碳中和正在進行時，鍊鐵氫還原替代碳還原的新時代已至！
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世界的發展離不開元素週期表中這個排名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開始，鋼鐵就始終伴隨在人類的發展過程中，4500年來，無論哪個民族，哪個國家，在其發展中都必然要用到大量的鐵元素，鋼鐵在人類發展的過去、現在和可預見的未來中都將一直並持續佔據最重要的地位。沒有鋼鐵，就沒有現在的人類文明。
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，碳起到了至關重要的作用。
通常鍊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生成一氧化碳，再用一氧化碳與鐵礦石反應生成鐵，在這個過程中會產生大量的二氧化碳。高爐-轉爐的冶煉過程又叫長流程鍊鋼，據世界鋼鐵協會的統計，在2019年全球粗鋼產量中，長流程佔比約72%，短流程佔比約28%，在2019年中國粗鋼產量中，長流程佔比90%，短流程佔比10%，除中國外，海外長流程佔比52%，短流程佔比48%。
使用碳作為還原劑有着悠久的歷史，這種工藝簡單，原材料易得，化學反應條件也不苛刻，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，但是現在，這種生產方式已不符合世界低碳發展的潮流。
一直以來，鋼鐵生產給世界的印象就是高污染，與之伴生的還有霧霾、落後等。中國自“十二五”時期便開始大力改進鋼鐵生產的工藝流程，諸如軋鋼餘熱回收技術、燒結煙氣脱硫脱硝技術、降低漏風率技術、噴吹煤粉技術、厚料層燒結技術、高爐煤氣回收利用技術、高温高壓幹熄焦技術、球團廢熱回收技術以及煤調濕技術得到大規模推廣。據力拓中心研究，採用全部25項工藝可為鋼企減少0.9噸噸鋼碳排放，但想要做到淨零碳排放，必須採用更徹底的脱碳技術，鋼鐵企業必須立刻開始為如何實現“碳中和”思考並付諸行動了。
三、我們能離開“高爐”鍊鐵嗎
世界各國家和地區的發展是極不均衡的，既有美國這樣的超級發達國家，也有非洲這樣的極不發達地區，在社會發展的過程中，一定會經歷鋼鐵消耗量大幅增加到逐漸縮減再到趨於穩定的過程。以美國為例，其1899年產鋼1081萬噸，1953年突破年產鋼億噸大關，1973年其年產鋼達到13680萬噸，此後則逐漸下降並趨於穩定。從人均粗鋼消費上來看，欠發達國家的人均粗鋼消費與發達國家有較大差距，據世界鋼協統計，2019年美國、德國、中國、韓國、日本南美、非洲的人均粗鋼消費分別為330kg、443kg、659kg、1082kg、550kg、100kg、32kg，地區發展極其不均衡，發展中國家的粗鋼消費仍有極大提升空間，世界上的鋼鐵資源在這個意義上來説仍將在很長一個時期內處於短缺狀態。
長流程和短流程鍊鋼最大的區別在於是否能增加鋼鐵存量，短流程鍊鋼使用廢鋼作為原材料，無法增加全球鋼鐵供應基數，只有長流程鍊鋼可以實現鋼鐵存量的持續增長，直至消滅全球意義上的粗鋼短缺。毫無疑問，這個過程將是非常漫長的。馬克思在資本論中早有預言：“在資產階級社會的胎胞裏發展的生產力，同時又創造着解決這種對抗的物質條件。因此，人類社會的史前時期就以這種社會形態而告終。”在資本主義尚處全球擴張的階段，社會生產力必將會持續增長，直至我們進入真正的“人類社會”，否則人類發展就將永遠處在“史前時期”。因此，鍊鐵只會不斷髮展，不會因為碳中和目標的束縛而停滯，而在這個過程中，鍊鐵的方法將會不斷轉變，最終形態或許與現在的高爐鍊鐵完全不同。
四、陣痛、調整
碳中和的根本要義是減少碳排放，源頭治理。鍊鐵方式必須從根本上改變，發展短流程、改進工藝、產能轉移都是指標不治本，這是一場必須要贏的戰爭，其結果不僅關乎企業的存亡，也關乎人類的可持續發展。要看到，國家已經為碳中和做了長期佈局和大量投入，全國範圍內的特高壓輸電線路已然成形，西電東送的價格甚至低於本地煤電的上網價格，未來清潔能源的產量和用量必將超過所有人的預期。頂層設計已然鋪好，如何使用清潔能源實現綠色生產、如何逐漸實現生產方式的過渡、如何把握住過渡階段的超車機會是眾多企業需要思考的重要問題。
五、氫的還原劑時代
氫，元素週期表中排名第一，易與氧結合，氫還原鐵的方式最簡單清潔，未來可能成為鍊鐵的主力還原劑。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生水蒸氣。
氫氣是鍊鐵的最理想還原劑，但是在工業化應用中卻存在諸多困難。當前氫氣製取技術主要有電解水制氫、煤炭制氫、甲烷（天然氣）重整制氫、工業副產氣提純制氫等，能夠大規模綠色可持續制氫的方式有且僅有一種——電解水。從當前的技術發展方向看，電解水制氫冶金的發展前途最廣闊。
根據瑞典HYBRIT項目2018年的運行結果，其採用的氫冶金成本比傳統高爐冶煉高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。
六、氫能冶金相關技術待持續突破
和傳統高爐鍊鋼相比，氫能鍊鋼的區別主要在於流程簡化，重構成本。總的來看，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，不同於一氧化碳還原放熱，僅用氫還原鐵是吸熱反應，冶煉出來的海綿鐵需要經過電爐加熱融化，也是耗電的另一方面。同時，使用氫氣鍊鐵可以完全節約焦炭，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%的還原發生在20分鐘內，而對於一氧化碳，83%的還原發生在60分鐘內。反應速度的提升有利於提高生產效率，節約時間成本。
新變化帶來新發展，氫能冶金的用電從何而來？從已有的項目來看，瑞典鋼鐵HYBRIT項目是使用光伏、風電等清潔電力；德國薩爾茨吉特鋼鐵SALCOS項目則全採用風電制氫；奧鋼聯H2FUTURE項目使用奧地利電網電解氫；寶鋼則在探索核冶金、核能制氫技術；河鋼集團、酒鋼集團也在探索氫冶金技術。
總體來看，各種清潔能源均有用武之地，鋼廠需要因地制宜，使用適合當地實際情況的清潔能源，在我國西北地區，光伏發電、風電資源豐富，西南地區水電資源豐富，沿海地區則適合使用核電或風電。另外，特高壓電網的建設也將使未來的氫能冶金項目能隨時隨地使用上穩定清潔的電力。
對未來的鋼廠來説，自建或參與建設清潔能源發電項目，在為本廠冶金提供電力的同時將富裕電力外賣，同時利用好碳排放權市場，將清潔能源發電及冶金帶來的碳排放權變現，實現效益最大化，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展前景最廣，在這一技術路線的氫能冶金下，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展，未來清潔電力成本的下降將有助於氫能冶金的發展。以光伏發電為例，其發電成本基本每年降低10%，目前已基本實現和煤電平價，未來隨着裝機量的不斷上升，規模效應將進一步顯現，同時特高壓輸電技術的突破也為低成本大規模跨區域送電創造了條件。據Energy Intelligence的數據，全球光伏發電成本2000年達到50.0美分/千瓦時峯值；2020年成本為5.9美分/千瓦時；2050年預測成本為2.4美分/千瓦時，而我國作為集齊光伏發電全產業鏈技術的國家，成本將在此基礎上還有下降。
2、氫能冶金最為綠色
氫能冶金過程中幾乎沒有任何污染，與傳統的碳還原劑相比，如果完全使用清潔能源電解水制氫並完全的用氫氣鍊鐵，其碳足跡可降低95%以上，即使使用混合氣體鍊鐵，其碳足跡也可大幅降低。根據東吳證券的研究，截至2020年，我國鋼鐵企業平均噸鋼碳排放量1765公斤。採用基於天然氣的鍊鐵工藝，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；如果完全使用氫氣鍊鋼，則可以實現二氧化碳的幾乎“零排放”。