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1、面向碳中和的氫冶金發展戰略研究 執行摘要2023 年 6 月 CSDRIChina Steel Development Research Institute自然資源保護協會（NRDC）是一家國際公益環保組織，成立于1970年。NRDC擁有700多名員工，以科學、法律、政策方面的專家為主力。NRDC自上個世紀九十年代中起在中國開展環保工作，中國項目現有成員40多名。NRDC主要通過開展政策研究，介紹和展示最佳實踐，以及提供專業支持等方式，促進中國的綠色發展、循環發展和低碳發展。NRDC在北京市公安局注冊并設立北京代表處，業務主管部門為國家林業和草原局。請訪問網站了解更多詳情http:/ Stee

2、l Development Research Institute冶金工業經濟發展研究中心（簡稱冶金經研中心）鋼鐵行業國家級智庫，研究涉及產業發展內在規律、產業政策、發展環境、產業結構調整、前沿技術及工藝流程、產業鏈整合、環境與能源、企業發展戰略及規劃等專業領域，長期為政府、行業和企業提供以應用對策研究為主的跨學科系統綜合的決策咨詢服務。冶金經研中心是中國鋼鐵行業低碳工作委員會成員單位，致力于行業低碳發展、企業低碳轉型和競爭力提升，聚焦低碳政策制定與解讀、低碳路徑、低碳規劃、低碳技術評價、綠色產品認證等行業熱點、重點和難點，先后為行業主管部門、鋼鐵企業、研究機構、金融機構等完成多項綠色低碳相關課

3、題研究和項目咨詢工作。免責聲明本研究報告所用數據均來源于統計年報、統計年鑒及其它公開信息?？赡艽嬖谝蛐畔⑹占煌晟?、不及時而產生偏差。研究團隊、資助機構和發布機構不保證信息及數據的準確性與完整性。研究報告內容僅代表研究團隊以綠氫經濟穩定供應和氫冶金技術成熟為前提模式下的研究預測，不代表機構及行業立場，不構成財務、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容或者據此進行投資所造成的一切后果或損失，研究團隊、資助機構和發布機構不承擔任何法律責任。研究報告面向碳中和的氫冶金發展戰略研究執行摘要山東省“十四五”重點耗煤行業減煤路徑研究雙碳目標下的五大發電集團發電

4、業務低碳轉型研究“雙碳”與空氣質量改善雙目標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中長期控煤路徑研究報告碳達峰與碳中和背景下山東電力行業低碳轉型路徑研執行摘要內蒙古煤炭生產和消費綠色轉型研究摘要報告霍林郭勒產業園綠色低碳發展研究（簡本）內蒙古典型城市煤炭消費與大氣質量的關聯分析及政策建議內蒙古采煤沉陷區生態修復與可再生能源利用研究“十四五”山西省非煤經濟發展研究碳達峰碳中和背景下山西煤電行業轉型發展研究碳達峰碳中和背景下山西焦化行業轉型發展研究中國典型省份煤電轉型優化潛力研究碳達峰碳中和目標約束下重點行業的煤炭消費總量控制路線圖研究中國典型省份煤電轉型優化潛力研究執行摘要碳達

5、峰碳中和目標約束下重點行業的煤炭消費總量控制路線圖研究執行摘要碳達峰碳中和目標約束下水泥行業的煤炭消費總量控制路線圖研究碳達峰碳中和目標約束下電力行業的煤炭消費總量控制路線圖研究碳達峰碳中和目標約束下鋼鐵行業的煤炭消費總量控制路線圖研究碳達峰碳中和目標約束下煤化工行業煤炭消費總量控制路線圖研究山西省“十四五”煤炭消費總量控制政策研究“十四五”電力行業煤炭消費控制政策研究新冠疫情后的中國電力戰略路徑抉擇：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全球1.

6、5目標下的能源排放情景研究持續推進電力改革 提高可再生能源消納執行報告2012煤炭的真實成本請訪問網站了解更多詳情http:/ by Adrienguh on Unsplash i面向碳中和的氫冶金發展戰略研究面向碳中和的氫冶金發展戰略研究 執行摘要2023年06月1執行摘要我國國民經濟和社會發展目標，已經從全面建成小康社會到了開啟全面建設社會主義現代化國家的新征程。在今后 30 年的新征程中，高質量發展是首要任務，這對鋼鐵行業發展提出了新要求，不僅要為國民經濟發展提供基礎原材料保障，還需要在行業運行中體現經濟性、生態性和安全性?！皽p污降碳”是鋼鐵行業高質量發展、落實生態文明理念的必然選擇。當

7、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，生產過程中必然產生大量的二氧化碳。因此，基于當前傳統工藝技術的創新改進難以實現深度脫碳。而氫冶金是替代碳還原最為可行的途徑，將對鋼鐵行業深度脫碳乃至“凈零碳”起到決定性作用。本報告分析氫冶金工藝對我國鋼鐵行業低碳轉型的潛力和發展路徑。首先對當前至2060 年的鋼鐵需求和產量進行預測，并總結我國鋼鐵行業碳排放量、主要減排工藝、氫冶金工藝在國內外的發展現狀；在分析影響氫冶金發展的關鍵因素基礎上，提出了中國從現在到 2060 年氫冶金發展路線圖并對發展氫冶金提出政策建議。未來鋼鐵需求和產量未來鋼鐵生產的規模對碳排放量有很大影響，而鋼鐵需求主要受

8、經濟因素、工業化程度因素、城鎮化因素、人口等多種因素影響。隨著我國經濟增長由高速轉為中速、發展階段從工業化后期逐步進入后工業化期、城鎮化發展進入成熟階段、人口老齡化問題愈加突出，預計鋼鐵需求的增長將停滯，并呈現緩慢波動式下降。本研究借鑒發達國家鋼鐵需求變化的規律性經驗，以人均鋼鐵消費量與人均 GDP 的“S”形理論模型為基礎，結合歷史數據，對我國鋼鐵需求進行了預測（圖 1）。2面向碳中和的氫冶金發展戰略研究01002003004005006007008000.002.004.006.008.0010.0012.00202120252030203520402045205020552060千克億噸

9、鋼表觀消費量人均鋼消費量圖1：中國鋼表觀消費量長期預測基于對鋼鐵長期需求的預測結果，并考慮到鋼材凈出口因素，預測我國鋼產量到2060 年實現“碳中和”時，將從 2020 年的 10.65 億噸（“碳達峰”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的碳排放量（圖 2）。0.002.004.006.008.0010.0012.00202020252030203520402045205020552060億噸圖2：中國鋼產量長期預測3鋼鐵行業碳排放及主要減排工藝作為世界粗鋼產量第一大國，我國鋼產量占世界的一半以上，2020 年突破 10 億噸。全國鋼鐵行業的碳排放量占全國排放總量

10、的比例約為 15%。當前，我國主流的鋼鐵生產工藝是高爐-轉爐長流程，即鐵礦石和焦炭在高爐煉鐵，鐵水再用轉爐煉成鋼。這種生產工藝流程決定了制造過程較高的碳排放強度。較低碳排放的技術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近零排放的最終舉措。表1：我國鋼鐵生產工藝占比及碳排放現狀 工藝路線產鋼量占比噸鋼碳排放量/t碳排放主要工序高爐-轉爐長流程90%1.8-2.5高爐（1.5 t CO2/t-s，占比70%-90%）廢鋼-電弧爐短流程10%0.4-0.6電弧爐(0.19 t CO2/t-s，占比7

11、5%）氣基豎爐DRI-電弧爐流程很少約0.96氣基豎爐（0.5 t CO2/t-s，占比52%）H2豎爐高爐熔融還原廢鋼電弧爐轉爐連鑄板坯方坯大方坯氫基熔融還原高爐富氫冶煉氫基直接還原圖3：“雙碳”目標下，未來鋼鐵制造主要工藝路線4面向碳中和的氫冶金發展戰略研究氫冶金工藝發展現狀當前，氫冶金技術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，被認為是現階段“碳冶金”到“氫冶金”的重要過渡。一般認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“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爐煤氣或者提純后的氫氣（所謂

12、“灰氫”）。焦爐煤氣是煉焦工序的副產氣體，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?；统杀境掷m降低，高爐富氫冶煉也可以逐步使用更多的綠氫。預計 2030 年之前，高爐富氫冶煉技術將取得突破性成果，具備大規模應用條件。2030 年之后，高爐富氫冶煉技術有望迅速推廣。氫基直接還原鐵技術采用氫氣代替一氧化碳作為氧化鐵的還原劑，還原反應生成的是水而非二氧化碳，因此是最具發展潛力的低碳冶金技術。但是這一技術的劣勢是，純氫氣與鐵礦石反應為吸熱反應，完全代替燃料煤炭后系統內熱量無法互補，因

13、此延緩還原反應。氫基直接還原技術目前尚處于研發試驗階段。綜合各國研發進展，我們預計，具備大規模推廣條件需要等到2040年之后；同時還取決于綠氫產業鏈的發展，包括綠色、經濟、大規模氫源的獲取，氫氣長距離的安全儲運，氫源供需的合理配置等。本報告簡要介紹了目前國內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 年啟動的環境和諧型煉鐵工藝技術開發項目(COURSE50)、韓國 2017 年12 月啟動的“以高爐副生煤氣制備氫氣實現碳減排技術”（COOLSTAR）課題、德國蒂森克虜伯鋼鐵公司 2019 年啟動的“以氫代煤”項目、中國寶武以新疆八鋼原有高爐為基礎的富氫碳循環氧氣高爐（Hy

14、CROF）以及興國精密與上海大學合作開發的氫冶金低碳技術研發系統。在氫基直接還原工藝方面，本報告介紹的項目包括日本神戶制鋼基于 MIDREX 工藝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（HYBRIT）豎爐項目、德國薩爾茨吉特公司（Salzgitter）的名為 SALCOS的低碳煉鋼改造項目、中國寶武的湛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，分別是奧地利聯合鋼鐵集團的名為H2FUTURE 的綠氫項目，以及中國建龍集團在內蒙古烏海的賽思普科技氫基熔融還原流程（CISP）項目。中國鋼鐵行業對氫冶金技術進行了大量研究和

15、探索，覆蓋了高爐富氫、氫基直接還原、氫基熔融還原等主流技術，且在理論和實踐上都已取得了顯著進展。河鋼集團 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；寶武富氫碳循環氧氣高爐（HyCROF）取得重大技術突破，完成了全氧冶煉工況條件的工業化試驗，技術經濟指標再創新高。為氫冶金技術進步乃至全球鋼鐵行業的低碳轉型做出了突出貢獻。5影響氫冶金發展的關鍵因素綠色經濟化制氫和安全規?；脷涫前l展氫冶金的關鍵因素。首先，“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規模經濟化的氫源是基礎。2022 年 3 月，國家發展改革委員會和國家能源局聯合印發氫能產業發展中長期規劃（2021-2035 年）

16、，并提出氫能的發展目標：到 2025 年，可再生能源制氫量達到 10-20 萬噸/年；到 2030 年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系；到2035年，形成氫能產業體系。目前我國氫氣產量約為 3300 萬噸，主要以化石能源制氫和工業副產氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近 80%，焦爐煤氣、煉廠干氣等工業副產氫占比約 20%。通過使用可再生能源制造綠氫，例如通過多種可再生能源互補進行電解水制氫，全過程沒有碳排放，是未來發展方向。但是目前成本高、技術壁壘高、僅處于示范性工程的導入階段。近中期可以充分利用各類工業產氫，就近消納，降低工業副產氫供給成本。遠期的光伏、風能、水電等

17、綠電電解水制氫，將可支撐中國鋼鐵工業的氫冶金低碳化轉型。其次，氫能規?；?、安全、經濟儲運是另一個關鍵因素。目前運氫方式最為成熟的是高壓長管拖車的方式，適合在城市內運輸，滿足短途內輸氫的需求。低溫液氫運輸的關鍵設備技術已實現國產化，并逐漸走向產業化，將成為民用氫能領域的重要運氫方式。天然氣摻混氫氣輸運方式，與新建純氫輸氫管道相比更具經濟性，值得關注。未來，隨著東部等發達地區氫氣需求增長，利用西北地區的可再生電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實現氫氣的大規模遠距離輸送，有助于解決中國能源地域分布不平衡問題。經濟性是制約鋼鐵行業氫冶金推廣發展的又一關鍵因素，而影響氫冶金經濟性的可變因素主要是氫氣

18、成本及碳排放成本。當隨著技術進步制氫成本逐漸降低，同時企業為碳排放支付一定費用時，氫冶金才能顯示成本優勢。我們按電解 1000 m3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時的綠氫和綠電價格。例如表 2 顯示，要達到冶煉成本平衡點為 1337.2 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400 元/噸。因此，碳成本越高，氫冶金越容易具備成本優勢。提高碳排放成本是推動氫冶金發展的關鍵，碳價過低，無法為減排提供足夠動力。6面向碳中和的氫冶金發展戰略研究表1：氫冶金的競爭性

19、成本優勢碳冶金與氫冶金成本平衡點元/噸碳成本元/噸綠氫氫冶金元/kg綠電元/kWh962.210010.810.1501024.715011.510.1591087.220012.220.1691149.725012.920.1791212.230013.620.1891274.735014.320.1981337.240015.020.208中國氫冶金發展路線圖以國家“雙碳”目標為指引，綜合考慮到 2060 年鋼產量變化趨勢、中國鋼鐵協會發布的鋼鐵工業“雙碳”愿景、國內外氫冶金技術研發進度、氫能產業發展前景、碳冶金與氫冶金生產成本，并結合我國廢鋼資源供給等因素，我們對我國氫冶金發展路線提出以

20、下看法。第一階段：現在到 2030 年階段目標：積極推進穩步實現碳達峰，噸鋼碳排放強度較 2020 年下降 15%。集中攻關高爐富氫冶煉技術和純氫基直接還原技術，以及相應的軟硬件；爭取高爐富氫技術取得突破性成果，開展高爐富氫冶煉技術的示范項目；有條件的鋼鐵企業應率先開展高爐噴氫改造，富氫高爐產能占比達到 15%；深化焦化行業供給側結構性改革，取消焦化產能轉移限制，以市場化為原則，按鋼焦比 0.4，向鋼鐵企業配置焦化產能；新建改造焦爐增加氫制備裝置，為下一步高爐富氫冶煉技術應用打下基礎；有條件的氫冶金示范項目應盡量使用綠氫。第二階段：2030 年到 2040 年階段目標：創新驅動實現深度脫碳，噸

21、鋼碳排放強度較 2020 年下降 55%。集中攻關純氫基直接還原技術及氫基直接還原裝備國產化、大型化；純氫直接還原技術取得突破性成果，開展純氫直接還原技術示范項目；隨著國家氫能產業體系初步形成，氫源供應增長，用氫成本顯著下降，大力推廣高爐富氫冶煉技術，加快富氫高爐技術改造，自產氫應用盡用，富氫高爐產能占比超過 60%；全面完成自有焦爐的氫制備裝置改造，有條件的鋼鐵企業適度發展可再生能源發電及綠氫制備項目，盡可能增加自有氫供應量，力爭綠氫在鋼鐵行業需氫總量占比達到 30%以上。第三階段：2040 年到 2050 年階段目標：重大突破沖刺極限降碳，噸鋼碳排放強度較 2020 年下降 85%。大力推

22、廣純氫基直接還原技術，加快“高爐-轉爐”長流程制鋼向“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼轉型，“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼產能占比達到 25%；隨著高爐用焦減少，焦炭產量下降，自有氫產量相應減少，需要外部大量的綠氫補充供應，綠氫供應量占鋼鐵產業需氫總量的 85%。鋼鐵企業與綠電、綠氫供應商緊密結合，共建產業鏈生態圈，耦合發展；全面完成富氫高爐改造；有條件的鋼鐵企業發展應用 CCUS 技術。第四階段：2050 年到 2060 年階段目標：融合發展助力碳中和，噸鋼碳排放強度較 2020 年下降 95%。進一步提升豎爐+綠電電爐短流程鋼產量占比；最終形成純氫基豎爐+綠電電爐短流程鋼產量占比 35%，富氫

23、高爐（廣泛應用 CCUS 技術）+轉爐長流程占比 15%；全廢鋼綠電電爐占比 50%的生產工藝結構。屆時，鋼鐵產業碳排量還有約 1 億噸/年，需要進一步推進 CCUS，或通過碳匯，實現“碳中和”目標。圖 4 顯示了氫冶金發展路線圖和相關發展指標；圖 5 顯示了以 2020 年至 2060 年三種工藝路線的鋼產量預測；圖 6 顯示了 2020 年至 2060 年三種工藝路線生產鋼的碳排放量；圖 7 顯示了 2030 年到 2060 年高爐富氫冶金和氫基直接還原的氫需求量。1當前-2030年22030-2040年32040-2050年42050-2060年目標：噸鋼減碳15%（較2020年）目標：

24、噸鋼減碳55%（較2020年）目標：噸鋼減碳85%（較2020年）目標：噸鋼減碳95%（較2020年）純氫直接還原技術取得突破性成果；氫基直接還原裝備國產化、大型化；富氫高爐產能占比超過60%；自有焦爐全面完成氫制備裝置改造；鋼鐵企業適度發展再生能源發電及綠氫制備項目。需氫量512萬噸。大力推廣純氫基直接還原技術，加快高爐-轉爐長流程制鋼向純氫基豎爐+電爐短流程制鋼轉型；純氫基豎爐+電爐短流程制鋼產能占比達到25%；綠氫供應量占鋼鐵產業需氫總量的85%。全面完成富氫高爐改造；有條件的鋼鐵企業發展應用CCUS技術。需氫量713萬噸。純氫基豎爐+綠電電爐短流程鋼產量占比35%；富氫高爐（廣泛應用C

25、CUS技術）+轉爐長流程占比15%；全廢鋼綠電電爐占比50%。鋼鐵產業碳排量約1億噸/年，需要利用CCUS或碳匯，實現“碳中和”。需氫量 784萬噸。高爐富氫技術取得突破性成果；富氫高爐產能占比達到15%；需氫量290萬噸。圖4：氫冶金發展路線圖8面向碳中和的氫冶金發展戰略研究0246810122020年2030年2040年2050年2060年億噸全廢鋼電爐產量高爐-轉爐鋼產量氫基直接還原+電爐鋼產量圖5：到2060年各時點三種工藝路線鋼產量億噸全廢鋼電爐鋼碳排放量氫基直接還原碳排放量高爐-轉爐鋼碳排放量0.050.0202468101214161820222020年2030年2040年205

26、0年2060年圖6：到2060年各時點三種工藝路線鋼碳排放量9020040060080010002030年2040年2050年2060年萬噸全廢鋼電爐鋼需氫量氫基直接還原需氫量高爐-轉爐鋼需氫量8圖7：到2060年各時點需氫量對發展氫冶金的建議首先，由于氫冶金僅僅是氫能在工業、交通、電力等行業廣泛應用中的一個領域，而穩定、充足、廉價的綠氫和綠電供給對鋼鐵行業大力發展氫冶金至關重要。因此需推動有關部門制定出臺氫能領域的行動方案和保障措施，加強統籌銜接。其次，建議鋼鐵行業納入全國統一碳市場后，統一基準值，以行業當前的噸鋼碳排放強度為基準，以各時間節點減排幅度為目標，結合行業低碳發展目標及氫冶金等戰

27、略路徑，科學合理地減少免費配額占比。使率先推進低碳減排、實施流程優化、技術創新的企業能夠從碳交易中先獲益、多獲益，不斷推動企業加快研發推廣富氫高爐技術和氫還原技術。第三，應充分發揮科技舉國體制和國有企業優勢，科學合理向寶武集團、鞍鋼集團等國企龍頭企業政策傾斜，有助于加大氫冶金技術研發力度。待氫冶金技術發展成熟，作為氫冶金技術策源地的龍頭企業在滿足自身“雙碳”要求的同時，還應肩負起低成本推廣氫冶金技術，推進全行業減碳的重任。10面向碳中和的氫冶金發展戰略研究第四，我國鋼鐵與焦化聯合流程嚴重失衡，從全社會角度看，不利于節能減排，也不利于氫冶金的發展。在綠氫尚未實現穩定供應之前，焦爐煤氣制氫仍是鋼鐵

28、產業用氫的主要來源。因此，實現鋼焦一體化，才能更有力地推進鋼鐵全行業氫冶金的發展。應以全國能耗總量控制和各地區環境容量為前提，以建設全國統一大市場為指引，打破以行政區劃為能耗和排放管控單元的管理體制，促進焦化產能跨省份、跨地區流動，加快推進“鋼焦聯合”工藝流程的建設。第五，基于氫的新冶金工藝替代傳統化石能源的生產工藝，所需的工藝流程開發投資十分巨大。隨著綠色金融的支持范圍擴展，部分鋼鐵企業的綠色低碳項目已獲得綠色信貸等金融支持，但是金融機構對于項目的考量通常要求投資周期短、見效明顯。目前氫冶金技術處于發展初期，且很多技術都處于研發攻關階段，難以預計降碳收益。建議行業主管部門就鋼鐵產業脫碳發展設

29、計專項財稅政策，針對成熟技術、前沿技術分別設定考核指標，給予氫冶金及其他前沿顛覆性技術的研發和試點在信貸總量、支持方式和利率上更多支持。第六，建議行業主管部門強化頂層設計、系統謀劃，構建氫能產業鏈和生態圈。鋼鐵企業應結合自身能力和需求，制定可行的氫冶金技術路線，積極主導或者參與氫能園區、綠氫制造、氫能供給網絡。建設氫能、鋼鐵、化工、物流運輸等行業耦合的循環經濟體系，打通供給側和需求側，促進氫能制備和應用新技術孵化，吸引氫能投資，促進綠氫成本下降和應用范圍擴大。聯系我們地址：中國北京市朝陽區東三環北路 38 號泰康金融大廈 1706郵編：100026電話：+86(10)5927-0688傳真：+86(10)5927-06992 02 再生紙印刷