特材产品的一种。如今，以氢冶金提供的高品质DRI为基础，张宣科技瞄准特种钢材，在内燃机用热端材料、航空航天及军工级特种合金、高端模具材料等方向发力，寻求产品转型升级，竞争高端市场。
事实上，在今天的市场环境下，氢冶金不仅是张宣科技主动寻求转型的基础，更是需求端对产品的必然要求。
8月4日采访当天，张宣科技的一位工作人员告诉笔者，近日，我国首卷应用高品质高比例氢冶金洁净原料，也就是张宣科技DRI产品生产的低碳汽车用钢，在河钢集团唐钢公司下线并检验合格后，已向德国宝马集团提供数据包，正式开启材料认证。
河钢与宝马的合作源自2022年8月双方签署的一份《打造绿色低碳钢铁供应链合作备忘录》，根据备忘录，宝马成为河钢绿色低碳钢铁的第一家客户，从今年中期开始，宝马沈阳生产基地量产车型将逐步使用河钢的低碳汽车用钢。
“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。”李洋说，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。
对众多钢铁企业而言，如果不能转变生产工艺，生产低碳“绿钢”，很可能损失大量客户，影响企业未来的发展。而对张宣科技来说，“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，让绿色高端制造的含金量更高。”李洋说。
引领未来行业发展风向标
8月3日，一家山东的钢铁企业前来张宣科技参观氢冶金项目，参观者们围绕工艺流程能不能打通，在实践当中遇到哪些卡阻，生产出的DRI产品质量如何等问题进行了详细咨询。
5月以来，张宣科技氢冶金项目实现连续生产后，到此参观学习的人越来越多，参观者中不乏政府部门、科研院所，更多还是钢铁业的同行。
“我们的氢冶金项目在行业内引起了不小震动，许多同行到此参观交流，研究复制该项目的可行性。”李洋说。
在李洋看来，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，必须摒弃原有思路，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。”李洋说。
张宣科技氢冶金公司副总经理李晓兵同样看好氢冶金未来的前景，他认为，氢冶金技术已经具备了在我国生存的土壤。
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。”李晓兵说。
谈及钢铁企业对氢冶金的接受度，李晓兵表示，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，除了张宣科技的氢冶金项目，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。此外，山西中晋冶金科技有限公司也对氢冶金项目进行了成功尝试。
在我省，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世纪最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”基地等一批国家级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。
张家口作为国家级可再生能源示范区，风能、太阳能资源十分丰富。坐拥地利之便，目前张宣科技已经开始绿电领域的探索，其中，张宣科技首个新能源项目——4MWp屋顶分布式光伏发电工程已建成投运，龙烟新能源生态园区正在建设总装机规模100MW的风光互补发电项目。
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。
来源：河北日报
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