(1.中国钢研科技集团有限公司氢冶金中心 北京100081；2.冶金自动化研究设计院有限公司 北京100081)

　　1 绪论

　　自20世纪中叶以来，人为温室气体排放所导致的气候变暖是当前人类社会面临的重大全球性挑战。《巴黎协定》确定了促使全球平均温升不超过工业革命前2℃并力争达到1.5℃的目标，标志着全球经济发展向低碳化转型。2020年9月，习近平总书记代表中国提出“CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取于2060年前实现碳中和”。双碳目标的提出有利于促进经济结构、产业结构和能源结构的转型升级，为未来中国的低碳绿色发展谱写了宏伟蓝图。

　　我国风能、太阳能等绿色资源丰富，发展潜力巨大。截止2023年底，我国风电装机容量约为4.4亿千瓦，同比增长20.7%，光伏装机容量约6.1亿千瓦，同比增长55.2%。预计2030年，非化石能源发电装机占比将近70%。由于风电、光伏发电的地域、季节特征明显、电力输出的不确定性大，目前电力系统尚不能完全适应其大规模介入和消纳。利用风电和光伏发电电解水制氢，将电能转化为可长期储存的氢气，既可为工业生产提供优质原料和二次能源载体，又可削峰填谷、消纳弃风弃光的电能、提高能源利用效率。预计到2050年，氢能将在我国的能源消费比例中占到10%，有望彻底改变人类的能源结构体系，促进第三次能源革命。

　　钢铁行业是仅次于电力行业的能源消费和碳排放大户。中国钢铁工业碳排放占全国碳排放总量的15%左右，占世界钢铁工业碳排放总量的51%。钢铁生产主要使用炭质能源，整个生产过程中均伴有CO2排放，碳排放量约为1.85 t CO2/t粗钢。其中，炼铁过程中碳排放量占总碳排放量70%以上。此外，我国钢铁行业产品主要以建材为主，占比超过50%。在长周期减量调结构趋势下，随着用钢产业的需求变化和转型升级，钢铁行业迫切需要重新构建绿色低碳钢铁材料体系，促进行业实现高质量发展。

　　2 绿电绿氢冶金

　　2.1 绿电绿氢

　　近年来，随着可再生能源发电技术的快速发展和投资成本的不断下降，绿电发电成本显著降低。据测算，2030年风力发电的平准化电力成本将降到0.12元/kWh，光伏发电的平准化电力成本将降到0.07元/kWh，折算为风光电价为0.1元/kWh。基于此，电解水制氢的平准化制氢成本为0.93元/Nm3.综合考虑制氢侧成本优化及政策等的影响，电解水制氢成本到2030年将有很大可能等于或低于“灰氢”最低成本，详见表1.无论从政策导向还是可降成本的空间来看，氢能未来的可持续发展必然以绿电解水生产的“绿氢”为方向。

表1 各种制氢方式成本对比表

　　2.2 绿电绿氢冶金

　　作为一种理想的绿色冶金模式，氢冶金工艺一般是指入炉还原气含氢量大于55%条件下还原铁矿石生产DRI的以气基竖炉直接还原为主要代表的非高炉炼铁工艺。但是由于缺乏天然气资源，气基竖炉工艺在我国发展缓慢。新能源技术和电解水制氢技术的协同发展，为我国氢冶金工艺的发展开拓了新的方向，即绿电绿氢冶金。以绿电电解水制备的绿氢作为还原气，同时采用绿电为能源介质，在竖炉内将铁氧化物还原制备金属化球团，生产的金属化球团再进入电炉、精炼炉进一步冶炼生产零碳钢水。绿电绿氢冶金既可以就地消纳绿电资源，减少弃风、弃光，提高新能源利用效率，又可以促进钢铁行业低碳转型生产高品质、超纯净、高附加值钢材，与我国新能源战略切合度高，发展潜力巨大。绿电绿氢冶金技术的工艺路线见图1.

 
图1 绿电绿氢冶金工艺流程图

　　2.3 优势与挑战

　　2.3.1 技术优势

　　(1)产品纯净

图2 各种氧化物和氢气反应的标准自由能变化