第４８卷第１０期中国煤炭Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．１０２０２２年１０月ＣＨＩＮＡＣＯＡＬＯｃｔｏｂｅｒ２０２２★清洁利用———北京国华科技集团有限公司协办★移动扫码阅读引用格式：林圣华．氢能在钢铁冶金中的应用及发展趋势研究［Ｊ］．中国煤炭，２０２２，４８（１０）：９５－１０２．ＤＯＩ：１０．１９８８０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｃｍ．２０２２．１０．０１４ＬＩＮＳｈｅｎｇｈｕａ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｈyｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇyｉｎｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｍｅｔａｌｌｕｒｇy［Ｊ］．ＣｈｉｎａＣｏａｌ，２０２２，４８（１０）：９５－１０２．ＤＯＩ：１０．１９８８０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｃｍ．２０２２．１０．０１４作者简介：林圣华（１９７９－），男，海南澄迈人，高级经济师，主要从事能源经济研究和企业管理工作。Ｅ－ｍａｉｌ：１７２３００２５＠ｃｈｎｅｎｅｒｇy．ｃｏｍ．ｃｎ氢能在钢铁冶金中的应用及发展趋势研究林圣华（国家能源集团技术经济研究院，北京市昌平区，１０２２１１）摘要近年来我国氢能产业发展迅速，钢铁冶金是氢能产业应用端非常重要的一环。钢铁与氢能有着良好的协同促进关系，钢铁企业既是产氢企业也是用氢单位，应用氢能可助力钢铁产业实现高质量绿色发展。对当前国内外氢冶金技术及项目的发展情况进行了整理，分析了在我国低碳化发展背景下氢冶金的竞争优势和发展挑战。认为，氢冶金是我国钢铁产业和冶金行业高质量发展的重要途径和方向，气基直接还原竖炉工艺将是未来氢冶金的主要工艺路线，但目前我国氢冶金面临基础研究薄弱、短期成本较高、缺乏政策支持等挑战，随着相关示范项目的不断推进以及绿氢产业的快速发展，绿氢冶金将是未来钢铁产业绿色发展的重要方向。关键词氢能；氢冶金技术；冶金行业；钢铁产业；绿氢产业中图分类号ＴＫ９１；ＴＦ１９文献标志码ＡＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇｙｉｎｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｍｅｔａｌｌｕｒｇｙＬＩＮＳｈｅｎｇｈｕａ（ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇyＥｃｏｎｏｍｉｃｓａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇyＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｐｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２１１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｒｅｃｅｎｔyｅａｒｓ，Ｃｈｉｎａ＇ｓｈyｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇyｉｎｄｕｓｔｒyｈａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｒａｐｉｄｌy，ａｎｄｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｍｅｔａｌｌｕｒｇyｉｓａｖｅｒyｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｉｎｋｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈyｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇyｉｎｄｕｓｔｒy．Ｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌａｎｄｈyｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇyｈａｖｅａｇｏｏｄｓyｎｅｒｇｉｓｔｉｃｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ．Ｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓａｒｅｂｏｔｈｈyｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｅｒｓａｎｄｈyｄｒｏｇｅｎｕｓｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈyｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇyｃａｎｈｅｌｐｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒyａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔyｇｒｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｈyｄｒｏｇｅｎｍｅｔａｌｌｕｒｇyｔｅｃｈｎｏｌｏｇyａｎｄｐｒｏｊｅｃｔｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｏｆｈyｄｒｏｇｅｎｍｅｔａｌｌｕｒｇyｕｎｄｅｒｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｌｏｗ－ｃａｒｂｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａａｒｅａｎａｌyｚｅｄ．Ｉｔｉｓｂｅｌｉｅｖｅｄｔｈａｔｈyｄｒｏｇｅｎｍｅｔａｌｌｕｒｇyｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｗａyａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔyｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａ＇ｓｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒyａｎｄｍｅｔａｌｌｕｒｇyｉｎｄｕｓｔｒy，ａｎｄｔｈｅｇａｓ－ｂａｓｅｄｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓｈａｆｔｆｕｒｎａｃｅｐｒｏｃｅｓｓｗｉｌｌｂｅｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｒｏｕｔｅｏｆｈyｄｒｏｇｅｎｍｅｔａｌｌｕｒｇyｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，Ｃｈｉｎａ＇ｓｈyｄｒｏｇｅｎｍｅｔａｌｌｕｒｇyｉｓｆａｃｉｎｇｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｓｕｃｈａｓｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｂａｓｉｃｒｅｓｅａｒｃｈ，ｈｉｇｈｓｈｏｒｔ－ｔｅｒｍｃｏｓｔｓａｎｄｌａｃｋｏｆｐｏｌｉｃyｓｕｐｐｏｒｔ．Ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｒｏｍｏｔｉｏｎｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｊｅｃｔｓａｎｄｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｇｒｅｅｎｈyｄｒｏｇｅｎｉｎｄｕｓｔｒy，ｇｒｅｅｎｈyｄｒｏｇｅｎｍｅｔａｌｌｕｒｇyｗｉｌｌｂｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｇｒｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒyｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈyｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇy；ｈyｄｒｏｇｅｎｍｅｔａｌｌｕｒｇyｔｅｃｈｎｏｌｏｇy；ｍｅｔａｌｌｕｒｇyｉｎｄｕｓｔｒy；ｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒy；ｇｒｅｅｎｈyｄｒｏｇｅｎｉｎｄｕｓｔｒy５９随着人类工业社会的快速发展，由碳排放引起的温室效应日渐严重，冰川融化、极端天气等气候问题已经开始对人类生存产生威胁，世界各国减碳降碳刻不容缓。在全球气候变化和能源转型的背景下，各国都高度重视无碳和低碳能源的开发利用。我国在国际社会上提出了“碳达峰”和“碳中和”的目标，需要全社会为之努力。在钢铁产业和冶金行业生产过程中需要使用大量的碳作为还原剂，因此也会造成大量碳排放。当前，我国钢铁产业和冶金行业年碳排放量超过２２亿ｔ［１］，是我国碳排放重点行业。在“双碳”和可持续发展的双重目标加持下，钢铁产业和冶金行业需要进一步探索并通过低碳技术的应用，实现行业高质量、低碳和清洁化发展。氢能作为新兴战略能源，具有零污染、高能量、来源丰富、用途广泛等优点，可以成为促进钢铁产业绿色低碳发展的重要技术方向［２］。１钢铁产业和冶金行业发展现状钢铁产业和冶金行业是国民经济发展的基础性产业，对完善国民经济产业支撑、保障国家安全、提升国际地位有着极其重要的作用。但由于对煤炭资源的需求占据着主导地位，钢铁产业和冶金行业成为碳排放的主要部门之一。公开资料显示，全球钢铁产业和冶金行业每年的碳排放量约占全球温室气体排放总量的３％～４％，我国钢铁产业碳排放量占全国碳排放量的１５％［３］，占全球钢铁工业碳排放量的６０％以上，因此降低碳排放一直是我国钢铁企业的重要任务。此外，钢铁产业和冶金行业中的烧结、炼焦生产过程将产生废水、硫化物、氮化物、一氧化碳和二恶英等有害物质，环境污染严重［４］。为降低钢铁产业的碳排放，各国均在积极探索相关技术的研究和应用。欧洲、日本、韩国等国家和地区的钢铁企业均制定了包括氢冶金在内的低碳冶金技术路线，加快了技术研发、示范和应用。我国《钢铁工业调整升级规划（２０１６－２０２０年）》要求在“十三五”期间能源消耗总量和污染物排放总量分别下降１０％和１５％以上。此外，《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》已完成初稿，初步确定了钢铁产业碳达峰目标和重点任务。２０２５年前，钢铁产业实现碳排放达峰；到２０３０年，钢铁产业碳排放量较峰值降低３０％，预计将实现碳减排４．２亿ｔ。钢铁产业碳达峰和降碳行动的主要举措包括推动绿色产业布局、节能及提升能效、优化电能结构及流程结构、构建循环经济产业链以及应用突破性低碳技术。我国相关大型钢铁企业如宝武集团、鞍钢集团、河钢集团也发布了碳减排目标和低碳冶金路线图，积极联合科研机构部署和开展相关技术探索和研究，并通过开展低碳冶金示范项目推进钢铁产业碳减排。其中，氢冶金成为实现钢铁产业低碳发展最重要的技术路径。氢冶金是指利用氢气生产海绵铁的气基直接还原工艺或其他富氢冶金技术。传统高炉炼铁工艺无法规避产生的二氧化碳，而氢冶金工艺以其环保零排放的特点受到越来越多的关注，碳冶金和氢冶金化学反应方程式如下：碳冶金：２Ｆｅ２Ｏ３＋３Ｃ＝４Ｆｅ＋３ＣＯ２（１）氢冶金：Ｆｅ２Ｏ３＋３Ｈ２＝２Ｆｅ＋３Ｈ２Ｏ（２）由式（１）和式（２）可知，碳冶金还原剂是Ｃ，最终产物是ＣＯ２，从生产工艺上无法避免碳排放［５］。而氢冶金还原剂为Ｈ２，最终产物是Ｈ２Ｏ，不仅无污染，还可以进行二次利用，真正做到零碳排放。将氢代替碳作为高炉还原剂，可减少或完全避免钢铁生产中的碳排放，是非常重要的碳减排技术，将对钢铁产业和冶金行业生产工艺带来革命性变革［６］。从环境保护角度来看，推进氢冶金发展，进一步替代碳冶金，是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择［７］。２氢冶金技术路线氢冶金是钢铁产业低碳绿色转型升级的有效途径之一，目前研发热点主要集中在富氢还原高炉工艺和氢气气基直接还原竖炉工艺。２．１富氢还原高炉工艺富氢还原高炉工艺即通过喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体参与炼铁过程。相关试验表明，富氢还原高炉工艺在一定程度上能够通过加快炉料还原，从而减少碳排放［８］，但由于该工艺基于传统高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，因此氢气喷吹量存在极限值，一般认为高炉富氢还原的碳减排范围处于１０％～２０％之间，减排效果不够明显。富氢还原高炉工艺流程如图１所示。６９２０２２年第１０期中国煤炭第４８卷图１富氢还原高炉炼铁工艺流程［９］富氢还原高炉工艺相关化学方程式如下：Ｆｅ２Ｏ３＋３Ｈ２＝２Ｆｅ＋３Ｈ２Ｏ（３）Ｆｅ２Ｏ３＋３ＣＯ＝２Ｆｅ＋３ＣＯ２（４）ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２（５）ＣＨ４＋ＣＯ２＝２ＣＯ＋２Ｈ２（６）２．２氢气气基直接还原竖炉工艺气基直接还原竖炉工艺即通过使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石直接还原为铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。根据还原气氛中氢的含量，可分为富氢冶金和全氢冶金：焦炉煤气气基竖炉直接还原铁为富氢冶金，全氢冶金为１００％氢气冶金。相较于富氢还原高炉工艺，气基直接还原竖炉工艺碳排放量可减少５０％以上［１０］。对比２种工艺，富氢还原高炉减碳幅度为１０％～２０％，效果有限；气基直接还原竖炉工艺是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，能够从源头控制碳排放，相较于高炉富氢还原减碳幅度可达５０％以上，减排潜力较大，是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径。但气基竖炉存在吸热效应强、入炉氢气量增大、生产成本升高、还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题。无论是高炉炼铁还是气基竖炉直接还原炼铁，采用氢冶金方式均有着明显的减碳作用。在世界钢铁冶金的发展中，气基竖炉还原工艺生产的铁约占钢铁产量的８０％［１１］，是钢铁产业和冶金行业绿色发展的主要方向。３国内外氢冶金发展现状国外在氢冶金方面的应用相对较早，相关技术的开发和项目也较多，日本、德国、瑞典、奥地利等国家率先进行了大量的氢冶金技术开发和示范应用；随着国内钢铁产业和冶金行业碳排放的逐步增加，相关企业也开始着手布局氢冶金，宝武集团、河钢集团、酒钢集团、天津荣程集团、中晋太行、建龙集团等相继开展相关氢冶金的研究及项目建设。３．１国外氢冶金发展态势近年来，全球钢铁工业都在积极开展氢冶金实践。欧洲、日本、韩国等国家和地区的钢铁企业均制定了包括氢冶金在内的低碳冶金技术路线图，并加快研发、试验和应用，寻求工艺技术突破以实现碳中和目标［１２－１３］。整体上，国外氢冶金技术相对成熟。日本是最早用氢气进行炼铁尝试的国家，早在２００８年日本启动了环境和谐型炼铁项目（ＣＯＵＲＳＥ５０），最终目标是实现炼铁工艺二氧化碳排放量减少３０％；随后，瑞典、奥地利、德国等欧洲国家相继开展了氢冶金项目，研发热点主要７９林圣华：氢能在钢铁冶金中的应用及发展趋势研究２０２２年第１０期有富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原工艺。国外氢冶金代表性项目发展情况见表１，目前全球已经有多个氢冶金技术案例，并在具体实践中取得了阶段性成果。表１国外氢冶金代表性项目情况项目名称项目类型投资情况氢源项目进展日本ＣＯＵＲＳＥ５０氢炼铁１５０亿元焦炉煤气制氢２００８年启动，目标２０３０年应用韩国浦项氢冶金氢炼铁１０００亿韩元核能制氢２０１０年６月立项瑞典酐铁ＨＹＢＲＩＴ项目氢炼铁１０亿～２０亿克朗清洁能源电力电解水制氢２０１６年启动，２０１８年６月起至２０２４年进行中试，目标２０３５年商业化奥钢联Ｈ２ＦＵＴＵＲＥ氢炼铁１８００万欧元电解水制氢２０１７年初项目启动，目标２０５０年碳减排８０％普瑞特冶金技术公司无碳氢基铁矿粉直接还原氢炼铁可再生能源制氢、蒸汽重整制氢以及富氢废气２０１９年６月启动安赛乐米塔尔建设氢能炼铁实证工厂氢炼铁６５００万欧元天然气制氢２０１９年９月开工蒂森克虏伯氢炼铁（Ｃａｒｂｏｎ２Ｃｈｅｍ）氢炼铁１００亿欧元液化空气通过位于莱茵－鲁尔区２００ｋｍ管道提供氢气供应２０１９年１１月德国迪林根和萨尔钢氢炼铁技术开发氢炼铁１４００万欧元富氢焦炉煤气２０２０年实施萨尔茨吉特低二氧化碳炼钢项目氢炼钢５０００万欧元风电制氢，可逆式固体氧化物电解２０２０年投运３．２国内氢冶金发展态势钢铁产业作为支撑我国国民经济发展的基础性产业之一，是“双碳”目标下工业绿色发展的主战场。近年来，我国陆续出台了相关政策支持并推进钢铁产业绿色低碳发展，氢冶金为重要的支持方向之一。２０２１年４月，工信部印发《钢铁行业产能置换实施办法》，提出退出配套烧结、焦炉、高炉等设备并建设氢冶金和Ｃｏｒｅｘ、Ｆｉｎｅｘ、ＨＩｓｍｅｌｔ等非高炉炼铁项目的炼铁产能，可实施等量置换；２０２２年１月，工信部、国家发展改革委和生态环境部联合印发《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出到２０２５年，氢冶金、低碳冶金等先进工艺技术取得突破进展，支持建立低碳冶金创新联盟，制定氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用；２０２２年２月，国家发展改革委、工信部、生态环境部、国家能源局联合发布《钢铁行业节能降碳改造升级实施指南》，提出重点围绕富氢冶炼、氢冶炼等低碳技术开展产业化试点示范。随着氢能产业发展热度持续升温，钢铁产业成为氢能应用发展的重点方向。２０２２年３月，国家发展改革委、国家能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划（２０２１－２０３５年）》，提出开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用，探索氢冶金示范应用。钢铁产业开展用氢示范，相关研发、设计和配套装备制造的热情明显提升。目前，国内多个钢铁企业在氢冶金方向进行了战略布局，通过联合科研单位等方式，科学推进多种氢冶金技术生产项目试点。其中，宝武集团于２０２１年１１月发布了《宝武集团碳中和行动方案》，公布了以富氢碳循环高炉和氢基竖炉为主要工艺路线的碳中和冶金技术路线图；河钢集团于２０２２年３月发布《低碳发展技术路线图》，提出低碳技术变革路径具体措施为氢冶金和ＣＣＵＳ技术应用。整体上，我国布局氢冶金的相关钢铁企业主要包括宝武集团、河钢集团、８９２０２２年第１０期中国煤炭第４８卷酒钢集团、天津荣程联合钢铁集团、中晋太行炼化公司、建龙集团等，具体见表２。表２国内氢冶金相关项目情况企业时间项目进展项目简介宝武集团、中核集团、清华大学２０１９年１月签订《核能制氢－冶金耦合技术战略框架协议》开展超高温气冷堆核能制氢研发、耦合钢铁冶炼，实现钢铁产业超低排放河钢集团、中国工程院咨询中心、中国钢研科技集团、东北大学２０１９年３月组建“氢能技术与产业创新中心”成为京津冀地区最具代表性和示范性的绿色、环保倡导者和实施者酒钢集团２０１９年９月成立氢冶金研究院创立“煤基氢冶金理论”“氢冶金磁化焙烧理论”天津荣程联合钢铁集团、陕鼓集团、西安翰海氢能源科技公司、韩城政府２０１９年１０月西部氢都、能运互联岛建立国家级氢能源开发与供应基地、氢能源应用技术研发基地和国际国内氢能源技术交流与合作中心河钢集团、特诺恩集团２０１９年１１月建设全球首例１２０万ｔ／ａ规模氢冶金示范工程分布式绿色能源、低成本制氢、气体自重整、氢冶金、成品热送、二氧化碳脱出等全流程的创新研发中晋太行矿业公司２０１９年底（调试）干重整制还原气ＤＲＩ焦炉煤气直接还原炼铁（ＣＳＤＲＩ）干重整技术优势：定制合成气Ｈ２／ＣＯ比建龙集团２０２０年１０月（首次试生产）高纯生铁项目３０万ｔ／ａ富氢熔融还原法（ＣＩＳＰ）高纯铸造生铁项目，碳冶金改为氢冶金上海大学、山西中升钢铁公司２０２０年１１月富氢低碳冶金项目建造半工业化试验系统－富氢低碳冶炼模拟科学中心装置，用于高炉科学、低碳冶金、氢能利用研究京华日钢集团、中国钢研科技集团２０２０年５月初（签署合作协议）氢冶金项目计划利用氢气年产５０万ｔ直接还原铁晋城钢铁集团、中冶京诚公司２０２１年３月（签署协议）低碳冶金中冶京诚公司利用氢冶金技术助力晋钢构建绿色低碳、协同高效示范工厂东北大学２０２１年６月氢冶金东北大学与中钢国际公司合作进行低碳冶金、氢能制备储存利用、冶金－能源－化工耦合优化技术合作及推广鞍钢集团、中科院过程所、中科院大化所２０２１年７月（签署协议）绿色氢冶金技术项目工艺为风电－光伏－电解水制氢－氢冶金，配套钒电池储能调峰包钢集团、伊利集团、西部天然气公司２０２１年８月（签署战略协议）氢冶金项目包钢集团成立低碳氢冶金研究所，并与合作方探索低碳冶金技术宝武集团２０２１年１２月（开工）富氢碳循环高炉项目项目以富氢碳循环氧气高炉工艺为核心，辅以ＣＯ２捕集利用的创新型高炉低碳炼铁技术，目标减碳３０％宝武集团２０２２年氢基竖炉宝武集团将在湛江建设一套百万吨级氢基竖炉，采用４２％氢基ＤＲＩ＋５８％废钢电炉冶炼，形成短流程低碳冶金路线９９林圣华：氢能在钢铁冶金中的应用及发展趋势研究２０２２年第１０期目前，我国氢冶金发展尚处于起步阶段，各项技术正处于试点示范中，多家企业已将氢冶金作为发展战略进行布局，但离规模化的发展和应用仍有着很大距离。随着我国支持氢冶金发展相关政策的陆续出台和支持体系的逐步完善，以及各大企业氢冶金项目的持续推进，我国氢冶金将迎来快速发展并为我国钢铁产业和冶金行业节能减排做出重大贡献。４氢冶金的竞争力分析（１）钢铁冶金用氢代碳，长远看经济性可期。用氢气代替煤炭用于钢铁产业和冶金行业，工艺变换中成本占比最大是还原剂本身。经计算，生产１ｔ生铁需要６０１Ｎｍ３氢气，补偿吸热反应需要６７Ｎｍ３氢气，加热融化岛１６００℃需要８５Ｎｍ３氢气，按照７５％热效率计算，生产１ｔ生铁最终需要的氢气量为１０００Ｎｍ３。而传统工艺，生产１ｔ生铁需要３００ｋｇ焦炭和２００ｋｇ煤粉。按照当前的炼焦成本估算，钢铁产业用氢替代碳进行还原可接受的氢气成本为０．６５元／Ｎｍ３。当前国内煤制氢成本约０．８３～１．１３元／Ｎｍ３，国内泰钢、鞍钢等集团利用焦炉煤气通过变压吸附和提纯后的氢气成本为１元／Ｎｍ３，该成本价格虽然大于成本平衡价格，但已较为接近，随着制氢技术不断发展，氢气价格将进一步降低，逐渐缩小与平衡成本之间的差距，因此用氢气替代煤炭作为钢铁冶金还原剂具备较大的经济性潜力［１４］。（２）钢铁企业氢气资源丰富。由于钢厂本身的生产需求或副产气体处理需求，大型钢铁企业均拥有独立的气体生产工厂。如沙钢集团氢气产能为１４００ｔ／ａ，氢气纯度达９９．９９９％；河钢集团焦炉煤气产量达３３万Ｎｍ３／ｈ，按氢气含量５５％计算，约可年产１６亿Ｎｍ３氢气，氢气纯度达９９．９９９％；宝钢集团在华东地区拥有完善的高纯氢生产和配送网络，拥有１．８万Ｎｍ３／ｈ制氢能力及１０万Ｎｍ３／ｈ的工业氢资源。从长远来看，未来用氢气替代煤炭作为还原剂进行炼钢，从成本经济性和资源便利性方面都具备较大发展潜力。５氢冶金发展存在的问题（１）氢能在钢铁产业和冶金行业的应用在我国仍处于起步阶段。对比国外项目，我国钢铁产业和冶金行业在用氢气替代煤炭作为还原剂方面起步较晚，尽管氢冶金已经开始受到了越来越多的关注，但国内整体上在该领域仍处于起步和技术研究阶段。在富氢还原高炉炼铁工艺和氢气气基竖炉直接还原工艺方面，我国在理论基础、技术积累以及产业化应用方面与国外均存在一定差距。主要表现在以下４个方面：一是缺乏在低碳冶金工艺炉内反应机理和炉料特性变化理论方面的研究；二是氢还原为高温环境（大于８５０℃），我国在耐高温材料以及高温环境下的氢安全如防爆、防漏等方面缺乏相关基础研究［１５］；三是缺乏与低碳冶金相配套的反应器结构设计以及工艺控制技术；四是国内部分氢冶金技术已建成示范工程并投产，取得一定创新突破，但各项示范工程尚处于工业性试验阶段，离真正的产业化应用还存在较大距离。（２）短期内氢气作为还原剂成本仍较高。炼钢需要大量的高纯度、低成本氢气，目前氢气成本仍然较高，短期内很难降低到可满足以氢代煤可接受的氢气成本。此外，更为重要的是，目前全球超过９５％的氢气来自天然气、煤炭等化石能源制氢，每生产１ｔ氢气，以天然气为原料时将产生９～１２ｔ碳排放，以煤炭为原料时将产生约２２ｔ碳排放，在当前能源转型及“双碳”战略目标下，此类制氢工艺不可持续。通过可再生能源电解水制氢才是未来钢铁产业氢冶金工艺的重要途径，而当前绿氢制造成本相比化石能源制氢更为高昂，若按照电价０．２５元／（ｋＷ·ｈ）计算，绿氢成本价格约为１．５元／Ｎｍ３，远大于０．６５元／Ｎｍ３的成本平衡价格。（３）缺乏顶层设计和政策支持。政策引领和技术支持是氢冶金技术发展至关重要的两大因素。当前，国家层面已出台的涉及氢冶金方面的政策相对比较宏观，缺乏与氢冶金配套的专项规划、政策体系、标准体系、安全规范等细分政策，导致难以持续匹配良好的资源配置和有效投入，因此无法支撑氢冶金科技创新、技术突破以及示范应用的循序渐进和高质量发展。６氢冶金发展趋势展望随着碳达峰、碳中和目标的提出，作为碳交易市场的主要目标产业和核心参与者，钢铁产业和钢铁企业低碳转型势在必行。在此进程中，以氢气部分或全部代替传统以碳为主的冶金工艺，可从根本上解决现有冶金工艺的能源结构和高排００１２０２２年第１０期中国煤炭第４８卷放问题，是当前钢铁产业低碳发展、能源变革的重要方向。其中，对比传统“高炉－转炉”钢铁长流程，氢为主要还原剂的氢冶金可以加速钢铁短流程取代钢铁长流程的进程，实现超低碳或无碳排放，且产品纯净度高，可以生产各种高温合金、耐热合金、精密合金等航空航天、军工和民用等高端高附加值材料的基材，我国氢冶金的发展路线如图２所示。图２氢冶金发展路线在我国未来钢铁产业和冶金行业发展过程中，氢冶金将作为重要的技术手段之一，将有力促进钢铁企业实现碳减排，逐步推动钢铁产业和冶金行业实现绿色低碳发展。下一步，建议大力探索发展低成本电解水制氢以及核能制氢等新型技术，降低氢气成本，发展“绿氢＋冶金”的钢铁冶金低碳路线；此外，应积极探索相关配套机制，如碳税及氢气价格补贴，按阶段引导并推进钢铁产业和冶金行业氢利用的产业化和市场化。未来，随着各项技术的成熟和配套政策的完善，我国氢冶金将形成以富氢还原高炉、气基直接还原竖炉工艺作为主要技术路线，各项示范项目应用持续推进，氢冶金技术研究和实践应用融合发展的新局面。７结论全球钢铁工业每年碳排放量约占全球温室气体排放总量的３％～４％，我国钢铁工业碳排放量占全国碳排放量的１５％，占全球钢铁工业碳排放量的６０％以上，从技术路线上看，氢冶金是钢铁产业和冶金行业实现低碳发展最具潜力的技术路线之一。同时，通过氢冶金技术应用示范以及与氢能产业的有效结合，可有力促进钢铁企业的低碳转型和绿色发展。（１）各国钢铁企业积极推进氢冶金技术应用。欧洲、日本、韩国等国家和地区的钢铁企业均制定了包括氢冶金在内的低碳冶金技术路线图，并积极推进示范应用。全球代表性的氢冶金项目包括瑞典酐铁ＨＹＢＲＩＴ项目、萨尔茨吉特ＳＡＬＣＯＳ项目、奥钢联Ｈ２ＦＵＴＵＲＥ项目、德国蒂森克虏伯Ｃａｒｂｏｎ２Ｃｈｅｍ项目、宝武集团湛江百万吨级氢基竖炉项目、河钢张宣高科１２０万ｔ／ａ氢冶金项目等，以上项目均已取得阶段性成果。（２）气基直接还原竖炉为未来主要路线。氢冶金技术路线主要包括富氢还原高炉和氢气气基竖炉直接还原工艺。富氢还原高炉工艺碳减排范围处于１０％～２０％之间，减排效果不够明显。气基直接还原竖炉工艺相较富氢还原高炉工艺，碳排放量可减少５０％以上，减排潜力相对较大。在世界钢铁冶金的发展中，气基竖炉还原工艺生产的铁约占钢铁产量的８０％，是钢铁冶金的主要发展方向。我国宝武集团、河钢集团、中晋太行等企业均采用气基直接还原竖炉工艺开展氢冶金研究并建设示范项目。（３）氢冶金技术尚未成熟，绿氢冶金为重要方向。虽然氢冶金技术应用可大幅度降低钢铁产业碳排放并受到各国钢铁企业的关注，相关示范项目也在有序推进。但整体上，氢冶金发展尚处于发展初期，国内外相关示范项目尤其国内示范项目投运时１０１林圣华：氢能在钢铁冶金中的应用及发展趋势研究２０２２年第１０期间短，处于工业性试验阶段，相关技术研究、材料设备制备均在不断探索中，且缺乏顶层设计和系统性政策支持，离真正的产业化应用还存在较大距离。此外，绿氢将是未来氢冶金应用的主要原料，但绿氢产业在我国尚处于发展初期，成本仍然较高，随着我国可再生能源电力成本的进一步降低以及相关技术的突破，叠加未来碳税成本，绿氢将实现与传统焦炭冶金方式相当的成本价格。（４）氢能助力钢铁产业高质量绿色转型。钢铁企业即是产氢企业，也是用氢单位，氢能与钢铁产业有着天然的协同促进关系。氢能作为高效、清洁、可持续的零碳能源，十分契合钢铁企业资源、环境和可持续发展的诉求，通过协同、融合发展可助力钢铁产业和冶金行业实现高质量绿色转型。一是通过使用氢冶金技术代替碳冶金，可大幅度降低钢铁产业传统工艺碳减排，完成减碳目标；二是将氢气融入钢铁产业链中，能够升级传统钢铁制造、扩大氢气使用量、有效利用废钢并减少铁矿石的使用量，优化产业链条；三是利用氢能重卡替代柴油重卡进行钢厂物料运输，在大幅度降低钢铁产业运输环节碳排放的同时，提升了钢铁企业的绿色形象。参考文献：［１］郭学益，陈远林，田庆华，等．氢冶金理论与方法研究进展［Ｊ］．中国有色金属学报，２０２１，３１（７）：１８９１－１９０６．［２］符冠云．氢能在我国能源转型中的地位和作用［Ｊ］．中国煤炭，２０１９，４５（１０）：１５－２１．［３］徐德生，杨可，段玮．基于ＣｉｔｅＳｐａｃｅ的钢铁行业碳排放可视化分析［Ｊ］．环境工程，２０２２，４０（１）：２０７－２１５．［４］伍思扬，卢然，王宁，等．我国钢铁行业废水铊污染现状及防治对策［Ｊ］．现代化工，２０２１，４１（８）：１２－１５．［５］张明远，万新，冯淋虹，等．高炉用焦炭热性能控制指标的研究［Ｊ］．中国煤炭，２０１０，３６（２）：８４－８７．［６］王太炎，王少立，高成亮．试论氢冶金工程学［Ｊ］．鞍钢技术，２００５（１）：４－８．［７］李少飞，顾华志，黄奥．钢铁行业氢冶金技术的发展初探［Ｊ］．耐火材料，２０２１，５５（４）：３６０－３６３．［８］杨晓波．铁氧化物富氢还原动力学研究［Ｄ］．北京：北京科技大学，２０１７．［９］高建军，齐渊洪，严定羹，等．中国低碳炼铁技术的发展路径与关键技术问题［Ｊ］．中国冶金，２０２１，３１（９）：６４－７２．［１０］李峰，储满生，唐珏，等．氢气气基竖炉－电炉短流程环境影响分析［Ｊ］．中国冶金，２０２１，３１（９）：１０４－１０９．［１１］唐珏，储满生，李峰，等．我国氢冶金发展现状及未来趋势［Ｊ］．河北冶金，２０２０（８）：１－６，５１．［１２］ＤＵＡＲＴＥＰ．ＴｒｅｎｄｓｉｎＨ２－ｂａｓｅｄｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ［Ｊ］．ＳｔｅｅｌＴｉｍｅｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１９，４３（１）：２７．［１３］ＭＡＹ，ＦＩＬＨＯＩＲＳ，ＺＨＡＮＧＸ，ｅｔａｌ．Ｈyｄｒｏｇｅｎ－ｂａｓｅｄｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎｏｘｉｄｅａｔ７００℃：Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔyａｔｐｅｌｌｅｔａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃａｌｅｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｅｒａｌｓ，ＭｅｔａｌｌｕｒｇyａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０２２，２９（１０）：１９０１．［１４］张真，杜宪军．碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究［Ｊ］．价格理论与实践，２０２１（５）：６５－６８，１８４．［１５］沈晓波，章雪凝，刘海峰．高压氢气泄漏相关安全问题研究与进展［Ｊ］．化工学报，２０２１，７２（３）：１２１７－１２２９．（责任编辑郭东芝）２０１２０２２年第１０期中国煤炭第４８卷