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  4月8日，工信部党组书记、部长肖亚庆等领导赴中国钢铁工业协会等行业协会专题调研并召开座谈会。他在会上特别强调，要加快推进制造业“十四五”规划重大工程和项目落地实施，启动一批节能降碳重大技术改造项目。从今年2月7日三部委正式对外联合发布的《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》到今年的《政府工作报告》，均强调了钢铁行业推进“双碳”工作的重要性。那么，时下大热的作为一次能源革命的氢冶金对实现“双碳”目标意义有多大？从碳冶金到氢冶金，我们还有多少路要走？

  钢铁生产领域的能源革命

  传统钢铁工业是以碳冶金为基础建立起来的庞大工业体系。炼铁以碳还原金属铁，炼钢通过吹氧脱碳，根据钢材性能要求控制碳含量，提高钢材质量。长期生产实践证明，碳冶金可以实现钢铁工业高品质、高效率和低成本的发展要求，但很难保证“与自然和谐发展”的要求。因为碳冶金必然会排放出大量二氧化碳温室气体，对环境造成严重污染。根据联合国统计，全世界各行各业中二氧化碳排放量最大的是电力行业，约占全球排放总量的51.44%；其次是工业，占排放总量的27.9%。钢铁工业约占工业排放总量的40%，炼铁占钢铁工业排放总量的70%。因此，研究开发超低二氧化碳排放的绿色新型炼铁工艺对实现“双碳”目标具有重大战略意义。

  自2004年欧洲首先提出ulcos（超低二氧化碳炼钢）项目开发计划以来，各发达钢铁生产国纷纷提出各自以氢冶金为基础的新型绿色炼铁新工艺研发计划。国内中国宝武、河钢等大型钢铁企业也提出了不同特点的氢冶金炼铁新工艺研发项目和发展规划。

  从碳冶金到氢冶金，是钢铁生产领域中的一次能源革命，必将引发全行业系统、全面和深刻的技术革命。如何开展工作，如何完成这项重大使命？必须遵循《政府工作报告》明确提出的工作方针，即“有序推进碳达峰碳中和工作，落实碳达峰行动方案，推动能源革命，确保能源供应，立足资源禀赋，坚持先立后破，通盘考虑，推动能源低碳转型”。

  技术创新是能源革命的根本保证

  从碳冶金过渡到氢冶金，不仅是钢铁工业面临的能源革命，还将引起钢铁生产工艺、制造流程和控制技术等方面的巨大变革，是一场重大的技术革命。首先是炼铁还原工艺的改变，氢还原取代碳还原，优势在哪里？困难是什么？其次是由于还原剂的改变，颠覆了传统炼钢工艺：传统的“两步法”工艺，先炼铁后炼钢，是否要转为“一步法”直接炼钢？传统的吹氧脱碳炼钢是否会被供电加热、增碳炼钢所取代？对这些重大而深刻的冶金学问题，不进行深入的科学研究，难以实现技术创新。

  近几年发表的有关氢冶金工艺研究成果，大多注重以下3个方面：

  一是用什么原料制氢？一种观点采用天然气或焦炉煤气等气源，即灰氢。虽然，灰氢的制取工艺比较成熟，价格相对便宜，但其资源有限，且相对碳而言，价格稍显昂贵，根本无法支撑庞大的钢铁工业生产规模。从还原工艺上看，这是一种碳-氢混合还原过程，不可避免产生二氧化碳排放。而造气工艺基础反应为co h2o=co2 h2，最终的二氧化碳排放量不会比碳冶金减少多少（决定于气体中碳含量）。

  二是如何制氢？采用碱性电解水制氢，常称之为绿氢。目前，全球淡水资源匮乏，大量制氢势必加剧水资源紧张。而采用海水淡化后再制氢，制氢成本将大幅上升。且用海水制氢，技术还不成熟。

  三是用什么能源制氢？有人建议用核电制氢，但核电的污染，特别是核废料污染对人类的危害会比二氧化碳小吗？采用风、水和太阳能实现绿色发电，有很光明的前景。但目前的发电规模无法支撑钢铁工业的能耗需求。

  对钢铁工业能源革命引发的大量而深刻的冶金学问题，这些研究很少涉及。

  如何解决上述重大的科学和工程技术问题，根本办法是深入实施创新驱动发展战略。

  首先，要强化国家战略科技力量。组织国家队以实施钢铁工业能源革命为目标，合理制订具有自主知识产权、国家级的技术路线和实施方案，成为重大项目攻关的主力军。

  其次，要加大对企业创新的激励力度，强化企业创新主体地位。这样可以使钢铁企业，特别是大型企业，从简单生产型企业转变为高科技企业。

  再次，要增强制造业核心竞争力。钢铁工业是高端制造业的重要基础，缺乏先进材料的支撑，增强制造业核心竞争力就是一句空话。建议国家要加大对钢铁工业技术创新的投入，尽可能减小西方国家“重材料，轻冶金”的技术偏见对国内科技政策的影响。

  最后，要促进数字经济的发展。

  加强基础研究是能源革命的重要途径

  氢冶金取代碳冶金是钢铁生产领域里的一次能源革命，更是一场深刻的技术革命。必须先立后破，做好顶层设计。

  如何做好顶层设计？

  首先，要加强基础研究，反对经验主义。氢冶金完全是一新生事物，毫无经验可言。钢铁行业更要加强基础研究，深入学习和研究冶金热力学与动力学，寻求正确的技术突破口。

  单纯从对环境的影响而言，氢冶金无疑是正确的。但从冶金热力学角度出发，氢冶金与碳冶金相比，还存在许多问题和不足。下表给出了两种冶金过程的技术比较。

  从表中可以看出，采用氢气还原氧化铁，最主要的优点是还原产物为水蒸气，易于脱除，对环境没有影响。但从还原热力学考虑，氢还原远不如碳还原。主要原因是氢还原为吸热反应，还原过程需要补热；反应温度高，平衡常数和气体转化率低，热力学条件不佳。氢气质量、流量小，需要过剩的还原气体量（约co体积流量的14倍）和很高的还原压力，反应动力学条件也不如碳还原。

  其次，要坚持自主创新，不跟风，不造势。最近几年，西方发达国家在冶金界掀起一股氢冶金的研究开发热潮。许多国家和政府投入巨资，制订周密的研发计划，确定不同的氢冶金技术路线。认真推敲这些氢冶金工艺流程和发展蓝图，不仅缺乏深入的基础研究，更没有重要的实验数据支撑；虽然构画了美丽的发展前景，却缺少始于足下的坚定步伐。

  最后，要广开言路，集思广益。“国家有难，匹夫有责”。如何构建“人与自然和谐共处”的现代钢铁工业是全中国冶金工作者的光荣使命。（来源：中国冶金报社 作者：刘浏 作者系中国钢研集团原总工程师、江苏冶金金属研究院院长）

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