低碳化的短流程電爐煉鋼除用綠電減碳外，另一個低碳化因素是直接還原鐵即海綿鐵的加入。直接還原鐵主要以天然氣為原料，生產氫基還原氣，通過氣基豎爐還原球團鐵礦而生成。傳統長流程煉鋼的噸鋼碳排放量約為2噸CO2，天然氣基直接還原鐵+電爐煉鋼的噸鋼碳排放量約為0.759噸CO2。
世界直接還原鐵生產主要使用天然氣為氫源，2020年直接還原鐵產量最大的國家為印度，第二名為伊朗，中東、俄羅斯、東南亞以及美國等國家和地區也有產能分布。中國富煤缺油少氣，天然氣價格高，以天然氣為供氫原料生產直接還原鐵不具經濟性。中國缺少生產直接還原鐵所需的氫源，必須找到低碳且價格便宜、量大易獲得的氫源才可能解決鋼鐵工業脫碳難題，所以本文對其氫源方向和技術路徑進行了思考和探索。
直接還原鐵氫源分析
1 天然氣與資源限制
2020年中國天然氣產量為1925億立方米，進口10192.6萬噸，相當于1427億立方米天然氣。2020年中國天然氣表觀消耗量為3289億立方米，進口約40%以上。進口天然氣的價格與中東及周邊低天然氣價格地區相比，沒有成本優勢，因此利用天然氣生產直接還原鐵在經濟上難以為繼。
2021年全球能源在減碳大潮及新冠疫情的影響下出現短缺，歐洲的天然氣價格大幅上漲，有些國家高達10元/立方米以上，許多國家以天然氣為氫源的直接還原鐵流程也難以為繼，面臨氫源經濟可行性挑戰。
2 各類煤氣合成氣生產直接還原鐵情況
各類煤氣包括焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣及蘭炭煤氣，有效成分含有氫氣、一氧化碳和甲烷，以此生產合成氣與天然氣生產合成氣技術類似，只是凈化和干氣轉化技術更加復雜和要求高。2021年中國焦炭產能約5.4億噸，按1噸焦炭生產340m3焦爐煤氣計，焦爐煤氣產量約為1836億立方米。
以目前山西中晉太行30萬噸/年焦爐煤氣生產氣基還原鐵（圖1）工業裝置運行數據看，原料氣加燃料氣生產1噸直接還原鐵所耗焦爐煤氣約840m3，中國焦爐煤氣生產直接還原鐵潛能約為2.18億噸。
中國的現實狀況是焦爐煤氣被廣泛用于民用，發電，生產甲醇、合成氨、乙二醇等化學品，近年用于生產液化天然氣和氫氣，聯合鋼鐵廠的焦爐煤氣還被用于燃料加熱蒸汽供能等。要用于直接還原鐵生產還需政府與市場雙向引導，把這一寶貴氫資源進行充分高值化、低碳化應用。從地域上看，焦化產能較大的幾個中部省份具有競爭優勢，特別是山西、河北、河南等地的獨立焦化廠擁有更多市場機遇。
3 煉化干氣與技術創新
普通燃料型煉廠碳排放的56%來自于燃氣加熱爐和煉化煙氣，42%來自于外供電力與蒸汽，煉廠燃氣爐的燃氣主要是煉廠各工段副產的干氣。
傳統的乙烯生產廠采用蒸汽裂解技術生產乙烯和丙烯，1噸乙烯能耗為0.5-0.6噸標油，1噸乙烯約排放2噸CO2，生產乙烯所需能量靠燃燒副產的裂解干氣外加外供的天然氣，裂解干氣主要是氫和甲烷。
在雙碳目標下，煉油廠與乙烯廠的燃氣爐若被綠電電爐替代，即電代蒸汽和電代燃氣，將實現煉油廠和烯烴廠的低碳化。若電為光伏風電，綠電供能生產的乙烯產品將為綠電低碳產品，可打破碳壁壘出口歐洲。
2020年中國蒸汽裂解烯烴產能約5000萬噸，其中生產乙烯約2700萬噸，預計2025年蒸汽裂解烯烴產能達7000萬噸以上，乙烯產能達4000萬噸。以此可提供2020年生產直接還原鐵的氫產能資源1.5億噸，2025年可達2.1億噸，電爐鋼按30%-50%加入直接還原鐵，到2025年可支撐4.2億-7億噸/年的短流程煉鋼，再加上煉油廠電代燃氣置換出的氫資源，可支撐中國短流程煉鋼比例達42%-70%，基本達到目前歐美水平。
中國的乙烯工業主要分布在東部沿海，以此氫源與進口鐵礦石生產直接還原鐵將具有市場競爭力，出口歐美。
4 電解水制氫
綠電電解水制氫，以目前堿性電解水技術約5度電生產1立方米氫氣及0.5立方米氧氣，最大裝置規模為每小時1000立方米氫氣。每套裝置價格為800-1000萬元，中國已有多套裝置在運行。
電解水生產氫氣用于鋼鐵工業脫碳，顯然在工程技術上已無大的難題，主要問題是制氫的經濟性。目前，在中國煤電標桿電價約0.23元/度的情況下，制備1立方米氫氣的成本約為1.5元，在中國市場目前難以與各類煤氣及煉化干氣相競爭，但隨著光伏風電技術的進步及電價的下降，電解水制氫將會成為氫冶金的主要氫源，特別是在中國西北五省。
鋼鐵工業低碳化路徑思考
2020年中國氫耗量超過500萬噸的有3個產業鏈，分別為甲醇、合成氨和煉油化工。合成氨與甲醇折氫各約1000萬噸，主要以煤為原料制氫；煉油化工耗氫約850萬噸，主要是煤焦、干氣、天然氣及甲醇制氫。生產1噸直接還原鐵按需還原氣550立方米氫氣計，生產1億噸直接還原鐵約需490萬噸氫氣。
以中國2020年10億噸鋼產量計，轉型短流程電爐煉鋼，按照30%-50%添加直接還原鐵（DRI），中國需要DRI為3-5億噸/年，折氫需1500-2500萬噸/年，約為目前中國合成氨、甲醇與煉油化工三大產業折氫總和，中國鋼鐵低碳化轉型向氫冶金方向發展，氫資源挑戰巨大。
天然氣作為氫源，中國資源不具可行性，進口難以有經濟性，特別是在全球減碳浪潮下，世界天然氣價格走高的概率極大，在中國以天然氣生產直接還原鐵難有可行性。
以各類煤氣特別是焦爐煤氣生產直接還原鐵來看，中國有2.18億噸的資源量，在當前轉型初級階段，充分利用現有資源（特別是一些獨立焦化廠甚至仍在火炬排放），在中國碳排放約束和產業政策引導下，利用焦爐煤氣生產直接還原鐵，在中國中部一些省份特別是山西、河北、河南等地具有競爭優勢。此技術核心已攻克，在山西左權已完成100萬噸/年焦化配套30萬噸/年直接還原鐵的工業示范。
以電代燃氣置換煉油和烯烴生產副產的干氣用于直接還原鐵生產，適合于中國未來中期的鋼鐵低碳化轉型氫源，特別是適合于中國東部沿海，從北部渤海灣如曹妃甸到山東日照、江蘇張家港、廣東湛江及海南島。以進口高品位鐵礦石和進口石油，利用沿岸風電或特高壓綠電開發世界級的低碳綠色鋼鐵生產基地，是中國鋼鐵工業轉型升級的戰略優先選擇，兩大初級原料鐵礦石和石油受限條件小、成本低、規模空間大。另一個主要資源——低碳綠電，正是中國政府大力促進的產業，東部沿岸風電及西部綠電特高壓東輸具有支撐這一戰略的雄厚基礎。
本研究團隊于2007年開始攻關電代燃氣及電烯氫技術，已到工業示范階段，計劃2022年在山東東營和甘肅玉門進行工業示范，2021年已完成工藝包初步設計。該成套技術重構了中國的電力、煉化和鋼鐵產業，通過再電力化使煉化脫碳的同時，置換出的干氣氫資源用于鋼鐵工業脫碳，使中國煉化產業更加一體化、高值化，而中國鋼鐵工業在東部沿海獲得了低成本的氫源，因此更具有經濟性和全球市場競爭力。這一產業模式還可復制到中東地區，即光伏風電、石油和鐵礦石都易獲得的地區。
電解水制氫用于直接還原鐵生產適用于布局中國鋼鐵工業遠期規劃，主要是在西部五省利用光伏風電電解水制氫，生產“零碳”甚至“負碳”的直接還原鐵，如歐洲一些鋼鐵公司目前示范展示的項目，西部五省生產的綠色鋼鐵通過中歐班列出口到歐洲，打破歐洲的綠色關稅壁壘。據報道，歐洲將于2023年立法對進口鋼鐵產品征收100歐元/噸的碳邊境調節稅，2021年12月份歐洲的碳排放交易價格已達90歐元/噸。低碳鋼鐵是世界發展大趨勢，也是中國工業創新轉型目標，同時也是國際貿易戰的工具。
