2023年6月CSDRI自然資源保護(hù)協(xié)會(NRDC)是一家國際公益環(huán)保組織，成立于NRDC自上個世紀(jì)九十年代中起在中國開展環(huán)研究，介紹和展示最佳實踐，以及提供專業(yè)支持等方式，促進(jìn)循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展。NRDC在北京市公安CSDRI冶金工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心(簡稱冶金經(jīng)研中心)——鋼鐵行業(yè)國家級智庫，研究涉及產(chǎn)業(yè)發(fā)展內(nèi)在規(guī)律、產(chǎn)業(yè)政策、發(fā)展環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、前沿技術(shù)及工藝流程、產(chǎn)業(yè)鏈整合、環(huán)境與能源、企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及規(guī)劃等專業(yè)領(lǐng)域，長期為政府、行業(yè)和企業(yè)提供以應(yīng)用對策研究為主的跨學(xué)科系統(tǒng)綜合的決策冶金經(jīng)研中心是中國鋼鐵行業(yè)低碳工作委員會成員單位，致力于行業(yè)低碳發(fā)展、企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型和競爭力提升，聚焦低碳政策制定與解讀、低碳路徑、低碳規(guī)劃、低碳技術(shù)評價、綠色產(chǎn)品研究機(jī)構(gòu)、金融機(jī)構(gòu)等完成多項綠色低碳相關(guān)課題研究和項目本研究報告所用數(shù)據(jù)均來源于統(tǒng)計年報、統(tǒng)計年鑒及其它公開信息。可能存在因信息收集不完善、不及時而產(chǎn)生偏差。研究團(tuán)隊、資助機(jī)構(gòu)和發(fā)布機(jī)構(gòu)不保證信息及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。研究報告內(nèi)容僅代表研究團(tuán)隊以綠氫經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定供應(yīng)和氫冶不構(gòu)成財務(wù)、法律、投資建議、投資咨詢意見或其他意見，對任何因直接或間接使用本報告涉及的信息和內(nèi)容或者據(jù)此進(jìn)行投資所造成的一切后果或損失，研究團(tuán)隊、資助機(jī)構(gòu)和發(fā)布機(jī)《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》執(zhí)行摘要《山東省“十四五”重點耗煤行業(yè)減煤路徑研究》《雙碳目標(biāo)下的五大發(fā)電集團(tuán)發(fā)電業(yè)務(wù)低碳轉(zhuǎn)型研究》《“雙碳”與空氣質(zhì)量改善雙目標(biāo)下的安陽市中長期控煤路徑研究》《“雙碳”背景下河南省電力行業(yè)中長期控煤路徑研究報告》《碳達(dá)峰與碳中和背景下山東電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型路徑研》執(zhí)行摘要《內(nèi)蒙古煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)綠色轉(zhuǎn)型研究》摘要報告《霍林郭勒產(chǎn)業(yè)園綠色低碳發(fā)展研究》(簡本)《內(nèi)蒙古典型城市煤炭消費(fèi)與大氣質(zhì)量的關(guān)聯(lián)分析及政策建議》《內(nèi)蒙古采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)與可再生能源利用研究》《“十四五”山西省非煤經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究》《碳達(dá)峰碳中和背景下山西煤電行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展研究》《碳達(dá)峰碳中和背景下山西焦化行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展研究》《中國典型省份煤電轉(zhuǎn)型優(yōu)化潛力研究》《碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)約束下重點行業(yè)的煤炭消費(fèi)總量控制路線圖研究》《中國典型省份煤電轉(zhuǎn)型優(yōu)化潛力研究執(zhí)行摘要》《碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)約束下重點行業(yè)的煤炭消費(fèi)總量控制路線圖研究執(zhí)行摘要》《碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)約束下水泥行業(yè)的煤炭消費(fèi)總量控制路線圖研究》《碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)約束下電力行業(yè)的煤炭消費(fèi)總量控制路線圖研究》《碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)約束下鋼鐵行業(yè)的煤炭消費(fèi)總量控制路線圖研究》《碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)約束下煤化工行業(yè)煤炭消費(fèi)總量控制路線圖研究》《山西省“十四五”煤炭消費(fèi)總量控制政策研究》《“十四五”電力行業(yè)煤炭消費(fèi)控制政策研究》《新冠疫情后的中國電力戰(zhàn)略路徑抉擇：煤電還是電力新基建》《中國散煤綜合治理研究報告2020》《“十三五”時期重點部門煤控中期評估及后期展望》《“十三五”電力煤控中期評估與后期展望》《中國煤控項目“十三五”中期評估與后期展望研究報告》《中國實現(xiàn)全球1.5℃目標(biāo)下的能源排放情景研究》《持續(xù)推進(jìn)電力改革提高可再生能源消納執(zhí)行報告》面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究1我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展目標(biāo)，已經(jīng)從全面建成小康社會到了開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的新征程。在今后30年的新征程中，高質(zhì)量發(fā)展是首要任務(wù)，這對鋼鐵行業(yè)發(fā)展提出了新要求，不僅要為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)原材料保障，還需要在行業(yè)運(yùn)行中體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、生態(tài)性和安全性?！皽p污降碳”是鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、落實生態(tài)文明理念的必然選擇。當(dāng)前主流的長流程鋼鐵冶煉工藝是以煤炭作為主要能源和還原劑，生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生大量的二氧化碳。因此，基于當(dāng)前傳統(tǒng)工藝技術(shù)的創(chuàng)新改進(jìn)難以實現(xiàn)本報告分析氫冶金工藝對我國鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的潛力和發(fā)展路徑。首先對當(dāng)前至2060年的鋼鐵需求和產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測，并總結(jié)我國鋼鐵行業(yè)碳排放量、主要減排工藝、氫冶金工藝在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀；在分析影響氫冶金發(fā)展的關(guān)鍵因素基礎(chǔ)上，提出了中國圖并對發(fā)展氫冶金提出政策建議。未來鋼鐵生產(chǎn)的規(guī)模對碳排放量有很大影響，而鋼鐵需求主要受經(jīng)濟(jì)因素、工業(yè)化程度因素、城鎮(zhèn)化因素、人口等多種因素影響。隨著我國經(jīng)濟(jì)增長由高速轉(zhuǎn)為中速、發(fā)展階段從工業(yè)化后期逐步進(jìn)入后工業(yè)化期、城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)入成熟階段、人口老齡化問題愈加突出，預(yù)計鋼鐵需求的增長將停滯，并呈現(xiàn)緩慢波動式下降。本研究借鑒發(fā)達(dá)國家結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，對我國鋼鐵需求進(jìn)行了預(yù)測(圖1)。210.0010.00面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究0.00202120252030203520402045205020552060表觀消費(fèi)量人均鋼消費(fèi)量0億噸億噸基于對鋼鐵長期需求的預(yù)測結(jié)果，并考慮到鋼材凈出口因素，預(yù)測我國鋼產(chǎn)量到2060年實現(xiàn)“碳中和”時，將從2020年的10.65億噸(“碳達(dá)峰”平臺期水平)降至5.69億噸。這一減量趨勢將有助于減少鋼鐵行業(yè)的碳排放量(圖2)。02020202520302035204020452050205520603氫基直接還原廢鋼方坯氫基直接還原廢鋼方坯工藝作為世界粗鋼產(chǎn)量第一大國，我國鋼產(chǎn)量占世界的一半以上，2020年突破10億噸。全國鋼鐵行業(yè)的碳排放量占全國排放總量的比例約為15%。當(dāng)前，我國主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是高爐-轉(zhuǎn)爐長流程，即鐵礦石和焦炭在高爐煉鐵，鐵水再用轉(zhuǎn)爐煉成鋼。這種生產(chǎn)工藝流程決定了制造過程較高的碳排放強(qiáng)度。較低碳排放的技術(shù)包括廢鋼電爐冶煉短流程、高爐富氫冶煉、氫基直接還原鐵(DRI)+電爐工藝等，其中，全廢鋼電爐綠電冶煉工藝、綠氫冶金+電爐綠電冶煉兩大路徑是實現(xiàn)近零排放的最終舉措。序>90%1.8-2.5高爐(1.5tCO2/t-s，占比70%-90%)<10%0.4-0.6氣基豎爐(0.5tCO2/t-s，占比52%)高爐富氫冶煉 轉(zhuǎn)爐高爐板高爐連鑄豎爐電弧連鑄豎爐大方坯氫基熔融還原熔融還原4面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究當(dāng)前，氫冶金技術(shù)均處于探索和示范階段，高爐富氫冶煉由于改造成本較低、富氫氣體易獲取，可操作性強(qiáng)，被認(rèn)為是現(xiàn)階段“碳冶金”到“氫冶金”的重要過渡。一般認(rèn)為高爐富氫還原的潛在碳減排幅度為10%-30%，碳減排潛力有限，并不能實現(xiàn)“近零碳排放”。目前，高爐富氫冶煉的工藝示范通常采用易獲得的富氫焦?fàn)t煤氣或者提純后的氫氣(所謂“灰氫”)。焦?fàn)t煤氣是煉焦工序的副產(chǎn)氣體，氫氣含量60%以上(即富氫氣體)，長流程自身就可以在煉焦過程生產(chǎn)足夠的氫氣支撐其富氫冶金，不會額外增加碳排。隨著綠氫(可再生能源或其他非化石能源制氫)制備規(guī)?；统杀境掷m(xù)降低，高爐富氫冶煉也可以逐步使用更多的綠氫。預(yù)計2030年之前，高爐富氫冶煉技術(shù)將取規(guī)模應(yīng)用條件。2030年之后，高爐富氫冶煉技術(shù)有望迅速推廣。氫基直接還原鐵技術(shù)采用氫氣代替一氧化碳作為氧化鐵的還原劑，還原反應(yīng)生成的是水而非二氧化碳，因此是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡吞家苯鸺夹g(shù)。但是這一技術(shù)的劣勢是，純氫氣與鐵礦石反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，完全代替燃料煤炭后系統(tǒng)內(nèi)熱量無法互補(bǔ)，因此延緩還原反應(yīng)。氫基直接還原技術(shù)目前尚處于研發(fā)試驗階段。綜合各國研發(fā)進(jìn)展，我們預(yù)計，離的安全儲運(yùn)，氫源供需的合理配置等。本報告簡要介紹了目前國內(nèi)外主要氫冶煉實驗示范項目。高爐富氫冶煉方面的項目有日本2008年啟動的環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)項目(COURSE50)、韓國2017年12月啟動的“以高爐副生煤氣制備氫氣實現(xiàn)碳減排技術(shù)”(COOLSTAR)課題、德國為基礎(chǔ)的富氫碳循環(huán)氧氣高爐(HyCROF)以及興國精密與上海大學(xué)合作開發(fā)的氫冶金低REX的氫直接還原鐵項目、中國中晉冶金的豎爐項目(CSDRI)、瑞典鋼鐵公司的突破性氫煉鐵技術(shù)(HYBRIT)豎爐項目、德國薩爾茨吉特公司(Salzgitter)的名為SALCOS江氫基豎爐項目以及河鋼氫冶金示范項目。報告也介紹了兩個氫基熔融還原項目，分別是奧地利聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)的名為H2FUTURE的綠氫項目，以及中國建龍集團(tuán)在內(nèi)蒙古烏海的賽思普科技?xì)浠廴谶€原流程(CISP)項目。氫基熔融還原等主流技術(shù)，且在理論和實踐上都已取得了顯著進(jìn)展。河鋼集團(tuán)120萬噸氫冶金示范工程一期全線貫通，建成全球首套工程級別的氫基豎爐；寶武富氫碳循環(huán)氧氣高爐(HyCROF)取得重大技術(shù)突破，完成了全氧冶煉工況條件的工業(yè)化試驗，技術(shù)步乃至全球鋼鐵行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型做出了突出貢獻(xiàn)。5綠色經(jīng)濟(jì)化制氫和安全規(guī)?；脷涫前l(fā)展氫冶金的關(guān)鍵因素。首先，“以氫代碳”2年3月，國家發(fā)展改革委員會和國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，并提出氫能的發(fā)展目標(biāo)：到2025年，可再生能源制氫量達(dá)到10-20萬噸/年；到2030年，形成較為目前我國氫氣產(chǎn)量約為3300萬噸，主要以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦?fàn)t煤氣、煉廠干氣等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%。通過使用可是未來發(fā)展方向。但是目前成本高、技術(shù)壁壘高、僅處于示范性工程的導(dǎo)入階段。近中鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。其次，氫能規(guī)?；踩?、經(jīng)濟(jì)儲運(yùn)是另一個關(guān)鍵因素。目前運(yùn)氫方式最為成熟的是高壓長管拖車的方式，適合在城市內(nèi)運(yùn)輸，滿足短途內(nèi)輸氫的需求。低溫液氫運(yùn)輸?shù)奶烊粴鈸交鞖錃廨斶\(yùn)方式，與新建純氫輸氫管道相比更具經(jīng)濟(jì)性，值得關(guān)注。未來，隨著東部等發(fā)達(dá)地區(qū)氫氣需求增長，利用西北地區(qū)的可再生電力資源制取氫氣，摻入天然經(jīng)濟(jì)性是制約鋼鐵行業(yè)氫冶金推廣發(fā)展的又一關(guān)鍵因素，而影響氫冶金經(jīng)濟(jì)性的可變因素主要是氫氣成本及碳排放成本。當(dāng)隨著技術(shù)進(jìn)步制氫成本逐漸降低，同時企業(yè)為碳排放支付一定費(fèi)用時，氫冶金才能顯示成本優(yōu)勢。我們按電解1000m3綠氫需要4500度(kWh)電、電力成本占總成本70%的情況，測算碳冶金和氫冶金成本相當(dāng)時的元/噸時，綠氫價格需要低于15.02元/kg、綠電價格需要低至0.208元/kWh以下，而碳排放成本需要達(dá)提供足夠動力。6面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究成本平衡點962.210010.810.1501024.715011.510.1591087.220012.220.1691149.725012.920.1791212.230013.620.1891274.735014.320.1981337.240015.020.208以國家“雙碳”目標(biāo)為指引，綜合考慮到2060年鋼產(chǎn)量變化趨勢、中國鋼鐵協(xié)會發(fā)布的鋼鐵工業(yè)“雙碳”愿景、國內(nèi)外氫冶金技術(shù)研發(fā)進(jìn)度、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景、碳冶金與氫冶金生產(chǎn)成本，并結(jié)合我國廢鋼資源供給等因素，我們對我國氫冶金發(fā)展路線提：現(xiàn)在到2030年進(jìn)穩(wěn)步實現(xiàn)碳達(dá)峰，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降15%。集中攻關(guān)高爐富氫冶煉技術(shù)和純氫基直接還原技術(shù)，以及相應(yīng)的軟硬件；爭取高爐富氫技術(shù)取得突破性成果，開展高爐富氫冶煉技術(shù)的示范項目；有條件的鋼鐵企業(yè)應(yīng)率先開展高爐噴氫改造，富氫高爐產(chǎn)能占比達(dá)到15%；深化焦化行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，取消焦化產(chǎn)能轉(zhuǎn)移限制，以市場化為原則，按鋼焦比0.4，向鋼鐵企業(yè)配置焦化產(chǎn)能；新建改造焦?fàn)t增加氫制備裝置，為下一步高爐富氫冶煉技術(shù)應(yīng)用打下基礎(chǔ)；有條件的氫冶實現(xiàn)深度脫碳，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降55%。集中攻關(guān)純氫基直接還原技術(shù)及氫基直接還原裝備國產(chǎn)化、大型化；純氫直接還原噸鋼減碳95%(較2020年)?純氫基豎爐+綠電電爐短流程鋼產(chǎn)量占比3噸鋼減碳95%(較2020年)?純氫基豎爐+綠電電爐短流程鋼產(chǎn)量占比35%；?富氫高爐(廣泛應(yīng)用CCUS技術(shù))+轉(zhuǎn)爐長流程占比15%；?全廢鋼綠電電爐占比?鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排量約1億噸/年，需要利用CCUS或碳匯，實現(xiàn)?需氫量784萬噸。1當(dāng)前-2030年噸鋼減碳55%(較2020年)自產(chǎn)氫應(yīng)用盡用，富氫高爐產(chǎn)能占比超過60%；全面完成自有焦?fàn)t的氫制備裝置改造，鋼鐵行業(yè)需氫總量占比達(dá)到30%以上。突破沖刺極限降碳，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降85%。焦減少，焦炭產(chǎn)量下降，自有氫產(chǎn)量相應(yīng)減少，需要外部大量的綠氫補(bǔ)充供應(yīng)，綠氫供應(yīng)量占鋼鐵產(chǎn)業(yè)需氫總量的85%。鋼鐵企業(yè)與綠電、綠氫供應(yīng)商緊密結(jié)合，共建產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，耦合發(fā)展；全面完成富氫高爐改造；有條件的鋼鐵企業(yè)發(fā)展應(yīng)用CCUS技術(shù)。第四階段：2050年到2060年展助力碳中和，噸鋼碳排放強(qiáng)度較2020年下降95%。進(jìn)一步提升豎爐+綠電電爐短流程鋼產(chǎn)量占比；最終形成純氫基豎爐+綠電電爐短流程鋼產(chǎn)量占比35%，富氫高爐(廣泛應(yīng)用CCUS技術(shù))+轉(zhuǎn)爐長流程占比15%；全%的生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)。屆時，鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排量還有約1億噸/年，需要進(jìn)一步推進(jìn)CCUS，或通過碳匯，實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。圖4顯示了氫冶金發(fā)展路線圖和相關(guān)發(fā)展指標(biāo)；圖5顯示了以2020年至2060年三種工藝路線的鋼產(chǎn)量預(yù)測；圖6顯示了2020年至2060年三種工藝路線生產(chǎn)鋼的碳?xì)浠苯舆€原的氫需求量。42050-2060年332040-2050年22030-2040年22030-2040年噸鋼減碳85%(較2020年)?大力推廣純氫基直接還原技術(shù)，加快高爐-轉(zhuǎn)爐噸鋼減碳15%(較2020年)?高爐富氫技術(shù)取得突破性成果；?富氫高爐產(chǎn)能占比達(dá)到15%；?需氫量290萬噸。?純氫直接還原技術(shù)取得突破性成果；?氫基直接還原裝備國產(chǎn)化、?富氫高爐產(chǎn)能占比超過60%；?自有焦?fàn)t全面完成氫制備?鋼鐵企業(yè)適度發(fā)展再生能發(fā)電及綠氫制備項目。長流程制鋼向純氫基豎爐+電爐短流程制鋼轉(zhuǎn)?純氫基豎爐+電爐短流程制鋼產(chǎn)能占比達(dá)到25%；?綠氫供應(yīng)量占鋼鐵產(chǎn)業(yè)需氫總量的85%。?全面完成富氫高爐改造；?有條件的鋼鐵企業(yè)發(fā)展?需氫量512萬噸。應(yīng)用CCUS技術(shù)。?需氫量713萬噸。8642086420面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究2040年2050年2060年全廢鋼電爐產(chǎn)量高爐-轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量氫基直接還原+電爐鋼產(chǎn)量864202020年2030年2040年2050年2060年全廢鋼電爐鋼碳排放量高爐-轉(zhuǎn)爐鋼碳排放量氫基直接還原碳排放量98高爐-轉(zhuǎn)爐鋼需氫量氫基直接還原需氫量02030年2040年2050年高爐-轉(zhuǎn)爐鋼需氫量氫基直接還原需氫量全廢鋼電爐鋼需氫量首先，由于氫冶金僅僅是氫能在工業(yè)、交通、電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用中的一個領(lǐng)域，而穩(wěn)定、充足、廉價的綠氫和綠電供給對鋼鐵行業(yè)大力發(fā)展氫冶金至關(guān)重要。因此需推和保障措施，加強(qiáng)統(tǒng)籌銜接。其次，建議鋼鐵行業(yè)納入全國統(tǒng)一碳市