第748期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《氢能炼铁》
讲座题目：透视新科技——氢能炼铁
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：朱庆山，中国科学院过程工程研究所研究员。
郭 亮，中国科学院力学研究所工程师。
讲座时间：2026年3月2日～3月8日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——氢能炼铁
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。近些年我们发现城市当中的很多钢铁企业被搬迁了出去，这其中很重要的原因就是用煤炭炼铁的过程当中，会产生很多的空气污染。那么最近科研人员正在研究用氢来炼铁，我们通过短片来进入今天的节目。2010年底，北京首钢集团石景山园区全面停产，这个在永定河旁矗立了近百年的大型钢铁厂正式宣告搬离北京。这次搬迁除了城市规划之外，还有一个重要的原因就是首钢在生产过程中使用了大量煤炭，造成了周边空气的污染，根据中国环境科学研究院的一份报告显示，在2003年，北京排放可吸入颗粒物约8万吨，其中首钢排放了1.8万吨，占总排放量的23%，这些可吸入颗粒物是产生霾的主要原因，会对人的呼吸系统带来伤害。除此之外，炼铁的过程中排放的大量二氧化碳导致了全球气候变化，为了解决这些问题，科研人员提出用清洁的氢替代煤炭用于钢铁的生产。我们首先来介绍一下今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院过程工程研究所的研究员朱庆山，另外一位是中国科学院力学研究所工程师郭亮。郭亮也是出生在重工业城市沈阳，对于这个炼钢，你的印象是什么样的？
一提到钢铁厂，那就知道冒烟的那个，然后就是脏兮兮的。我小时候的时候，我们出去玩的时候，这种衣领或者是那种袖口，就经常是黑的，其实并不是我们玩得很脏，其实就是空气里面弥漫的那种，我们说工业的味道。那么咱们拿北京举例子，当时首钢还在北京的时候，离首钢近的这些家庭，夏天没办法开窗子，然后不敢在外边晾衣服，衣服晾完了就脏了。比如说雾霾天，1998年的时候，北京基本上只有100多天是达标的，就是优秀这种天气，剩下200多天都是雾霾天，然后到了2010年，首钢刚搬走那一年第一年，整个蓝天的指数，就已经达到了286天，也就只有79天是雾霾天了，等到了咱们去年2021年只有8天是（重）污染的，所以就是这个钢铁行业，其实对于整个大环境的污染，这个相应的这种污染物的这种扩散，其实都有一个很重要的一个责任。我也是出生于工业城市沈阳，长大了之后才知道，原来是这个冶炼的过程当中带来的这个污染。我们现在实际上也都在想办法降污，比如说现在搞超低排放，已经大幅地降低了。原来我们讲的这个绿色（生产）的过程，那么最主要的就是我有排放粉尘，氮氧化物、二氧化硫，主要是这些东西，它二氧化硫、氮氧化物，它在空气中以后跟雨反应、光化学反应会变成酸雨，变成硫酸，所以它落下来以后也会腐蚀比如说各种各样的东西。二氧化硫、氮氧化物这些，直接对我们人体这呼吸和生理造成影响了，就我们经常说它这叫毒气，直接就对人体有害，这些是特别需要排掉的，一定要减少，那么在现在这种炼钢企业里面，它都会有专门后处理的这种相关的设备，一定要降低到国家标准以下才允许你排放。
以前我们对二氧化碳并不是很关注，大家开始关注二氧化碳的温室效应，可能是最近这么一二十年的事，那么现在我们就要加一个二氧化碳的排放多少。据世界气象组织发布的报告显示，自工业革命以来，由于化石能源的大量使用，二氧化碳的排放使全球平均气温上升了约1.2℃，气象学家们推测，如果保持目前二氧化碳的排放水平，到本世纪末地球的气温将上升3~5℃，那将给人类带来难以预料的灾难。海洋里的珊瑚礁将迅速退化，许多鱼类会随之灭绝，极地冰川也会大量融化，让海平面上升，陆地缩小，气温升高还会带来极端天气的频发。比如高温、暴雨、飓风、冰雹、沙尘暴等等，这些都会严重影响人类的生活，所以降低以二氧化碳为主的温室气体的排放成为全球各国的目标。钢铁行业是排碳大户，2020年我国钢铁行业碳排放量约14.5亿吨，占全国总量的15%左右，也是所有工业行业之首，但是钢铁的重要性也决定了钢铁的生产不能停滞。目前我国家的钢铁的产量在国际上是个什么地位？
前年（2020年）粗钢10.65亿吨，那么占全世界的话大概在56.7%左右，全世界多少年都是排在第一位的，也支撑了我们国家作为制造业大国的这样一个基础。因为我们现在出口的很多的方面都是全世界第一的，机电、化工等等的这些，那么这些没有钢铁的话，实际上是没办法生产的。钢铁的发展其实就是我们工业化的发展，我们说最开始的时候，咱们人类最开始接触钢和铁的时候，就是古代的那种青铜剑，从最开始战争，战争是第一需求，兵器。从兵器开始，之后慢慢我们可以开始炼铁，开始炼钢，然后逐步也从一线的这种战争环境变成了我们盖房子、盖高楼，那么用来做各种各样基建的这种建设。那么到了咱们现代工业的时候，你会发现钢铁其实是我们日常生活中用的最广泛的金属或者说元素。那么我们衣食住行都离不开钢铁，住、房子、钢筋混凝土你跑不了，那行、汽车、轮船、高铁你也离不开，飞机全都是钢铁。那有的人说穿和吃可能没有钢铁了，我不吃钢的或者我不穿钢的，但你会发现你的做饭的所有的东西，不管是锅碗瓢盆，包括你的厨电、冰箱、洗衣机这些其实全都是钢铁。那同时你穿的呢？那你穿的东西不需要运输，不需要衣架，不需要这个相关的纤维，那其实好多东西也都是从钢铁里边过来的，所以其实钢铁跟老百姓的生活其实是密不可分的。
就是我们穿的这些东西，尽管说看着没有钢铁，但是纺织机械全是钢铁做的，所以没有纺织机械咱们就做不了，还得手工去纺这个衣服了。用煤炭来炼钢铁和用氢来炼钢铁，之间的差别是什么？用氢来炼这个铁的过程中，因为氢气它本身是一个非常清洁的（燃料），它燃烧以后，它基本上就没有，就产生水，别的都没有，没有二氧化碳，没有二氧化硫，所以这是它的一个好处。第二个氢气，可以替代焦炭去还原铁，那么这个过程中产物也就只有水。我们一直说氢炼铁而不是钢，那氢只能炼铁，不能炼钢吗？对，是的。我们炼铁的过程，实际上是把铁矿石，铁矿石就是氧化铁，把这个氧拿走的过程。铁矿石就是石头，有黑的，有稍微红一点的，然后这个石头里边的成分，它就两个东西，一个是铁Fe，一个是O是氧，我想做成纯铁怎么办？把里边那个O拿走，我不想要那个氧的这个元素了，就变成纯的铁就可以了。这个时候我们就通常情况下，是拿碳来，碳跟氧结合变成二氧化碳排走了，这时候剩下的就是我们说炼出来的这个铁，那么这是咱们传统意义上的炼铁的过程。
那么现在我们说不希望排二氧化碳，那你怎么办？我就需要另一个元素过来拿走这个氧，那谁？就是氢。氢拿走了氧之后，就变成我们说水，这时候水就落下来了，它没有二氧化碳排走。那么再往下炼钢的过程，其实是当你铁有了才能成为钢，铁刚出来的时候，它碳的含量比较高，可能能达到4%的含量，这个时候那个铁很脆，就是不容易韧，就是我们经常家里那铁锅地下一摔就碎了，就是因为它的碳的含量（高）。那么这时候我们就希望第二步，当铁出来了之后，再减少点碳，希望把碳再拿走，所以这个时候再吹点氧进去，把碳拿走了之后，降低了碳含量之后就成钢了。那么我们如果用氢来炼的话，刚才这个过程中没加碳，所以我就不需要再往外拿走碳这个过程了，那我只需要往里边，特定地比如说，我该加点锰还是加点铬，就是不同的钢的品种，你要加点什么元素我就加点什么元素，这时候就是你想要的那个钢，就拿到了。
作为元素周期表中的第一个元素，氢具有很多的优点。它在宇宙中的含量巨大，约占整个宇宙的75%。空气中、水中，甚至太阳里都有氢的存在，氢气的燃烧热值很高，是汽油的2.8倍，焦炭的4.5倍，燃烧同样重量的氢和石油、焦炭相比，可以获得更多的热量。当然更重要的是，氢是一种清洁燃料，它燃烧后的产物是水，不存在二氧化碳排放的问题。但是想在钢铁冶炼的过程中，用氢完全替代煤炭，这并不是一件容易的事情。用氢来替代煤炭去炼铁，在技术上怎么能够实现？现在有两条路径，一条就是改传统的，就是我们高炉转炉的。现在我们炼铁，中国90%都是通过高炉流程来的，那么我们现在可以在高炉下面开一个口，把这个氢气通进去，这样用氢气部分去替代这个焦炭还原。就是我们不用改变我们的设备？对，但是这个好处，就是我现在比较简单，我可以比较容易做，但它的不好的地方，它的通入量受限制，现在的研究来看，可能一吨铁我只能通20多公斤的这个氢气进去。如果通得太多了，这个高炉就不好运行了，所以它的减碳量可能10%，最多20%，不能完全解决问题。效果不好？效果不好。
那么还有一条路子，就是我另起炉灶，我不用高炉了，我就用另外一种，这个炉子来去做，跟氢气，跟铁矿石直接反应。专门跟氢来匹配，这个过程做出来的铁，然后后面配以电炉炼钢，整个过程它的碳排放就可以减低90%，甚至更多。直接用氢来炼铁，就是铁矿石，你把它磨成粉末就好了，这边喷铁矿石的粉末，这边喷氢气，直接在炉子里边直接进行加热。你在炉子里边直接两种一碰，所以它前面这些流程，我们全省略了，那么其实它的效率就大大提高了，结构也简单了，整个过程都是非常清洁的，那也没有碳的排放。用氢来炼铁，最主要的原因就是减少碳排放？我们现在如果炼一吨铁的话，大数上可能就要产生1.8~2.2吨的二氧化碳。但是，如果我们用氢的话，如果是绿氢的话，就是纯粹炼铁的过程是不产生二氧化碳的，但是炼钢的过程要加一些造渣剂，它可能会有一些二氧化碳，可能大数上可能也就是0.1吨，所以90%多这个二氧化碳就是减掉了。几乎差了20倍？对，差不多。
除了这之外，还有其他的好处吗？它可以减少其他污染物的排放，氮氧化物、粉尘、二氧化硫，那这些原来都是从煤里面来的，像现在我们钢铁行业现在在推广超低排放，那么它是有限量的，比如二氧化硫我的排放35毫克，每立方米的气体氮氧化物50毫克，但即使是这样，你量大了以后，它整个排放还是很大，所以它还是会对环境造成比较大的危害。那么据统计的话，如果用氢来炼铁，跟高炉流程相比的话，那么颗粒物排放可以减少80%，氮氧化物可以减少95%，二氧化硫的话可能也减少80%以上。那么第二个就是未来的话，它对于保障我们高品质钢的生产也非常有作用，就是未来的话，我们废钢多了以后，大家都用废钢来炼钢，但是因为废钢收集了以后，它废钢本身还有其他的合金的元素。比如镀锌它有一些锌、铜这些杂质，那么这个再回来冶炼的时候，40%的品种钢可能就炼不出来，70%～80%的这种高品质的，像板材就炼不出来。这个时候，因为我们用氢炼的这个铁，它比较纯净，甚至对于一些高端的钢材，用全废钢没法炼的，那我就需要靠这个氢气的还原铁直接去做去了，所以它还有另外这么一个好处。
什么叫废钢？就是你家里头不用的钢，你可能就卖废铁了。卖完了之后，它可能会集中到一个地方，然后它进行处理，我不希望都挖一个坑把它埋了，这资源都浪费了，那么我们的废钢是能够拿来炼成我们使用的钢。那在这个过程中，其实难度就是我这个钢本身可能已经被镀锌，或者说镀了其他这种金属物，那么你拿过来之后，你想把它重新锻造，或者重新炼，炼完之后变成可用的钢，这个里边的工艺我们实现不了，那尤其这种平板的其实特别难炼。刚才朱老师说70%的这种板材，我们都已经炼不出来了，它就是没有办法。那这个煤炭做不到吗之前？煤炭是可以做得到的，因为有高炉，它就可以做这种高品质的钢，但未来的话，如果全是氢冶金实行了以后，我们的高炉就没有了，或者很少了，这个时候就需要靠氢冶金，来帮助全废钢去炼钢，做一些覆盖这个全品种的钢。作为一种矿藏，铁矿石是一种有限资源，中国的铁矿资源禀赋不好，每年仍需大量从国外进口，所以如何把废钢更好地重新冶炼加以利用，对于未来中国钢铁行业乃至整个制造业来说都非常重要。据统计，在欧美国家的钢产量中，由废钢重新冶炼的量，已经达到60%至70%，而中国仅占10%左右，还有很大的增长空间。现在中国每年约有2.5亿吨废钢被重新冶炼，有关部门做过评估，到2060年中国用于重新冶炼的废钢可能达到6亿吨。用废钢重新冶炼成钢材，或将成为中国钢铁产量的主流，而氢在此时将发挥重要作用，它作为更纯净的还原剂，可以还原铁矿石得到更纯净的铁，与废钢结合生产出更高品质的钢材。
用氢来冶炼，在品质方面会有差别吗？它本质上没有差别，就是都可以全覆盖，咱们各种各样的这个钢种。品质没有差别，那可能接下来一个问题就是成本？我们现在氢就是分两种，一种我们叫它灰氢，就是这个氢是从化石能源来的，那么它本身也伴随着二氧化碳的（排放）。绿氢的话，从可再生能源电解水出来这个氢，其实完全没有碳排放的。现在如果用灰氢去纯粹去做钢铁的话，可能按照现在的价钱，中国的价钱可能会贵个百分之二三十。那么，如果我们用绿氢，就是说绿电电解水制氢，按照现在6毛钱，就是6毛钱一度（千瓦时）电，那么我做一方氢需要5度（千瓦时）电，这个相当于3块钱，贵了差不多3倍。这还没算炉子的改造，这只算了原材料，炉子设备的改造、升级，这些其实也是大头。在这样一个高成本的情况下，有多少企业会有积极性去来改造它呢？现在实际上国内外的企业都还是非常积极，因为下一代的技术竞争其实就在这个相关的这个氢冶炼的这个技术下。
我们怎么来理解是下一代的技术？就是说因为现在咱们是整个这个“双碳”了以后，所以整个的这个工业需要重塑，当然这个转变的过程，需要很长的时间，但是一旦到某个时候，比如说你掌握了这样的技术，那你就占了先机了。因为现在就是包括国外有这种碳关税，如果你的碳我的钢铁是个零碳，那么我就可以去进入，你含有碳的话，我就需要收关税。所以它的价格也会上去了，所以这个驱动力就是大家都在开发新的一些技术，那么国内像宝武、鞍钢都在做相关的这些部署。用氢冶炼把它的成本真正降下来，取决于制氢技术的成熟？其实氢的成本，就是决定于两个方面，第一个就是绿氢决定于可再生能源的价格，因为现在光伏风电的价格，逐步在降低。
第二个决定于我制氢的技术，那么我们现在比如做一方的氢气，我可能需要5度（千瓦时）电，未来的话，技术提高了以后，我可能需要4度（千瓦时）电就够了，这样我就降低了20%，甚至25%的这样的一个成本，所以两个结合在一起，那么未来从现在预测来看，我们可以把绿氢做得比这个煤氢还要便宜。实际上这是我们摸得着的一种想象吗？这应该是摸得着的一个，现在我们的这个电价可能就是6毛钱，那么他们预测到未来，就是可再生能源、光伏、风电的发电，到最后上网电价可能就是2毛钱，甚至2毛5分钱，那么如果是2毛5分钱，我做一方氢气是4度（千瓦时）电，那么我就相当于一块钱。那么现在我们用化石能源去做，也需要一块钱，那么未来还有碳税，那么我们算了算，大概比如说做一方氢，这个碳税你可能要交5毛钱、8毛钱，综合下来我绿氢可能比它要便宜50%、60%这样的价钱。
制氢一直是我们说追求的这种清洁能源的这种必然的走势，无论是新能源汽车，还是咱们现在说的炼钢、炼铁，未来可能其他的工业方面也会寻求这种氢的这种替代。那么一旦到了，大家都开始众人拾柴的这种阶段的时候，我们会发现制氢的成本可能会降低，那么它服务于各个行业的总的成本就降低了。这样这个冶炼行业，就会有积极性，投入到这个上面来了？对。2022年2月7日，国家工信部、发展改革委、生态环境部联合发布了《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出现有城市钢厂应立足于就地改造、转型升级，而达不到超低排放要求，竞争力弱的城市钢厂应立足于就地压减退出，同时还提出将制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术的研发。意见发布之后，如首钢集团一样的城市钢厂将不用面临厂区搬迁的困境，但是如何从氢气、材料、工艺等环节上入手，降低炼铁成本，仍然是亟待解决的问题。
目前我们国家用氢炼铁，进行到或者发展到一个什么样的程度了？现在还都处于实验阶段，那么据我了解的话，现在像宝武在八钢他们有一套小的高炉系统做了一些实验，这个实验的结果也还是比较好的。现在喷的量比较少，比如喷天然气、喷60多方，然后可以降低二氧化碳的排放，20多公斤每吨铁，这是高炉流程的，当然其他的像鞍钢，他们也在做相关的这些，都在试验阶段。那么非高炉，刚才说我们另起炉灶的非高炉流程，现在是宝武跟河钢，现在进行百万吨级的这样一个工业示范，估计明后年就应该能有一个示范工程出来。那么另外就是鞍钢集团，跟中国科学院过程所，还有大连化物所，还有上海大学在做一个这个新型的高效的流化床的炼铁，那么是全套的绿氢（炼铁），做一万吨的示范，那么这个做成了以后，预计就是国内外首套的用绿氢去做流化床的这样一个炼铁，那么这是处于领先的水平的。那么这些技术都做完了以后，慢慢成熟以后，可以使我们国家在这个钢铁行业的减污降碳方面上一个新的台阶，那么也会对未来这个发展起到引领和示范作用。
目前我们用氢来冶铁，它的发展的瓶颈只停留在成本上吗？两个方面都有，就是一个方面就是成本，刚才咱们介绍了，它比较贵。第二个方面技术上也不成熟，那么我们刚才讲了，这个富氢冶金，就是氢气60%的现在是成熟的技术，国内也在做，但是100%的氢气去炼铁的话，以前做过很多研究，包括现在也在做研究，还没有工业化的示范装置在运行，所以这个技术还是要发展的。未来氢冶金的时代到来的时候，那个时候会给我们带来什么？首先就是我们钢铁的产业，它会更清洁了，那么更清洁以后，就是对我们蓝天白云，生活就更好了，咱们绿水青山就更好了，而且钢厂也不用搬。现在我们搬了很久，对钢厂来说，搬走了以后，影响了老百姓的生活的方方面面。就是钢厂职工的生活？对，职工的生活方方面面，因为咱们现在原来很多的钢厂，其实都已经在这个地方了，它本身搬钢厂的过程也需要花很多钱，有很多浪费。因为我这个钢厂可能还没有到寿命，我就把它搬走，现在如果我是一个绿色的钢厂，我就在当地就可以干了，而且城市里面的很多的这些废钢什么，我都可以在这儿去用了。
第二个，我觉得它的好处是对我们提高钢铁工业的科技竞争力会有很大的好处。我们国家钢铁（产量）尽管占全世界的50%以上，但是很多的技术跟装备都是从国外引进的，我们这些年取得了很大的进步，但是要超越别人，要领先别人还是很困难的。但是现在氢冶金这个赛道上，那么国外跟国内基本上处于一个同样的这个（水平），我们相当于一个换道超车。比如说我们说汽车工业，我们国家的汽车其实就是起步就比较晚，其实一直都跟着人家屁股后头在学。那么在追，但也一直还是有一定差距的，但你看等我们现在提倡了这种新能源汽车，那么它就不再是我们燃油车的时候，那大家是在同一个起跑线了。尤其是欧盟，它已经给了一些说希望能到2035年就不再产燃油车了，这个就意味着我们把这条赛道堵死了的时候，你就只能跑这条赛道的时候，那么谁先布局，谁就有先发优势。而我们现在这个氢冶炼，也是这样一个特点，如果我们能提前布局，提前把这个相关的技术都已经开发好了，或者说研究明白了，那么一旦到了这条赛道，成为唯一的赛道的时候，我们就不再是受欧美的技术瓶颈的制约，那么我们就能够从这条赛道脱颖而出，那么起到一个很好的一个后发制人的一个效果。
第三个方面，钢材会更便宜，那么钢铁又是一个比较基础的行业，它会带动下游的很多的行业。如果钢材便宜了，剩下的都会便宜的，这样的老百姓这个生活成本就会降低。我记得我们小的时候，你可能有一个铁制的，或者钢制的这种玩具也好，还是这种设备也好，其实就是挺贵的，那么到了现在你看，基本上我们已经对它的价格不是很敏感了，那未来如果这个基础价格能再降低的话，那么我们可能就不用去考虑它的成本问题，一旦不用考虑成本问题的时候，那钢铁它的优势，它的这个力学性能，它的这些支撑的这种结构性能，它的优势就体现出来了。我们现在能够用在其他的一些材料的替代的时候，我们完全都可以直接上钢的、上铁的，咱们甚至到家里边，比如说橱柜等等这些，你看这种小的家用电器，你会发现如果是能够用这种材料去做的话，它可能既漂亮，耐久性又强，那我们的房子可能越盖越高。特种钢材都出来了之后，它可能能做出各种造型，那么对我们的这个食住行来说，可能会有一个翻天覆地的影响。
就在很多有选材上，有了一个新的可能性？对，那我们最后就变成咱们以前说的那种钢筋水泥的，什么森林里边来生存的，你会发现它不再冰冷了，因为它可以做很多的造型，可以做很多的工艺的附加，那么它既好看又耐用，那么成本又低，那这就是我们追求的这个理想的生活。我们出口了各种各样的产品，其实都是需要钢铁来支撑的，当然也有很多其他的材料。钢铁可能是一个基本的材料，所以钢铁价格如果下来了以后，剩下的所有的价格，那么都会下来，这样的话一方面我们自己生活的成本就降低了。另外一方面我们的国际竞争力也增加了，这样的话我们经济发展了，老百姓生活就更好了。感谢两位来到我们演播室！也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！您也可以下载央视频，收看我们过往的节目。我是胜春，咱们下期节目再见。
