氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展對(duì)鋼鐵行業(yè)的影響及發(fā)展建議

□ 孫澤輝 李晉巖 彭 鋒 繆 駿

氫能是被公認(rèn)為最理想的清潔能源，是未來能源發(fā)展格局中的關(guān)鍵組成部分。伴隨全球氣候變化壓力持續(xù)增大，同時(shí)疊加氫能生產(chǎn)和利用技術(shù)的日臻成熟，全球?qū)洚a(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)注度日益高漲，美國(guó)、歐洲等西方發(fā)達(dá)國(guó)家相繼將氫能產(chǎn)業(yè)提升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度。2016年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等部門聯(lián)合發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》明確提出了能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新的行動(dòng)路線圖，“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”也被納入其中，標(biāo)志著氫能產(chǎn)業(yè)上升到國(guó)家能源戰(zhàn)略。

一、氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀

氫能產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)，涵蓋制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，直至氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用：如加氫站、燃料電池、固定電站、基礎(chǔ)石化工業(yè)等，并涉及一些重要材料和關(guān)鍵零部件的高端制造業(yè)。該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有助于提升我國(guó)綠色制造業(yè)發(fā)展水平及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1.氫的制備

制氫技術(shù)是氫能大規(guī)模應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，主要分為以化石能源為主原料的傳統(tǒng)制氫技術(shù)，以及以電、生物質(zhì)和核能為能源的新型制氫技術(shù)[1]，傳統(tǒng)制氫存在高污染、高能耗的缺陷，隨著環(huán)保壓力日益增大，新型制氫技術(shù)也越來越受到重視，但產(chǎn)業(yè)化規(guī)模及應(yīng)用較少，尚存在諸多技術(shù)瓶頸，具體詳見表1。

表1 制氫技術(shù)匯總表

如表1所示，預(yù)計(jì)天然氣和煤氣化制氫技術(shù)在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍是主流制氫技術(shù)，核能制氫、可再生能源發(fā)電制氫及生物質(zhì)氣化制氫等大都處于研究實(shí)驗(yàn)或中試階段，大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較少，亟需取得突破性進(jìn)展。尤其是核能制氫技術(shù)，潛力最大，在完善核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)建設(shè)方案、控制能耗和建設(shè)成本后，有望成為未來的主流制氫技術(shù)。

2.氫運(yùn)輸、儲(chǔ)存體系

截至2017年底，全球鋪設(shè)輸氫管道共計(jì)4 200 km；其中，美國(guó)2 400 km，歐洲1 500 km，位于法國(guó)和比利時(shí)之間的氫氣管道長(zhǎng)度達(dá)400 km。國(guó)內(nèi)的氫氣輸送方式主要有高壓氣態(tài)、液態(tài)氫和管道輸送，在高壓（35 MPa、77 MPa、98 MPa）氣態(tài)氫的固定容器、氣瓶在制造能力和運(yùn)行管理方面經(jīng)驗(yàn)已具備基礎(chǔ)條件，并發(fā)布了相應(yīng)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)。但氫氣長(zhǎng)輸管道的建設(shè)仍處于起步階段，只有少部分地區(qū)建成并運(yùn)營(yíng)。目前，已有多條約50 km、2.0～4.0 MPa的輸氫管道正在運(yùn)行中，管道內(nèi)徑約400 mm。總體而言，仍需要持續(xù)攻關(guān)建設(shè)長(zhǎng)距離、高壓力的“規(guī)?！陛敋涔芫€?！吨袊?guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》指出：2030年實(shí)現(xiàn)管道及其他方式儲(chǔ)存、管道運(yùn)輸；2050年實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離管道輸送，建立安全、可靠的氫能儲(chǔ)存及運(yùn)輸體系。

儲(chǔ)存體系關(guān)鍵的一環(huán)是加氫站，核心設(shè)備主要有氫氣儲(chǔ)罐、氫壓縮機(jī)、加氫機(jī)及其公輔配套系統(tǒng)等。截至2018年底，中國(guó)已建成加氫站24座，主要分布在北京、上海、深圳、鄭州和武漢等城市，日加氫能力大多介于200～500 kg，以示范為主。截至2020年，世界加氫站預(yù)計(jì)累計(jì)超過515座，2025年預(yù)計(jì)高達(dá)1 330座[2]。世界各地主要加氫站的運(yùn)營(yíng)規(guī)劃如表2所示。

表2 世界各地主要加氫站規(guī)劃 單位/座

3.氫能應(yīng)用

在全球持續(xù)變暖、能源亟需轉(zhuǎn)型的大背景下，擁有來源多元、綠色低碳、靈活高效、用途廣闊等諸多優(yōu)點(diǎn)的氫能，被很多國(guó)家列入能源戰(zhàn)略部署，其中氫燃料電池是各國(guó)最主要的發(fā)力點(diǎn)。

在氫燃料電池領(lǐng)域，歐美日韓處于領(lǐng)先地位。其中，日本處于絕對(duì)領(lǐng)先，而且技術(shù)最為全面，其將擴(kuò)大固定燃料電池和增加燃料電池汽車的使用率作為發(fā)展重點(diǎn)，以占據(jù)氫燃料電池市場(chǎng)領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；蜕虡I(yè)化，到2030年，可使氫加入傳統(tǒng)的“電、熱”能源，構(gòu)建全新的二次能源結(jié)構(gòu)；美國(guó)將氫能和燃料電池確定為國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮的重要技術(shù)之一，主要目標(biāo)有3個(gè)，即從現(xiàn)有的和將來的資源中獲取氫能、自由汽車計(jì)劃、燃料電池研究；德國(guó)更關(guān)注燃料電池在車輛上的應(yīng)用，并在商業(yè)化方面取得突破，活躍在這一領(lǐng)域的公司與科研機(jī)構(gòu)超過350家；韓國(guó)主要有氫能制備、貯運(yùn)和利用3方面的規(guī)劃，目前已經(jīng)進(jìn)入實(shí)施應(yīng)用階段，尤其是燃料電池便攜式應(yīng)用。

相比世界其他國(guó)家的氫燃料電池汽車商業(yè)化階段，我國(guó)氫燃料電池汽車大概落后5～10年，尚處于工程化開發(fā)階段，雖然部分關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)目不少，但掌握的核心技術(shù)極少，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚未完善，成本居高不下。

二、氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)鋼鐵行業(yè)影響

鋼鐵企業(yè)既是產(chǎn)氫企業(yè)，又是用氫單位。近年來，國(guó)內(nèi)氫冶金工業(yè)化迎來了快速發(fā)展期。同時(shí)，由于鋼鐵企業(yè)在新材料上的積累，使其能夠涉足燃料電池雙極板、儲(chǔ)氫罐等細(xì)分領(lǐng)域，并紛紛在氫能領(lǐng)域布局。

1.氫冶金產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀

氫冶金，廣義而言就是氫還原煉鐵法，即利用氫氣替代部分或全部的煤或焦炭，作為還原劑，將鐵素資源從礦石中還原出來，根據(jù)添加氫氣工藝的不同，主要有高爐氫氣還原和直接還原（生產(chǎn)DRI）。

（1）富氫高爐煉鐵

2015—2017年，日本環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（COURSE50），采用焦?fàn)t煤氣（氫氣55%和甲烷23%～27%），通過改質(zhì)將其氫含量提高到65%左右，在新日鐵住金君津廠內(nèi)爐容為12m3的試驗(yàn)高爐上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，氫還原煉鐵法比傳統(tǒng)高爐煉鐵減排二氧化碳達(dá)10%[3]。2019年11月11日，德國(guó)蒂森克虜伯鋼鐵集團(tuán)正式將氫氣通過1個(gè)風(fēng)口注入杜伊斯堡鋼廠的9號(hào)高爐中，后續(xù)逐漸擴(kuò)展至該高爐全部28個(gè)風(fēng)口。

（2）氫直接還原鐵

山西中晉太行礦業(yè)公司與伊朗MME公司簽署戰(zhàn)略合作，引進(jìn)氣基法直接還原煉鐵工藝技術(shù)和設(shè)備，在太行老區(qū)龍泉產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新示范園建設(shè)投產(chǎn)30萬噸級(jí)直接還原鐵項(xiàng)目。該項(xiàng)目計(jì)劃2020年初投產(chǎn)，延伸了產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建了焦?fàn)t煤氣制還原鐵—還原鐵粉—粉末冶金的新型產(chǎn)業(yè)鏈。北京建龍集團(tuán)于2019年9月開工建設(shè)年產(chǎn)30萬噸熔融還原法高純鑄造生鐵項(xiàng)目，計(jì)劃2020年9月底實(shí)現(xiàn)試生產(chǎn)。該項(xiàng)目利用副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣，通過熔融還原制備高純鑄造生鐵。

2.鋼鐵企業(yè)氫產(chǎn)業(yè)鏈布局

借助氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機(jī)，有利于鋼鐵產(chǎn)業(yè)完成技術(shù)轉(zhuǎn)型與業(yè)務(wù)拓展，追趕國(guó)際先進(jìn)冶金水平，降低行業(yè)碳排放量。目前，國(guó)內(nèi)有明確氫能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的企業(yè)8家，其中全產(chǎn)業(yè)鏈布局2家，燃料電池材料環(huán)節(jié)2家，氫能冶金4家。具體見表3。

表3 鋼鐵企業(yè)氫產(chǎn)業(yè)鏈布局匯總

氫屬于二次能源，需要利用一次能源來制備。首先，氫冶金的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)氫的大規(guī)模生產(chǎn)，即廉價(jià)、大規(guī)模且供應(yīng)穩(wěn)定的氫制備技術(shù)是目前氫冶煉工業(yè)化的瓶頸；其次，實(shí)際操作中的全新技術(shù)，如氫氣吹入、難還原礦及低品位礦石還原等技術(shù)等也亟需突破；此外，需要提前開發(fā)可儲(chǔ)藏高溫、高壓氫氣，以及在900℃以上高溫下的超耐腐蝕合金材料，保障工業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三、鋼鐵行業(yè)氫能利用展望

隨著全球氣候變暖，我國(guó)承諾二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年左右達(dá)到峰值，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，鋼鐵行業(yè)作為二氧化碳排放大戶，必然要面臨低碳發(fā)展的壓力。伴隨著節(jié)能減排技術(shù)的逐步應(yīng)用，進(jìn)一步減排的空間越來越小，氫能冶金是鋼鐵行業(yè)碳減排的重要方向，鋼鐵企業(yè)應(yīng)從以下方面重點(diǎn)發(fā)力。

1.因地制宜，充分利用區(qū)域資源稟賦優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

隨著氫產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，地方及大型鋼鐵企業(yè)紛紛開始布局，以搶占產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。鋼鐵企業(yè)要充分考慮自身技術(shù)基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)及區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)，做好前期規(guī)劃，切勿盲目跟風(fēng)。

以氫直接還原鐵為例，該生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備早已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，目前世界上正在運(yùn)行的有幾十座生產(chǎn)DRI的MIDREX豎爐、HYL-III豎爐和PERED豎爐。氫源是天然氣、石油或煤為燃料重整制成的合成氣，由于中國(guó)煤炭資源非常豐富，而天然氣資源緊缺，與美國(guó)、俄羅斯、阿拉伯國(guó)家的天然氣成本僅0.7元/m3不同，華東地區(qū)企業(yè)使用天然氣成本高達(dá)3.7元/m3，國(guó)內(nèi)無論利用天然氣、煤化工制氫還是化工副產(chǎn)供氫模式，氫能源的成本將是這些國(guó)家的2～5倍[4]。因此，鋼鐵企業(yè)要結(jié)合產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、自身發(fā)展戰(zhàn)略，精準(zhǔn)謀劃布局氫冶金產(chǎn)業(yè)。

2.布局構(gòu)建氫能-鋼鐵產(chǎn)城融合園區(qū)

鋼鐵企業(yè)在創(chuàng)建綠色冶金-氫能利用示范方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，以產(chǎn)業(yè)為依托，重點(diǎn)發(fā)展工業(yè)副產(chǎn)氫的制備、提純和氫氣液化，建設(shè)加氫站、輸氫管網(wǎng)和液氫工廠，為企業(yè)周邊提供優(yōu)質(zhì)氫源，成為區(qū)域內(nèi)主要?dú)湓垂?yīng)區(qū)；城市鋼廠可建立城市氫能社區(qū)示范點(diǎn)，在學(xué)校、醫(yī)院、商場(chǎng)等公共建筑發(fā)展氫燃料電池分布式發(fā)電、供熱，在條件成熟的居民小區(qū)布局氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供裝置系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)氫能-鋼鐵產(chǎn)城融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)鋼鐵使城市更美好，促進(jìn)企業(yè)、城市和區(qū)域和諧共生。

3.加強(qiáng)與汽車產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，開拓高端裝備材料市場(chǎng)

長(zhǎng)遠(yuǎn)看，氫燃料電池將從新能源汽車、分布式發(fā)電等領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)力[5]，新能源汽車是國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心戰(zhàn)略方向，汽車行業(yè)更是鋼鐵企業(yè)重要的下游客戶之一。鋼鐵聯(lián)合企業(yè)可發(fā)揮產(chǎn)線優(yōu)勢(shì)，高效分離富產(chǎn)煤氣或煤氣化制氫，成為氫氣的生產(chǎn)商和供貨方；先期介入氫源儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)妊b備材料的研發(fā)與生產(chǎn)，成為高端裝備原材料服務(wù)商，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)從動(dòng)力到結(jié)構(gòu)材料的全覆蓋，增強(qiáng)與汽車產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，提升綠色水平及競(jìng)爭(zhēng)力。