摘 要  氫氣高能量密度、高還原性以及清潔性特點，讓氫能擁有廣泛的應用場景。在全球環保趨嚴的背景下，氫冶金技術不但從根本上實現鋼鐵生產碳排放為零的可能，而且還降低高精鋼材性能低、質量不穩定等問題，對我國鋼鐵產業升級和高質量發展具有重要實踐意義。文章以例舉方式綜述了氫冶金在國內外的發展概況，在一定程度上為國內鋼鐵企業氫冶金技術建設項目提供借鑒作用。

關鍵詞  氫冶金  氫能  制氫  富氫  CO?

1  前言

氫冶金的本質是在還原冶煉過程中用氣體氫代替碳作還原劑，并且生成物是對環境友好的H₂O。不僅如此，氫作為還原劑在煉鐵工藝中的有效利用還可以降低生產過程中的煤耗，減少冶金工藝中碳還原劑的消耗，從而有效提高金屬還原效率，實現鋼鐵行業的全面可持續發展。特別是在綠色低碳發展的背景下，氫冶金應運而生，以氫代替碳是當前低碳發展、能源變革的重要方向，能源技術創新和產業變革的推動力。

2  國外氫冶金發展現狀

國外多家鋼鐵企業對氫冶金進行了開發，項目大都進入了建設或者試驗階段。

2.1 歐洲

2.1.1安賽樂米塔爾集團開展純氫煉鐵技術研發

安賽樂米塔爾集團在德國漢堡廠投資近7 000萬歐元建設氫能煉鐵實證工廠，用于氫直接還原鐵礦石的項目研究，項目思路與瑞典HYBRIT項目類似，并計劃在未來幾年建設中試廠。

目前，天然氣是安米漢堡廠生產直接還原鐵的主要材料。近年來，安米與弗萊貝格工業大學進行純氫煉鐵項目合作，計劃在未來幾年在漢堡廠共同推行項目，對氫直接還原鐵礦石進行試驗和工藝精進，預計中試廠的規模為10萬噸/年。其中，該合作項目將采用變壓吸附法從爐頂煤氣中分離氫氣，有效處理氫氣使其純度達到95 %以上。項目表明待未來有足夠數量綠氫時，該廠將采用綠氫生產。

2.1.2瑞典鋼鐵HYBRIT項目

瑞典鋼鐵公司與大瀑布電力公司和鐵礦石公司于2016年聯合成立HYBRIT項目合資公司，該項目在鋼鐵生產中使用無化石燃料的電力和氫氣代替焦炭和煤，排放的將是水而不是二氧化碳。項目有可能將瑞典的二氧化碳總排放量減少10 %。

HYBRIT項目研究任務包括：研究可再生能源發電及其對電力系統的影響，尋找有效的可再生能源用于發電，為非化石能源冶煉提供能源，同時降低制氫成本；建設制氫與存儲工藝及相關裝備，為HYBRIT工藝提供低成本、可靠穩定的氫氣，并進行氫氣產業鏈布局；研究氫基直接還原煉鐵工藝；研究配套煉鋼工藝；研究系統集成、過渡路徑和政策等。傳統工藝和HYBRIT工藝流程見圖1。

圖1  傳統工藝和HYBRIT工藝流程比較

2.1.3薩爾茨吉特SALCOS項目

SALCOS項目旨在對原有的高爐-轉爐煉鋼工藝路線進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型煉鋼工藝逐步轉變為直接還原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現富余氫氣的多用途利用。SALCOS項目工藝設想如圖2所示。

圖2  薩爾茨吉特GrInHy2.0項目設想

2016年4月薩爾茨吉特正式啟動GrInHy 1.0（綠色工業制氫）項目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲存起來。當風能（或其他可再生能源）波動時，電解槽轉變成燃料電池，向電網供電，平衡電力需求。2017年5月該系統安裝了1500組固體氧化物電解槽，2018年1月完成系統工業化環境運行，2019年1月完成連續2000個小時系統測試后，薩爾茨吉特開展了GrInHy 2.0項目。GrInHy 2.0項目的顯著特點是通過鋼企產生的余熱資源生產水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發電，然后采用高溫電解水法生產氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產，也可用于鋼鐵生產的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。

2019年4月份，在漢諾威工業博覽會上，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司與特諾恩公司（Tenova）簽署諒解備忘錄，繼續推進SALCOS項目。

2.1.4德國迪林根和薩爾鋼公司富氫冶煉技術

迪林根和薩爾鋼公司作為德國主要鋼鐵企業也參與到氫還原鐵的研究項目中，研究在薩爾煉鐵公司的兩座高爐上輸入富氫焦爐煤氣，用氫取代部分碳作為還原劑的工藝技術。公司表示該項目計劃從2020年開始實施，研究項目所涉及的設備及基礎設施不影響高爐的運行。薩爾公司高爐代表了歐洲目前最現代和最高效的技術運用，該公司在過去15年中投入了約5億歐元改進排放技術和能耗，致力于不斷提高環境保護水平。考慮到歐洲排放配額成本飆升，富氫煉鐵項目的推進將大幅降低CO?能耗和排放成本，這個舉措對薩爾鋼公司未來可持續發展至關重要。

2.1.5德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術

蒂森克虜伯集團與液化氣公司進行氫煉鐵項目合作，計劃到21世紀50年代陸續投資共100億歐元推進氫還原鐵項目實施，將氫噴入高爐。2019年年底，蒂森克虜伯正式進行氫煉鐵試驗，將氫氣通過一個風口注入了杜伊斯堡廠9^#高爐，標志著合作項目一系列測試實驗的開始。蒂森克虜伯發言人表示，如果進展順利，將把氫氣的使用范圍逐步擴展至覆蓋杜伊斯堡廠9^#高爐全部風口。此外，該廠計劃自2022年開始，將氫煉鐵技術在逐步運用于其他三座高爐的鋼鐵冶煉生產環節中，大幅降低能耗及CO?排放，預計降幅可達20 %。為此，蒂森克虜伯集團合作對象，液化氣公司計劃推進萊茵-魯爾區200公里的輸送管道及相關部署來確保氫氣供應的穩定。

2.2日本“COURSE50”低碳煉鐵項目

“COURSE50”，即日本環境友好型煉鐵工藝技術開發項目，是日本主要的低碳煉鐵項目，于2008年開始運行，目標是采用氫還原鐵技術達到CO?減排10 %，并以技術和設備精進將從高爐煤氣中有效分離回收CO?，使CO?達到20 %，通過還原劑置換和廢棄回收等技術實現整體減排30 %的目標。“COURSE50”項目核心技術是氫還原煉鐵法，即將固定比例煤粉和焦炭替換為氫氣，以減少冶煉生產中的CO?排放，同時通過化學吸收和物理吸附等方法將冶煉中煤氣里的CO?進行分離和回收，并通過不斷試驗和技術精進最大限度實現CO?排放。

日本新能源產業技術綜合開發機構委托以日本制鐵、JFE、神戶制鋼、日新制鋼和新日鐵工程公司為代表的日本主要鋼鐵企業作為試驗地點，并著手試驗相關工程施工的前期準備、設計等。該試點項目計劃于2030年實現1號機組工業生產，并于2050年推廣覆蓋日本國內所有高爐。

2.2.1 COURSE50項目基本達到CO?減排10 %目標

日前，日本新能源產業技術綜合開發機構和日本鋼鐵聯盟宣稱COURSE50通過在日本制鐵君津廠高爐的實驗研究證明，已基本實現CO?減排10 %，達成了還原劑置換，CO?分離、回收、削減的目標。據研究項目第四次試驗結果顯示，氫還原鐵相關技術的運用不僅改善了燒結礦和碳的能耗等情況，而且試驗后拆解調查和探棒取樣證實實際操作技術與模擬技術基本一致的情況下，CO?排放量與過往試驗相較有效降低了2 %，標志著項目研發技術的進一步突破。

2.2.2 COURSE50計劃2022年開始實際高爐放大測試

COURSE50項目在2018年11月進行了為期1月的實驗研究，在5次試驗中，通過改變氣體和原材料的配比，并試驗了氫氣對煉鐵作業的改善效果。第二階段的研究重點是在高爐中分離回收CO?以及廢熱，并計劃于2022年度進行實際高爐的放大測試。

2018年，氫氣噴入技術對CO?減排的影響在三維高爐數學模型得到了驗證。項目組計劃4年后在兩座高爐上推行工業試驗，目前已開始通過管道氣體設計，分析技術等指標進行高爐選定工作。

2.3 韓國

2009年韓國原子能研究院與POSCO等韓國國內13家企業及機關共同簽署原子能氫氣合作協議（KNHA），正式開始開展核能制氫相關工作的技術研發和信息交流。2010年中旬，以韓國電力公司為首的財團投資1000億韓元與浦項鋼鐵公司聯合開展系統集成模塊化先進反應堆和超高溫核反應堆技術的研發工作。核能制氫在鋼鐵冶煉中的短期目標是提取冶煉過程中產生的副產氣體并制成可作為冶金還原劑的氫氣，而中長期目標為不斷精益能夠低成本大量高效制取高純度氫氣的技術。

3  我國氫冶金技術發展   

我國氫冶金技術起步較晚，近年來國內鋼鐵企業開始紛紛布局氫冶金領域，在鋼鐵行業開發推廣氫冶金技術，不僅能從根本上實現鋼鐵生產的近零排放，而且還可以解決我國高精鋼材性能低、質量不穩定等問題，并對我國鋼鐵產業升級和高質量發展具有重要實踐意義。

3.1中國寶武核能制氫

2019年，中國寶武與中核集團、清華大學簽訂核能利用合作協議，三方聯合，資源共享，共同打造世界領先的核冶金產業聯盟。核能制氫是以水為原料，將核反應堆與采用先進制氫工藝耦合，其優點是不產生溫室氣體、效率高、規模大等，是冶金行業降低化石能源消耗、緩和世界能源危機的一種經濟有效的措施。該協議結合寶武鋼鐵產業的發展需求，將核能技術與鋼鐵冶煉和煤化工工藝耦合，實現鋼鐵行業CO?的超低排放和綠色制造，為行業起到示范作用。核氫設施見圖3。

圖3  核氫設施圖

3.2河鋼集團120萬噸規模的氫冶金建設

河鋼集團與國外公司進行氫冶金技術方面合作，采用世界最先進的制氫和氫還原技術，聯合研發建設世界第一例120萬噸規模的氫冶金示范工程。項目將從分布式氫冶金、焦爐煤氣凈化、氣體自重整、成品熱送、二氧化碳脫出、低成本制氫、綠色能源等全流程進行創新研發，探索出鋼鐵工業發展低碳、甚至“零碳”經濟的最佳途徑，項目從改變能源消耗結構入手，共同研發以氫能為核心的新型鋼鐵冶金生產工藝，解決鋼鐵冶金過程環境污染和碳排放問題。充分利用風能、太陽能等分布式可再生綠色能源，結合應用電解水制氫和工業氣體制氫等先進技術，共同打造世界上第一條氫冶金示范工程生產線。

3.3酒鋼成立氫冶金研究院

2019年，酒鋼集團公司成立了氫冶金研究院，代表著酒鋼集團在氫冶金研究及產業化落地方面在同行業“領跑”地位，也是酒鋼實施創新驅動及資源保障戰略，實現高質量發展的重要舉措。氫冶金研究院成立于酒鋼技術團隊取得的煤基氫冶金和干磨干選研究方面的創新成果基礎上。酒鋼集團將以自主知識產權技術為核心申報國家級“酒鋼制鐵短流程”示范項目，全面建成國家級“酒鋼煤基氫冶金+干磨干選制鐵短流程”示范基地，并建成以煤基氫冶金及干磨干選技術為核心的酒鋼“成果研發+工程咨詢”新的產業板塊。

當前，酒鋼建設的首套煤基氫冶金中試裝置及配套的干磨干選中試裝置已完成熱負荷試車，為達到項目既定目標，將對部分設備設施進行消缺和功能完善后正式投運。

3.4建龍集團建設年產30萬噸富氫熔融還原高純鑄造生鐵項目

內蒙古賽思普科技有限公司（隸屬建龍集團）總投資近11億元的富氫熔融還原法高純鑄造生鐵項目預計2020年底實現試生產，項目規模為年產30萬噸。該項目運用富氫熔融還原新工藝，強化對焦爐煤氣的綜合利用，推動傳統“碳冶金”向新型“氫冶金”轉變。目前項目建設場地基礎平整和框架裝機已經完成，正在進行MPR爐、熱風爐主控樓、鼓風機站主體基礎建設。賽思普綠色冶金技術是建龍集團聯合北京科技大學等國內知名院校聯合開發，不僅取消了傳統鋼鐵冶煉中燒結、球團、焦化等排放量大的工序，還可以生產高純金屬，優化鋼鐵生產結構，提高產品質量和附加值。

4  氫冶金技術趨勢

4.1全球氫冶金技術尚處于研發、試驗階段

當前，全球氫冶金項目研究可以分三步走：第一步，2025年前，建立中試裝置研究大規模工業用氫能冶煉的可行性；第二步，到2030年，實現以焦爐煤氣、化工等副產品中產生的氫氣進行工業化生產；第三步，到2050年，實現綠色經濟氫氣的工業化生產，并進行鋼鐵高純氫能冶煉，其中氫能以水電、風電及核電電解水為主。

國內氫冶煉技術當前還處于研發起步階段，多數企業仍處于項目規劃，簽訂合作協議的階段，只有少數企業設立了以清潔能源生產氫氣作為冶煉能源的目標，多數企業還是以利用焦爐煤氣、化工副產品等作為氫源冶煉為項目目標。

我國氫冶煉技術的研發還需要以國家層面高度的規劃和定位，確定可行的技術路線圖，在政策支持下，實現氫能和鋼鐵冶煉產業合作共贏。

4.2我國氫冶金頂層設計和政策引導亟待加強

目前，我國與氫冶金配套的專項規劃、政策體系、標準體系、安全規范缺乏頂層設計。我國出臺了涉及氫能領域各方面的一系列政策推動氫能產業健康發展，但目前涉及氫能產業的政策主要體現在交通領域，例如新能源汽車、加氫站、氫儲存和運輸、燃料電池等方面，而氫能在工業領域的應用還處于政策制定和規劃之中。

5  我國發展氫冶金的建議

5.1 國家層面需做好氫產業鏈頂層設計，制定和完善專項規劃和政策體系。

從長遠來看，僅可再生能源生產的氫（綠氫）是可持續的，這是未來投資的重點領域，包括所需的額外可再生能源發電能力等，而氫的使用重點應放在運輸、航空和工業（鋼鐵和化學）上。面對國內氫能產業發展熱潮，要警惕各地“一窩蜂”上項目，避免在方向不明、定位不清、技術未突破、成本過高、商業化不成熟的情況下盲目投資。雖然各地都出臺了氫能產業發展政策，但氫能產業還需國家層面的指導。

5.2 氫能產業和氫冶金工藝高質量發展需要高質量的標準體系。

針對氫能產業和氫冶金領域，除做好高質量的統籌規劃外，標準引領同樣不可或缺。為此，建議成立氫能產業及氫冶金標準化工作組，盡快立項制定相關標準，通過高質量的標準引領，合理引導和促進氫能產業和氫冶金工藝健康發展。

5.3 加強核心技術知識產權保護和全球化布局。

據不完全統計，全球主要國家氫能源和燃料電池產業發明專利持有情況如下，日本占56.32 %，美國占13.63 %，中國占8.92 %，韓國占8.28 %，德國占5.57 %，其他國家占7.27 %。中國雖然躋身前三名，但是與日本、美國的差距較大，與后來者韓國和德國相比，領先優勢不明顯。建議相關的行業和企業加強氫能產業和氫冶金關鍵技術和裝備國產化、知識產權自主化建設，企業在關鍵技術及裝備要及時申請專利，同時進行全球化專利布局。

5.4 投資前需做好調研和風險評估工作。

當前，低成本制取“綠氫”、儲氫和加氫等關鍵技術還未實現重大突破，制氫成本下降空間有限，相關支持政策還未確定，鋼鐵企業開展氫能產業、氫冶金工藝項目投資時應進行充分調研評估，重點關注項目政策風險、技術風險、安全風險、市場風險、知識產權風險以及項目經濟效益、社會效益等。建議企業投資前積極借力包括專業咨詢機構在內的外部資源，做好項目技術調研、經濟分析、風險評估等基礎論證工作。

5.5 統籌規劃分步實施

有條件的鋼鐵企業，可以先開展高爐噴吹焦爐煤氣、天然氣等富氫氣體的工藝試驗研究；如果碳排放的壓力進一步加大，可以考慮開展高爐爐頂燃氣循環利用工藝研究，在此基礎上如果制氫工藝成熟，成本進一步降低，可以實施富氫工藝冶煉；全氫冶煉建議放在最后，待制氫技術及全氫冶煉工藝裝備均比較成熟以后再擴大應用。

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