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世界的發(fā)展離不開元素周期表中這個(gè)排名26的不起眼元素——Fe。自公元前2500年古赫梯人第一次從來自太空的隕石中提煉出這種物質(zhì)開始，鋼鐵就始終伴隨在人類的發(fā)展過程中，4500年來，無論哪個(gè)民族，哪個(gè)國家，在其發(fā)展中都必然要用到大量的鐵元素，鋼鐵在人類發(fā)展的過去、現(xiàn)在和可預(yù)見的未來中都將一直并持續(xù)占據(jù)最重要的地位。沒有鋼鐵，就沒有現(xiàn)在的人類文明。

鐵元素在地殼中含量第四，但卻天生易被氧化，在把鐵從氧化物中還原出來的過程中，碳起到了至關(guān)重要的作用。

通常煉鐵的過程是使用焦炭作為原材料，先通過焦炭與氧氣的反應(yīng)生成一氧化碳，再用一氧化碳與鐵礦石反應(yīng)生成鐵，在這個(gè)過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳。高爐-轉(zhuǎn)爐的冶煉過程又叫長流程煉鋼，據(jù)世界鋼鐵協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，在2019年全球粗鋼產(chǎn)量中，長流程占比約72%，短流程占比約28%，在2019年中國粗鋼產(chǎn)量中，長流程占比90%，短流程占比10%，除中國外，海外長流程占比52%，短流程占比48%。

使用碳作為還原劑有著悠久的歷史，這種工藝簡單，原材料易得，化學(xué)反應(yīng)條件也不苛刻，最重要的是，它是將鐵從鐵礦石中冶煉出來的最主要方式。全世界鋼鐵存量中，99%以上都是通過這種方式被冶煉出來的，但是現(xiàn)在，這種生產(chǎn)方式已不符合世界低碳發(fā)展的潮流。

一直以來，鋼鐵生產(chǎn)給世界的印象就是高污染，與之伴生的還有霧霾、落后等。中國自“十二五”時(shí)期便開始大力改進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)的工藝流程，諸如軋鋼余熱回收技術(shù)、燒結(jié)煙氣脫硫脫硝技術(shù)、降低漏風(fēng)率技術(shù)、噴吹煤粉技術(shù)、厚料層燒結(jié)技術(shù)、高爐煤氣回收利用技術(shù)、高溫高壓干熄焦技術(shù)、球團(tuán)廢熱回收技術(shù)以及煤調(diào)濕技術(shù)得到大規(guī)模推廣。據(jù)力拓中心研究，采用全部25項(xiàng)工藝可為鋼企減少0.9噸噸鋼碳排放，但想要做到凈零碳排放，必須采用更徹底的脫碳技術(shù)，鋼鐵企業(yè)必須立刻開始為如何實(shí)現(xiàn)“碳中和”思考并付諸行動了。

世界各國家和地區(qū)的發(fā)展是極不均衡的，既有美國這樣的超級發(fā)達(dá)國家，也有非洲這樣的極不發(fā)達(dá)地區(qū)，在社會發(fā)展的過程中，一定會經(jīng)歷鋼鐵消耗量大幅增加到逐漸縮減再到趨于穩(wěn)定的過程。以美國為例，其1899年產(chǎn)鋼1081萬噸，1953年突破年產(chǎn)鋼億噸大關(guān)，1973年其年產(chǎn)鋼達(dá)到13680萬噸，此后則逐漸下降并趨于穩(wěn)定。從人均粗鋼消費(fèi)上來看，欠發(fā)達(dá)國家的人均粗鋼消費(fèi)與發(fā)達(dá)國家有較大差距，據(jù)世界鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)，2019年美國、德國、中國、韓國、日本南美、非洲的人均粗鋼消費(fèi)分別為330kg、443kg、659kg、1082kg、550kg、100kg、32kg，地區(qū)發(fā)展極其不均衡，發(fā)展中國家的粗鋼消費(fèi)仍有極大提升空間，世界上的鋼鐵資源在這個(gè)意義上來說仍將在很長一個(gè)時(shí)期內(nèi)處于短缺狀態(tài)。

長流程和短流程煉鋼最大的區(qū)別在于是否能增加鋼鐵存量，短流程煉鋼使用廢鋼作為原材料，無法增加全球鋼鐵供應(yīng)基數(shù)，只有長流程煉鋼可以實(shí)現(xiàn)鋼鐵存量的持續(xù)增長，直至消滅全球意義上的粗鋼短缺。毫無疑問，這個(gè)過程將是非常漫長的。馬克思在資本論中早有預(yù)言：“在資產(chǎn)階級社會的胎胞里發(fā)展的生產(chǎn)力，同時(shí)又創(chuàng)造著解決這種對抗的物質(zhì)條件。因此，人類社會的史前時(shí)期就以這種社會形態(tài)而告終。”在資本主義尚處全球擴(kuò)張的階段，社會生產(chǎn)力必將會持續(xù)增長，直至我們進(jìn)入真正的“人類社會”，否則人類發(fā)展就將永遠(yuǎn)處在“史前時(shí)期”。因此，煉鐵只會不斷發(fā)展，不會因?yàn)樘贾泻湍繕?biāo)的束縛而停滯，而在這個(gè)過程中，煉鐵的方法將會不斷轉(zhuǎn)變，最終形態(tài)或許與現(xiàn)在的高爐煉鐵完全不同。

碳中和的根本要義是減少碳排放，源頭治理。煉鐵方式必須從根本上改變，發(fā)展短流程、改進(jìn)工藝、產(chǎn)能轉(zhuǎn)移都是指標(biāo)不治本，這是一場必須要贏的戰(zhàn)爭，其結(jié)果不僅關(guān)乎企業(yè)的存亡，也關(guān)乎人類的可持續(xù)發(fā)展。要看到，國家已經(jīng)為碳中和做了長期布局和大量投入，全國范圍內(nèi)的特高壓輸電線路已然成形，西電東送的價(jià)格甚至低于本地煤電的上網(wǎng)價(jià)格，未來清潔能源的產(chǎn)量和用量必將超過所有人的預(yù)期。頂層設(shè)計(jì)已然鋪好，如何使用清潔能源實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)、如何逐漸實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的過渡、如何把握住過渡階段的超車機(jī)會是眾多企業(yè)需要思考的重要問題。

氫，元素周期表中排名第一，易與氧結(jié)合，氫還原鐵的方式最簡單清潔，未來可能成為煉鐵的主力還原劑。含氫的氣體還原劑主要包括天然氣（CH4）和氫氣，使用天然氣還原氧化鐵仍會生成二氧化碳，而使用氫氣還原鐵則只產(chǎn)生水蒸氣。

氫氣是煉鐵的最理想還原劑，但是在工業(yè)化應(yīng)用中卻存在諸多困難。當(dāng)前氫氣制取技術(shù)主要有電解水制氫、煤炭制氫、甲烷（天然氣）重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氣提純制氫等，能夠大規(guī)模綠色可持續(xù)制氫的方式有且僅有一種——電解水。從當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展方向看，電解水制氫冶金的發(fā)展前途最廣闊。

根據(jù)瑞典HYBRIT項(xiàng)目2018年的運(yùn)行結(jié)果，其采用的氫冶金成本比傳統(tǒng)高爐冶煉高20%~30%。噸鋼二氧化碳排放量僅為25公斤（降低1575公斤），噸鋼電力消耗為4051千瓦時(shí)。

和傳統(tǒng)高爐煉鋼相比，氫能煉鋼的區(qū)別主要在于流程簡化，重構(gòu)成本?？偟膩砜?，變化主要有以下兩塊：

1.電力用量大幅增加，無需焦炭

電解水制氫成本較高，其成本的一半以上在電力成本上。另外，不同于一氧化碳還原放熱，僅用氫還原鐵是吸熱反應(yīng)，冶煉出來的海綿鐵需要經(jīng)過電爐加熱融化，也是耗電的另一方面。同時(shí)，使用氫氣煉鐵可以完全節(jié)約焦炭，大幅減少二氧化碳排放。

2.氫還原鐵速度快

氫還原鐵的速度可達(dá)一氧化碳還原的四倍以上，在1000℃下，使用氫氣還原鐵礦石，98%的還原發(fā)生在20分鐘內(nèi)，而對于一氧化碳，83%的還原發(fā)生在60分鐘內(nèi)。反應(yīng)速度的提升有利于提高生產(chǎn)效率，節(jié)約時(shí)間成本。

新變化帶來新發(fā)展，氫能冶金的用電從何而來？從已有的項(xiàng)目來看，瑞典鋼鐵HYBRIT項(xiàng)目是使用光伏、風(fēng)電等清潔電力；德國薩爾茨吉特鋼鐵SALCOS項(xiàng)目則全采用風(fēng)電制氫；奧鋼聯(lián)H2FUTURE項(xiàng)目使用奧地利電網(wǎng)電解氫；寶鋼則在探索核冶金、核能制氫技術(shù)；河鋼集團(tuán)、酒鋼集團(tuán)也在探索氫冶金技術(shù)。

總體來看，各種清潔能源均有用武之地，鋼廠需要因地制宜，使用適合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的清潔能源，在我國西北地區(qū)，光伏發(fā)電、風(fēng)電資源豐富，西南地區(qū)水電資源豐富，沿海地區(qū)則適合使用核電或風(fēng)電。另外，特高壓電網(wǎng)的建設(shè)也將使未來的氫能冶金項(xiàng)目能隨時(shí)隨地使用上穩(wěn)定清潔的電力。

對未來的鋼廠來說，自建或參與建設(shè)清潔能源發(fā)電項(xiàng)目，在為本廠冶金提供電力的同時(shí)將富裕電力外賣，同時(shí)利用好碳排放權(quán)市場，將清潔能源發(fā)電及冶金帶來的碳排放權(quán)變現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)效益最大化，或許是一條可以走的路徑。

1.清潔電力成本不斷降低

目前來看電解水制氫發(fā)展前景最廣，在這一技術(shù)路線的氫能冶金下，對電力的需求將大幅上升，電力成本將顯著影響氫能冶金的發(fā)展，未來清潔電力成本的下降將有助于氫能冶金的發(fā)展。以光伏發(fā)電為例，其發(fā)電成本基本每年降低10%，目前已基本實(shí)現(xiàn)和煤電平價(jià)，未來隨著裝機(jī)量的不斷上升，規(guī)模效應(yīng)將進(jìn)一步顯現(xiàn)，同時(shí)特高壓輸電技術(shù)的突破也為低成本大規(guī)?？鐓^(qū)域送電創(chuàng)造了條件。據(jù)Energy Intelligence的數(shù)據(jù)，全球光伏發(fā)電成本2000年達(dá)到50.0美分/千瓦時(shí)峰值；2020年成本為5.9美分/千瓦時(shí)；2050年預(yù)測成本為2.4美分/千瓦時(shí)，而我國作為集齊光伏發(fā)電全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的國家，成本將在此基礎(chǔ)上還有下降。

2.氫能冶金最為綠色

氫能冶金過程中幾乎沒有任何污染，與傳統(tǒng)的碳還原劑相比，如果完全使用清潔能源電解水制氫并完全的用氫氣煉鐵，其碳足跡可降低95%以上，即使使用混合氣體煉鐵，其碳足跡也可大幅降低。根據(jù)東吳證券的研究，截至2020年，我國鋼鐵企業(yè)平均噸鋼碳排放量1765公斤。采用基于天然氣的煉鐵工藝，可以將噸鋼碳排放降至940公斤；而使用80%的氫氣和20%的天然氣則可以降至437公斤；如果完全使用氫氣煉鋼，則可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的幾乎“零排放”。