2023年，山西省钢铁行业产量排名全国第五，碳排放占全省比重超过20%，是减碳的重点部门。自然资源保护协会（NRDC）与合作伙伴的研究表明，由于绝大部分高炉设备仍处在“壮年期”，山西钢铁行业以长流程为主的生产结构在未来10年内难以改变，在氢基直接还原技术大规模应用之前，还需要借助高炉富氢（纯氢）冶炼作为脱碳转型的过渡方案，降低碳排放强度，提高企业竞争力。
高炉是钢铁行业长流程中的主要碳排放资产，也是钢铁厂寿命最长、资本最密集的资产之一。公开数据显示，目前山西省高炉长流程产能占比超过95%以上，集中于2017年左右投产。若以高炉的核心设备平均10-15年使用寿命计算，绝大部分的高炉仍处在“壮年期”，提早转型可能造成资产搁浅。国际能源署(IEA)《钢铁技术路线图》报告显示，全球钢铁厂平均在投产25年后才会对主要资产进行更新投资决策。因此，在2030年之前，以高炉为核心的长流程碳排放问题是减少钢铁碳排放、实现山西钢铁行业碳达峰的关键挑战之一。
面对“双碳”目标和行业高质量发展的双重挑战，山西省在《工业领域碳达峰行动方案》中提出，要推广应用高炉富氢（或纯氢）冶炼、非高炉富氢（或纯氢）冶炼等低碳冶金工艺技术、有序发展电炉钢等一揽子脱碳转型措施。从工艺路线上看，高炉属于传统碳冶金工艺，以焦炭作为还原剂，在高炉中与铁矿石发生反应生成铁。而高炉富氢冶炼是氢冶金工艺，在不大规模调整现有工艺结构的情况下，使用氢代替焦炭作为还原剂进行风口喷吹，在高炉内与铁矿石反应。这样从源头上减少了高碳能源的消耗，从而降低了高炉碳排放。
国外一些大型钢铁生产企业对高炉富氢冶炼技术的探索取得的进展，对富氢技术的发展前景和减排效果提供了可参考的数据。印度塔塔钢铁公司（TataSteel）通过高炉喷吹40%氢气减少了10%的二氧化碳排放；日本最大的钢铁制造商新日铁（NipponSteel）通过该技术减少了33%的二氧化碳排放，是目前已知的高炉喷氢技术减排二氧化碳的最高值。近年来，山西的钢铁企业对高炉富氢冶炼技术进行了一些探索，积累了一些经验。晋南钢铁集团于2021年建成全国首个1860立方米高炉大规模喷吹化工富氢气体的工业化应用工程，目前吨铁喷吹30立方氢气，可减少12公斤焦炭消耗。按企业现有铁水年产量640万吨计算，一年可减少焦炭消耗7.7万吨，减少二氧化碳排放24万吨。按目前山西吨钢碳排放1.5吨计算，可减少2%的碳强度。
按山西高炉投产年份和使用寿命测算，预计到2027年，山西钢铁企业将对高炉核心设备炉衬进行大规模翻新改造，这是高炉技术创新、规模应用高炉富氢冶炼技术的最佳时机。到2030年，若全省30%的高炉采用该项技术，且该项技术减排效果可提升至10%。基于自然资源保护协会与合作伙伴的研究，对全省高炉粗钢产量的基准情景预测（4624万吨），到2030年，山西的吨钢碳排放强度与当前相比可减少约208万吨的二氧化碳排放。
因减排潜力大、技术成熟、且成本较低，全废钢短流程工艺可望成为钢铁行业主要的脱碳转型路径。但由于废钢蓄积量不足且回收体系不健全，加之山西铸造业也需要大量的铸造废钢，山西并不适合在短期内大规模推广长流程钢铁企业转型全废钢短流程炼钢。目前，山西发展高炉富氢冶炼还存在一些问题，例如，对于喷氢浓度的安全范围尚未有定论，上述已有实践中，对喷氢的量也不尽相同。山西氢冶金使用的是来自焦化企业的工业副产氢，即“灰氢”，虽然可以实现一定的减排效果，但使用灰氢的氢冶金并不符合低碳钢铁标准。
随着山西省焦化行业逐渐收缩，副产氢供应量也将随之减少，需要加快由“灰”到“绿”的转变。在零碳钢铁的技术尚未成熟、经济性仍较低时，高炉富氢冶炼可作为钢铁行业脱碳转型的过渡方案，但并不是终极解决方案，更不是钢铁企业高炉延寿之举。山西钢铁行业仍需积极发展非高炉富氢（或纯绿氢）冶炼等低零碳技术，加快“高炉—转炉”长流程制钢向“纯氢基竖炉+电炉”短流程制钢转型，尽早实现钢铁行业净零目标。（作者：自然资源保护协会（NRDC）刘季熠 王雅玲 王佳）
请输入验证码