氢冶金的发展历程与关键问题＊

鲁雄刚，张玉文，祝凯，李光石，叶水鑫，武文合

①上海大学 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444；②上海大学 材料科学与工程学院，上海 200444；③上海金属零部件绿色再制造工程技术研究中心，上海 200444

2020年9月22日第75届联合国大会上，中国国家主席习近平向全世界承诺：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。中国“碳达峰碳中和”(“双碳”)目标的提出吹响了举国降碳行动的号角。2020年12月18日闭幕的中央经济工作会议，首次将“做好碳达峰、碳中和工作”作为2021年重点任务，提出要抓紧制定2030年前碳排放达峰行动方案，支持有条件的地方率先达峰。2021年3月4日科技部碳达峰与碳中和科技工作领导小组第一次会议，研究了科技支撑实现碳达峰、碳中和目标的相关工作，明确把加快碳中和科技创新作为当前的重要任务，研究形成《碳达峰碳中和科技创新行动方案》，拟编制《碳中和技术发展路线图》，计划设立“碳中和关键技术研究与示范”重点专项。2021年4月18日“碳中和科技创新路径选择”香山科学会议上，科技部部长王志刚指出：“碳达峰碳中和意义不亚于三次工业革命，要发展原料、燃料替代和工艺革新技术，推动钢铁、水泥、化工等高碳产业生产流程零碳再造”[1]。2021年科技部编制了“双碳”目标下的技术路线[2]，包括减少碳排放和增加碳吸收两条主线(图1)。其中减少碳排放有3条路线，能源结构调整、重点领域减排和金融减排支持。能源结构调整主要是减少化石能源、提高利用效率和增加清洁能源。重点领域减排明确指出，氢能冶炼、氧气高炉和非高炉冶炼是制造领域中钢铁冶炼行业减少含碳能源使用的技术路径。2022年3月国家发展改革委员会、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》。这是我国首部国家级氢能产业顶层政策文件，统筹谋划、整体布局氢能全产业链发展。发展氢能的重点任务之一是稳步推进氢能的多元化应用，逐步探索工业领域替代应用，开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发及应用，探索氢能在工业生产中作为高品质热源的应用，扩大工业领域氢能替代化石能源的应用规模。

图1 “双碳”目标下的技术路线图

在应对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与利用，以减少碳足迹、降低碳排放为目的的冶金工艺技术变革日益受到钢铁工业的关注。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，将氢气用于钢铁生产的变革性技术——氢冶金，是钢铁产业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。

1 中国钢铁生产的碳排放现状

作为世界粗钢产量第一大国，中国的粗钢产量占世界的一半以上，2020年突破10亿t，CO2排放约21亿t[3]。目前，我国钢铁生产工艺主要包括高炉-转炉长流程、废钢-电弧炉短流程和直接还原铁(DRI)-电弧炉流程(表1)。其中：高炉-转炉长流程的产钢量占比大于90%[4]，吨钢碳排放量为1.8～2.5 t，碳排放主要工序为高炉(吨钢碳排放量为1.5 t，占70%～90%)；废钢-电弧炉短流程的产钢量占比小于10%，吨钢碳排放量为0.25～0.30 t，碳排放主要工序为电弧炉(吨钢碳排放量为0.19 t，约占75%)；非高炉炼铁-电弧炉工艺占比很少，直接还原铁(DRI)-电弧炉流程的吨钢碳排放量0.96 t，碳排放主要工序为直接还原(吨碳排放量约为0.5 t，占52%)。可以看出，长流程的碳排放量要远高于废钢/直接还原铁-电弧炉短流程。

表1 我国钢铁生产工艺占比及碳排放现状

2 钢铁生产的碳减排路径

在“双碳”大背景下，整个钢铁行业必须根据现代钢铁工业生产的结构及各流程特点，合理发展高效可行的碳减排路径。从表1的分析可以看出，目前，以碳冶金和矿石为基础的高炉-转炉长流程在我国钢铁产业结构中占主导地位，其中高炉炼铁是CO2排放量最大的工序，约占整个钢铁生产CO2排放总量的70%～90%。高炉炼铁工艺技术成熟、生产能力强、效率高，未来几十年仍将是支撑中国对钢铁材料庞大需求的主流炼铁技术。因此，钢铁行业助力实现2030年碳排放强度降低60%的目标必须基于现有的高炉。高炉低碳冶炼是我国规模化实现钢铁工业降碳的重要路径。从我国钢铁生产的中长期发展来看，逐步从长流程向短流程调整是大幅度降低碳排放的必然选择。在全球前十大钢铁生产国家中，中国短流程占比最低，仅有10%左右，美国短流程已占总产量的75%以上，欧洲也达55%。随着我国废钢蓄积量的增加和废钢分类标准的完善，逐步增大短流程产钢比例将会释放巨大的减排空间。

针对工艺现况，我国的钢铁生产可以在源头减少碳输入、过程提高碳利用效率、末端加强碳捕集固化利用等3个方面切入进行降碳(图2)。源头上减少碳输入：调整钢铁生产结构，发展废钢-电炉短流程和气基竖炉还原技术，降低长流程在生产中的占比；研究开发高炉富氢低碳冶炼、富氢和非化石能源烧结、富氢/全氢非高炉炼铁技术等，实现以氢代碳和清洁能源利用。提高钢铁冶炼过程中碳的利用效率、降低吨铁/吨钢碳消耗，包括使用铁焦、含碳球团等新型炉料，以及高炉炉顶煤气循环、氧高炉等技术。末端包括CO2分离、捕集和利用，以及钢化联产、固化、封存等。

图2 钢铁生产的碳减排路径

钢铁工业降碳路径和措施可以分步实施：第一步，节能降耗减排，采取各种措施降低吨铁碳消耗，节能是实现碳减排最重要、最经济的手段；第二步，发展短流程废钢/海绵铁-电炉-连铸连轧工艺，逐步减少长流程产钢量占比，研究以氢取代部分碳(富氢冶金)，发展高炉富氢冶炼技术、扩大富氢气基竖炉/流化床等非高炉冶炼生产比例；第三步，以氢取代全部碳，探索研究纯氢气基竖炉、流化床冶炼技术生产海绵铁，再接电炉熔分炼钢，实现钢铁生产过程的碳净零排放。

作为中国钢铁企业龙头，中国宝武的低碳发展路径具有示范和启示作用，他们率先提出碳中和目标下的冶金技术路线(图3)和不同技术的碳减排潜力及部署时间表(图4)[5]。中国宝武以富氢碳循环高炉和氢基竖炉两条工艺路线为中心，从6个方面进行碳减排：①全流程极限能效，研究钢铁全流程理论和技术极限能耗模型，通过最佳可适商业技术(BACT)应用、智慧制造、界面能效提升、余热余能深度资源化等领域的集成创新，逼近极限能效，实现节能减碳3%～5%；②冶金资源循环利用，研发钢铁循环材料、含铁含碳固废、多源生物质等资源在钢铁生产过程中的使用技术，减少化石能源消耗，持续降低吨钢碳排放强度10%～20%；③短流程近终形制造技术，构建短流程近终形制造技术平台，开展电炉+近终形制造工艺技术路径研究，实现钢铁加工工艺流程极低碳排；④富氢碳循环高炉工艺技术，构建以“富氢还原”耦合“炉顶煤气循环”为技术特征的富氢碳循环高炉技术体系，实现高炉炉顶煤气化学能利用率极致化，结合绿电加热、金属化微波烧结和CO2分离捕集，实现较传统高炉吨铁碳排放强度下降30%～50%的目标；⑤氢基竖炉技术，以绿氢制备工艺技术、氢气直接还原铁矿石工艺技术为基础，集成构建绿氢直接还原-电炉熔分短流程冶炼技术，实现吨钢碳排放强度比长流程大幅度降低；⑥CO2资源化利用技术，通过对钢铁流程CO2低成本、大规模的捕集和资源化利用，实现末端碳固化利用，减少碳排放。

图3 中国宝武碳中和冶金技术路线图[5]

图4 主要技术的减排潜力和部署时间表[5]

从中国宝武制定的碳中和路线图看：2020—2035年仍以高炉长流程为主，这一时期通过对传统高炉工艺加以技术改造实现减碳目标；2035—2050年将大力发展氢基竖炉-电炉熔分短流程，辅以碳回收利用技术达到2050年碳中和的目标。

以上分析可知，近中期的高炉富氢，中远期的氢基竖炉以及逐渐提高短流程产钢量是钢铁行业降碳的发展主线，其本质均为逐渐增加清洁氢能的利用，以氢代碳。伴随人类能源利用的减碳清洁化，氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。以氢代碳，将氢气用于钢铁生产的氢冶金变革性技术，反应的碳排放随之被“水排放”替代，氢冶金成为钢铁产业低碳可持续发展的有效途径。

3 氢冶金的发展历程和现状

从传统的碳冶金到全氢冶金的工艺发展历程主要分两个阶段，以减少对焦炭依赖为主要目标的阶段和以降低碳排放为主要目标的阶段。减少焦炭使用主要采用以煤代焦、以气(油)代焦，降低碳排放主要采用以氢代碳。氢冶金是在铁矿石的还原冶炼过程中，引入氢气作为还原剂和燃料的技术，分为富氢冶金和纯氢冶金。

3.1 以减少对焦炭依赖为主要目标的发展阶段

作为最重要炼铁工艺，高炉炼铁采用焦炭代替木炭，为现代高炉的大型化奠定基础，是冶金史上的重要里程碑。焦炭具有还原剂、燃料、料柱骨架和渗碳等方面的作用。从1709年达比(Darby)父子在英格兰的什罗普郡首次以焦炭代替木炭在高炉中炼出生铁，到1784年瓦特发明蒸汽机，高炉开始以机械代替蓄力鼓风，使风压风量增大，为高炉完全使用焦炭创造了条件。1800年，英国高炉全部使用焦炭，并将这一技术传至欧美其他国家和地区。直到20世纪40年代，高炉主要采取全焦冶炼。全焦冶炼需要消耗大量的焦炭，为降低焦炭消耗、缓和对日趋匮乏的焦煤的需求，发展出了高炉喷吹工艺和非焦冶炼(即非高炉炼铁)工艺(图5)。高炉喷吹工艺利用风口喷吹煤粉、重油、天然气和焦炉煤气等固、液、气体燃料代替部分焦炭，从而降低焦比，增加高炉操作调剂手段，以提高冶炼效率，降低生产成本。从20世纪50年代开始，高炉普遍采用高风温、大风量、精料、风口喷吹、富氧鼓风、高压炉顶等一系列措施，焦比大幅降低。非高炉炼铁工艺包括气基直接还原、煤基直接还原和熔融还原。气基直接还原工艺中的还原气是通过重整天然气或焦炉煤气获得的富氢混合气(H2+CO)。非高炉炼铁工艺中气基直接还原工艺最为成熟，但由于我国没有丰富的气源，非高炉炼铁在我国钢铁生产中的占比很低。

图5 氢冶金发展历程

3.2 以减少碳排放为主要目标的发展阶段

为应对全球气候变化，降低CO2排放、低碳生产逐渐成为关注焦点。随着全人类能源结构的转型，能源演变趋势虽然目的不单一，但脱碳是一条非常清晰的路线：木柴—煤炭—石油—天然气—“可再生能源+氢储能”，用主要成分可以表示为C10H—C2H—CH2—CH4+H。以煤炭为主要能源的传统钢铁工业是CO2排放大户，减少碳排放的主要手段是以氢代碳，逐渐增加钢铁生产过程的用氢比例，发展高炉富氢冶炼，扩大富氢直接还原生产占比，提高富氢气体中氢气比例，直至全氢直接还原。如何降低碳排放、实现净零碳排放？由传统的碳冶金发展为全氢冶金，逐渐形成高炉富氢冶炼和全氢直接还原两大技术路线。富氢冶炼是现阶段从“碳冶金”到“氢冶金”的重要过渡，是大幅降低碳排放的重要突破口，对实现“双碳”过渡时期的应用意义重大。全氢直接还原符合短流程发展需求，是钢铁脱碳从快速发展到成熟的重要路径。煤基直接还原和熔融还原工艺整体来说，对碳减排的实际应用意义有限。要实现以氢代碳，大规模的氢源是基础。以灰氢、蓝氢、绿氢代部分碳大幅降低CO2排放量，再利用绿电制备绿氢，最终全氢冶金实现零碳排放。

氢用于炼铁过程已有比较长的历史，上述的二十世纪五六十年代开展的高炉喷吹富氢焦炉煤气、天然气，利用重整天然气的气基直接还原等均是富氢冶金，属于氢冶金的范畴。在全球低碳化应对气候变化、“双碳”战略背景下，氢冶金逐渐成为国内外研发和讨论的热点。图6为围绕应对气候变化、降低碳排放和氢冶金发展的重要节点。1992年通过的《联合国气候变化框架公约》提出将大气温室气体浓度维持在一个稳定的水平，在该水平上人类活动对气候系统的危险干扰不会发生。1997年《京都议定书》使温室气体减排成为发达国家的法律义务。1999年第125次香山科学会议中，上海大学徐匡迪院士从CO2减排角度提出氢冶金、调峰储能和利用绿电电解水制备绿氢，并提出完整的全氢冶金短流程工艺路线：纯氢直接还原铁矿石-电炉熔分(图7)[6]。2002年在国家自然科学基金委员会主办的冶金学科战略研讨会上，徐匡迪院士提出氢冶金技术思想并介绍了低温氢还原铁矿微粉多物理场下成型工艺流程[7]。随后，国外陆续开展了多个降低钢铁生产碳排放的氢冶金发展规划项目。徐匡迪院士持续推动中国氢冶金、钢铁低碳的发展，多次在中国钢铁年会上强调研究开发氢冶金技术的重要性和规划[7-9]：①未来钢铁工艺的能源结构是氢能，21世纪是氢能经济时代，也是氢冶金时代；②建立资源节约型和环境友好型钢铁企业，发展绿色冶金是钢铁工业可持续发展的必然要求[8]，包括利用冶金过程炉气制氢；③当绿色环保氢能源占主流时，下一代钢铁生产技术可能是“氢还原”。2009年第七届中国钢铁年会上，徐匡迪院士的“低碳经济与钢铁工业”主旨发言指出：中国钢铁业需及早制定CO2减排路线图，研究低碳炼铁技术，在钢铁设备达到服役期(2020—2030)时，应该优先考虑高炉炉顶煤气循环及高炉喷吹焦炉煤气，实现CO2减排；及时部署前瞻性的碳减排技术研发，主要包括碳捕集技术，充分利用现有工业规模的煤气制氢；在非化石能源成为主流时(2050年左右)，可推出氢冶金工业技术[10]。

图6 围绕降低碳排放和氢冶金的重要节点事件

图7 全氢流化床直接还原-电炉熔分短流程

国外较早部署绿色低碳冶炼研究规划项目(表2)。2004年欧盟设立ULCOS(超低CO2炼钢)项目，目标是使欧盟吨钢CO2排放量降低至少50%，包括高炉炉顶煤气循环(TGRBF)、先进直接还原工艺(ULCORED)、新兴熔融还原工艺(Hisarna)和电解铁矿石工艺4个技术路线。2008年日本启动COURSE50项目，关键技术是以氢代碳还原炼铁法、CO2分离和回收[11-13]。2016年瑞典发起“Carbon-Dioxide-Free Steel Industry”计划，开始非化石能源钢铁项目HYBRIT(hydrogen breakthrough ironmaking technology)，用H2替代高炉用煤粉和焦炭[14-15]。2017年韩国POSCO钢铁开始低碳冶炼项目[16]。2019年德国蒂森克虏伯9号高炉首次喷吹纯氢，正式宣布“以氢代煤”炼铁[17]。

表2 国外氢冶金低碳冶炼项目

由图8展示的日本钢铁工业减碳技术路线图可以看出，近中期发展高炉富氢冶炼(COURSE50和Super COURSE50)，中远期发展非高炉的氢还原炼铁，配合CO2的捕集利用和封存来实现钢铁工业碳减排[12]。

图8 日本钢铁工业减碳技术实施路线[12]

2016年，瑞典开始实施非化石能源钢铁项目——突破性氢能炼铁技术(HYBRIT)(图9)[18]。HYBRIT核心是以非化石能源替代传统的化石能源，利用氢气替代高炉生产用的燃煤和焦炭，降低CO2排放。HYBRIT工艺的特别之处在于所用氢气均通过可再生的绿电电解水获得。电解水工艺虽然耗能高，但所需电力可以再生，因此整个工艺的碳排放可以忽略。研究内容包括利用纯氢直接还原球团矿生产海绵铁的技术和球团、烧结工艺的非化石能源加热。HYBRIT于2017年底完成可行性研究，2024年完成中试研究和测试，到2028年将试验工厂扩大成示范工厂，并作为工业化生产设施连续数月24 h运转，至2035年全面试产。这种氢基直接还原铁-电炉熔分短流程已成为实现钢铁生产近净零碳排放争相示范的“梦工厂”模式。宝武集团在湛江、河钢集团在宣化、鞍钢集团在鲅鱼圈均布局开展这种短流程工艺示范项目的研发和建设。

图9 瑞典HYBRIT项目与传统高炉-转炉流程对比[18]

相比国外低碳、氢冶金方面的研究规划布局，中国氢冶金基础研究虽然一直在持续，但由政府和企业牵头的整体性规划研究最近两年才陆续展开，相关项目刚开始布局实施。2006年科技部批准氢冶金规划立项，但受制于氢气成本和工艺未持续跟进。直到近几年，中国各大钢企及院校开始陆续布局氢冶金技术项目(包括高炉富氢和氢基非高炉炼铁工艺)(图6、表3)，并将其列入2021年中国“双碳”技术路线图规划中(图1)。

表3 国内氢冶金低碳冶炼项目

(1)高炉富氢冶炼技术开发

高炉富氢低碳冶炼的技术特征是“富氢还原”耦合“炉顶煤气循环”。从高炉炼铁的基本原理出发(图10)，实现高炉富氢低碳冶炼的核心技术环节主要包括：富氢(或纯氢)气源供给、预热调质和喷吹；实现炉内富氢低碳冶炼过程顺行高效的综合调控；富氢冶炼下适应性新炉料的应用；炉顶煤气循环喷吹；捕捉分离出的CO2的固化利用。要实现炉顶煤气的循环喷吹，高炉排出的炉顶荒煤气需要除尘、分离去除氧化产物组分CO2、H2O和惰性组分N2。要最大限度地减少CO2排放，需要对从煤气中捕捉富集出来的CO2进行规模化综合利用。

目前，国内宝武集团新疆八一厂(以下简称八钢)400 m3工业级富氢碳循环高炉(图10)、上海大学-兴国铸业的40 m3半工业化试验高炉富氢的技术开发具有代表性。2020年7月15日，八钢的400 m3工业级别试验高炉正式点火开炉，开启了八钢低碳冶金特色创新之路。第一阶段工业试验，计划3～4个月内突破传统高炉富氧极限，实现35%高富氧冶炼；第二阶段引入脱除CO2，再用3～4个月打通煤气循环工艺流程，实现50%超高富氧。完成氧气高炉顶煤气循环和全氧冶炼后，进一步开展富氢冶金工业试验。2021年10月八钢进行了富氢碳循环高炉第三阶段科研试验的工程建设，截至2022年3月，完成试验高炉土建基础浇筑工作，进入地面以上结构施工阶段。

图10 高炉富氢低碳冶炼关键技术与工艺

2021年，上海大学与昌黎县兴国精密机件有限公司联合建成我国富氢低碳高炉炼铁领域首台/套专业化、半工业规模的热模拟科学实验系统。该系统以可解剖打开式的40 m3试验炉为核心，具备供氢、富氢冶炼、炉顶煤气循环喷吹和二氧化碳捕集分离等环节的数据监测、评估功能。目前，我国首次以纯氢为喷吹气源进行高炉富氢冶炼技术开发的试验已成功完成，纯氢气喷吹量达1 800 m3/h、吨铁250 m3。“以氢代碳”冶炼试验达到降低焦比10%以上、减少CO2排放量10%以上和铁产量增加13%以上，同时获得钢铁生产中大规模安全使用氢气的经验。利用氮气对试验炉进行快速“冷冻”，并对“冷冻”后的试验高炉进行解剖分析，进一步解读富氢对炉内炉料结构和性状变化的作用规律，为构建完整的富氢低碳冶金技术理论和工艺奠定基础。

(2)氢基非高炉冶炼技术开发

中晋太行矿业有限公司2017年8月开工建设我国首套以重整焦炉煤气为气源的30万吨级富氢竖炉直接还原铁工业化试验装置，并于2019年10月调试投产。钢铁研究总院承担的“十三五”重点研发计划项目，开展氢基竖炉和电炉熔分短流程炼钢工艺技术研究。2022年初宝武集团在湛江百万吨级、河钢集团在张家口2座55.5万吨级的氢基竖炉直接还原铁项目开工建设。2021年4月建龙集团内蒙古赛思普公司与北京科技大学等合作完成30万吨级氢基熔融还原的建设，并成功出铁。2021年7月鞍钢集团联合中国科学院大连化学物理研究所(中科院大化所)、中国科学院过程工程研究所(中科院过程所)及上海大学在鲅鱼圈布局研发光伏/风电(绿电)-电解水制氢(绿氢)-全氢流化床直接还原技术。

4 发展氢冶金的关键问题

绿色经济化制氢和安全规模化用氢是发展氢冶金的关键。以氢代碳、氢冶金是清洁氢能在工业领域的重要应用场景。厘清氢能制备和氢冶炼技术的发展瓶颈与节奏，确定氢能和钢铁冶炼产业合作共赢的可行性时间和技术路线图，实现协调发展，为落实氢冶金对实现“双碳”目标的重要支撑作用奠定基础。

4.1 绿色经济化制氢

以氢代碳的富氢或全氢冶金，无论发展高炉还是非高炉路线，大规模经济化的氢源是基础。中国“富煤缺油少气”的能源禀赋，缺少充足天然气和经济规模的氢源，长期以来一直是发展高炉富氢、氢基竖炉和熔融还原工艺的瓶颈，也是目前低碳化转型过程中卡脖子的问题。

2022年3月，国家发展改革委员会和国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》(以下简称《规划》)确定氢能清洁低碳发展原则，并提出发展目标。到2025年，可再生能源制氢量达到10万～20万t/a，成为新增氢能消费的重要组成部分，初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。《规划》要求结合资源禀赋特点和产业布局，因地制宜选择制氢技术路线，着力构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系，重点发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢。这为氢冶金的氢源供给提供新的发展机遇。

2019年《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测不同制氢方法产氢量的发展趋势(图11)[19]。目前，氢气主要来源于化石燃料制氢(67%)和工业副产氢(30%)，电解水制氢仅占3%；到2030年，化石燃料制氢与工业副产氢占比分别降到60%和20%，电解水制氢占比增加到20%；到2050年，基于各种可再生能源产生的绿电电解水制氢占70%。不同的制氢方法和技术各具优劣(表4)。氢可广泛用水、化石燃料等含氢物质制取，但全程无碳的技术路线有限。灰氢由以焦炉煤气、氯碱尾气为代表的工业副产气制取，过程伴随碳排放；蓝氢由煤或天然气等化石燃料制取，并将CO2副产品捕获、利用和封存(CCUS)，可实现低碳排放生产；绿氢是通过使用再生能源(例如太阳能、风能、核能等)制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，生产绿氢的过程完全没有碳排放。绿氢是氢能利用的理想形态，但受到目前技术及制造成本的限制，实现大规模应用还需要时间。

表4 制氢方法及各制氢技术的优劣势

图11 中国氢能制备与供给的发展趋势

近中期可以充分利用各类工业产氢，就近消纳，降低工业副产氢供给成本。目前我国氢气产量约为3 300万t/a，主要以化石能源制氢和工业副产氢为主，煤制氢和天然气制氢占比近80%，焦炉煤气、炼厂干气及电烯干气等工业副产氢占比约20%。把副产氢应用于氢冶金，逐渐改变传统的煤气燃烧加热、发电等优质能源的价值错配利用模式。随着可再生能源制氢示范规模的逐步扩大，季节性储能和电网调峰的发展，清洁低碳的氢能供给将会逐渐释放巨大潜力。虽然我国可再生能源制氢体量不大，但发展态势很积极，可再生能源装机量全球第一。钢铁企业可利用厂房屋顶建设分布式光伏发电系统，铁矿企业可充分利用尾矿库建设风光一体发电站。开展可再生能源制氢项目，有效推进钢铁企业能源结构逐步调整。远期的光伏、风能、水电等绿电电解水制氢，将可支撑中国钢铁工业的氢冶金低碳化转型。

4.2 安全规模化用氢

安全规模化用氢需要解决两方面的问题：

(1)冶金领域供氢模式与软硬件设施

氢是用能终端实现绿色低碳化的重要载体。氢能的经济布局正在制备、储存、运输、分配和使用各方面展开，整个产业链要求各个领域都有其支撑。由传统的碳基能源转换为清洁氢能源，钢铁企业环境下氢的储存、运输和向冶金反应器喷吹利用模式，对应的安全、温度、压力、流量等过程控制硬件和软件设施、设计和建设标准规范等是基础。

化工和交通领域用氢发展最快，基础设施、安全规范标准较完善。中国《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》(图12)，规划了2016—2020年集中攻克大规模制氢技术、分布式制氢技术和氢的储存运输，2020—2025年制氢技术进行试验示范，以及解决氢储存运输的问题后试验示范，争取在2030前实现制氢技术和氢气储存运输的应用推广[20]。冶金领域的供氢模式和储运设施可借鉴交通领域的供氢储氢设备，也可以按三阶段布局和发展：集中攻关、试验示范和应用推广。我国近些年出台的《中国制造2025》《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》和《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》等文件，均明确提及要重点研发氢能以及相关应用技术的基础、示范和标准的建设和完善。

图12 中国《能源技术革命创新行动计划(2016–2030年)》

(2)以氢代碳的冶炼反应调控

高炉富氢低碳冶炼

高炉富氢喷吹方面的相关研究分3类：①直接利用现有设备从风口喷入高炉(类似喷煤)，对高炉黑箱冶炼过程进行经验性尝试，考察用氢对焦比、产量等指标的宏观影响；②实验室里针对高炉内不同部位的局部模拟实验，如高炉上部的气固间接还原、滴落带等；③数值理论计算模拟。

富氢的焦炉煤气(典型成分为56%～60%H2、23%～27%CH4、5%～8%CO、1.5%～3%CO2、2%～4%CmHn和0.3%～0.8%N2)用于高炉喷吹增加冶炼过程用氢量的研究最为广泛。通过理论和建立数学模型，分析高炉喷吹焦炉煤气对风口区理论燃烧温度、炉腹煤气量、煤气组成、回旋区形状、炉缸区总热量、还原、降焦、极限喷吹量、焦炭置换比等的影响，预测炉内现象的变化规律[21-24]。储满生等[25]还利用分析模型定量描述了高炉冶炼过程能量转换和利用效率。这些理论分析表明高炉喷吹富氢焦炉煤气可降低焦比、增加产量及减少碳排放量，这与氢参与冶炼反应导致风口理论燃烧温度、煤气量、还原气氛、直接/间接还原、软熔带等高炉内部物化过程变化密切相关。同时研究人员也发现喷吹焦炉煤气导致炉内温度降低、热量不均衡和还原气利用率低等问题，并从理论上提出鼓风富氧、炉料热装、循环喷吹炉顶煤气等可能的措施。

在理论分析基础上，对高炉块状带、软熔滴落带的局部实验模拟研究也表明高炉喷吹富氢煤气对炉料的低温还原粉化、间接/直接还原、软熔滴落、成渣过程和焦炭性能等均有明显影响[26-29]。吕庆课题组[30-32]对高炉喷吹富氢煤造气进行了系统研究。高炉喷吹富氢煤气一定程度上对改善透气性、强化高炉冶炼、降低能耗有利，但同时增加氢用量又会加速焦炭气化，降低焦炭气孔率和强度，恶化透气性[33]。这些针对高炉内局部的实验模拟研究进一步验证了理论分析，加深对高炉喷吹富氢气体的认识。

高炉喷吹焦炉煤气的实践国外较多，中国冶金企业焦炉煤气主要用于燃烧加热和变压吸附提氢保护气，没有余量用于高炉喷吹，只有少量简单试验。20世纪80年代，苏联马凯耶沃、法国索尔梅钢厂开始高炉喷吹焦炉煤气的试验；后来美国MON VALLEY钢铁公司和奥钢联林茨厂也尝试过高炉喷吹焦炉煤气[34]。我国本钢、鞍钢、济钢、鞍钢鲅鱼圈厂区等也用焦炉煤气进行高炉喷吹试验[35-36]。这些实践表明，喷吹富氢焦炉煤气有利于降低焦比，炉况向好，提高产量，改善生铁质量。然而，2010年承钢高炉喷吹焦炉煤气的3次工业试验效果都不理想，燃料比不降反升，铁损也大幅升高[37]，其中的原因未见公开报道。高炉喷吹天然气主要集中在天然气丰富的国家，如苏联彼得洛夫斯基厂、北美的高炉、日本JFE京滨2号高炉、巴西等，喷吹天然气有利于加速炉料还原，降低焦比，增产和减少CO2排放[38]。上述研究主要从资源综合利用角度出发，尝试开展高炉喷吹含氢气体的实践。

综上可知，国外对含氢焦炉煤气和天然气参与高炉炼铁进行了一些生产实践和基础研究，公开报道也多是一些整体工艺结果，涉及关键技术理论的极少。国内相关研究大多处于数值理论分析和炉内局部实验模拟的探索阶段，缺乏高炉实践验证。高炉喷吹试验尝试结果有好有坏，其中的原因未知。这些研究得到几种富氢气体参与高炉冶炼过程的一些特点，但在采用传统炼铁操作，如精料、高风温、富氧喷煤等，来降低碳消耗与碳排放达到极限的情况下，进一步从用氢代替碳实现CO2最大量减排的角度，氢对高炉内从上到下(喉、身、腰、腹、缸)连续冶炼过程整体影响规律是什么？保证高炉顺行的最大用氢量是多少？如何对富氢低碳冶炼过程进行调控？这些关键问题还远没有形成系统完整的认识。

与CO相比，氢气还原铁氧化物反应更快，换热传热效果好，扩散速率快，在还原动力学方面更具有优势，改善了铁矿石还原性能。但氢还原也存在一些问题[21,39]：①氢还原反应是吸热反应，需要额外补充热量，炉子容易向凉或 “上冷下热”，影响还原速率，严重时发生悬料；②上部低温区铁矿石还原粉化增大；③矿焦体积比升高，熔损反应变化，恶化透气性；④吹入模式包括风口吹入和炉身下部吹入，存在气流分布的问题；⑤氢气一次利用率低。

为了保证炉内良好的热状态，需要进行热补偿，氢气喷入反应炉之前预热到较高温度是补热的一个有效途径。氢气是易燃易爆的危险气体，富氢气体或纯氢加热比空气加热困难很多。在高温高压下，氢气容易与金属发生反应产生氢腐蚀等问题。因此，保障富氢气体或纯氢加热技术安全稳定运行是研究开发氢冶金技术的难点，包括富氢气体或纯氢加热装备、相关耐火材料、富氢气体或纯氢的高温带压输送等。

氢基非高炉工艺

氢基非高炉炼铁工艺主要包括氢基直接还原(竖炉、流化床)和氢基熔融还原，以氢基竖炉直接还原为主，发展也更完善。

当前没有纯氢基直接还原铁系统运行，但富氢基(CO+H2，H2含量55%～80%)直接还原铁的技术比较成熟。典型的工艺包括以竖炉为还原反应器的Midrex技术和HYL技术、以流化床为还原反应器的FIOR(fine iron ore reduction)技术和FINMET技术。这些技术源于拥有丰富天然气的南美地区，已有几十年稳定生产实践。Midrex和HYL技术的单套系统产能每年达250万t DRI。FIOR技术开发于20世纪60年代，1976年在委内瑞拉建成40万t/a的工业生产装置且稳定运行了几十年，后与奥钢联合开发每年100万t DRI的FINMET系统，2001年投入运行。另外，FINEX熔融还原技术也以CO+H2混合气为还原剂，采用多级流化床还原铁矿粉，产能达200万t/a。

从富氢转变为纯氢气基直接还原，最大的工程实践难点在于反应系统供热与还原的匹配。富氢混合气中CO还原铁为放热反应，富氢基直接还原供热需求低于纯H2还原，尤其对于大型反应器的供热问题更为突出。CO还原FeO为Fe的反应为放热，随着温度升高需要CO浓度升高，热力学还原难度增加；炉顶压力0.4 MPa条件下，每吨直接还原铁需要消耗2 600 m3温度为900 ℃的氢气，才能满足竖炉还原的热量需求，而纯氢流化床每吨直接还原铁所需的入炉氢气量则高达4 000 m3。氢气还原速度与氢气还原量并非线性正相关，氢气还原能力受到反应器内部温度场的制约，增加氢含量会加快还原进程并达到还原速率的最大值，最大氢含量是该条件下的最佳比例。氢含量进一步增加，氢还原铁矿石吸热效应将使铁矿石床层温度降低，吸热效应逐渐占主导，还原速度会持续地明显受阻。这是还原动力学的特点。这时，要提高还原反应速率，必须增加入炉高温氢气的流量，或者用其他物理方法向床层补充热量保持高温，才能达到氢气快速还原的效果。

美国钢铁协会1980年出版的《直接还原铁生产和应用的技术与经济》中的能量平衡表明，纯氢气竖炉和流化床直接还原流程能耗非常高(表5)，包括制氢吨铁能耗高达7.08～11.55 Gcal，比现代竖炉高3～4倍。100%氢气直接还原炼铁可能在经济上不可行。由于纯氢气还原铁矿过程大量吸热，使竖炉散料层内的温度场急剧变凉，后续氢气还原氧化铁的反应变慢。如要维持预定生产率，必须增加作为载热体的入炉氢气量。例如，炉顶压力0.4 MPa，900 ℃入炉氢气量至少要达到2 600 m3/t(DRI)以上，才能满足竖炉还原热量需求，纯氢流化床入炉氢气量高达4 000 m3/t(DRI)。与目前生产的竖炉相比，如果氢气供应量不变，纯氢气竖炉的DRI产量将减少1/3，竖炉生产率降低1/3，造成竖炉还原铁产品的成本大幅度提高，使企业亏损。其他问题包括氢源经济性、还原产物高活性、安全储运和政策等。

表5 纯氢基直接还原工艺的能量平衡 Gcal

氢基竖炉-电炉熔分短流程中，竖炉对球团矿的品位要求非常高(65%以上)，对钢铁炉料构成比较大的挑战。低品位炉料通过氢基竖炉直接还原后，再进电炉进行渣铁熔分，渣量会非常大，传统的电炉难以承受。是否可以通过特殊的电炉进行渣铁分离，形成铁水与转炉进行连接，走传统的转炉、连铸、轧钢的流程值得探讨。

4.3 顶层规划设计(市场化的难点和对策)

对于高耗能、高碳排放的钢铁企业来说，实现过程低碳化需要投入大量资金用于采用清洁能源、改进生产工艺、更换升级生产设备等，每一项都会增加企业的成本。这是低碳技术推广应用存在的主要市场风险和障碍。除具体的低碳技术基础外，钢铁工业要实现低碳高质量发展，还需要有多方面的外围支撑：金融的支持，打造碳金融体系，促使更多金融资本参与；财税政策优惠；建设碳交易市场体系，以碳税促进发展；国际合作，包括碳边境调节税、低碳技术合作、国际产能合作和低碳标准衔接等。能源消耗高密集型的钢铁行业是制造业31个门类中碳排放大户，是碳交易市场的主要目标和核心参与者，需要纳入监控与交易体系。利用碳交易机制促使具有减排潜力和效率的高耗能钢铁企业加快采纳低碳技术，提高低碳技术市场化程度，促进低碳技术的推广应用。

“碳排放交易”将成为推动低碳技术发展的有力杠杆。2017年12月全国碳排放交易体系正式启动，初期为30～40 元/t，2020年74 元/t，计划2025年为108 元/t。2021年7月15日，宝武钢铁集团联合多个投资公司设立国内最大的碳中和主体基金，总规模500亿，首期100亿。2021年7月16日上午9点30分，全国碳排放权交易在上海环境能源交易所正式启动，首笔全国碳交易：52.78 元/t，总成交16万t，交易额790万元。2021年启动碳交易市场100日，成交额累计达35亿元。钢铁行业作为CO2排放大户，是碳交易市场的主要目标和核心参与者，政策性减排将“倒逼”钢铁企业发展低碳冶炼技术。

氢气成本是制约氢冶金在钢铁冶炼生产中应用的关键因素，氢冶金经济性影响因素主要由被代替的碳成本、减少的碳排放税、冶炼过程效率提高和氢气成本构成。氢冶金经济性临界点是一个关键点，当氢冶金经济性临界点为零，即氢气成本与被代替的碳的成本、减少的碳排放税、冶炼过程效率提高持平或氢气成本更低时，氢冶金炼铁炼钢与传统碳冶金具有竞争力，氢冶金才可能大规模推广应用。这里说的氢气成本包括制备、储输运等环节。降低氢制备成本的同时，氢的大规模安全输送和储存技术、基础设施的布局和建设等环节的成本也是影响用氢经济性的重要组成部分。

5 结论

在应对气候变化和能源转型的背景下，氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。我国钢铁行业碳排放占全国碳排放总量15%，是推动碳减排的重要领域。以氢代碳的氢冶金技术是钢铁产业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。以上梳理和追溯了氢冶金的发展历程和存在的问题。

(1)在传统碳冶金基础上，从以减少对焦炭和焦煤资源的依赖为初衷，发展到以降低碳排放、实现冶金过程净零碳排放为目标，钢铁生产逐渐形成了基于高炉炼铁开展高炉喷吹富氢(或纯氢)技术路线和基于现有气基还原工艺的富氢(或纯氢)还原技术两条氢冶金发展主线。

(2)中国“富煤缺油少气”的能源禀赋，没有天然气和经济规模的氢源，长期以来一直是限制发展氢冶金技术的瓶颈，也是目前低碳化转型过程中卡脖子问题。国外较为成熟的富氢冶金技术在我国没有得到推广，我国的氢冶金尚处于探索阶段。发展氢冶金的关键问题是绿色经济化制氢和安全规模化用氢。

(3)2021年科技部的双碳技术路线图对我国氢冶金的发展定位和目标形成了初步的规划和顶层设计。2022年国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》确定氢能清洁低碳发展原则和发展目标，建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。这为氢冶金的氢源供给提供了新发展机遇。

(4)以氢代碳，由于CO还原铁为放热反应，氢还原为吸热反应，反应系统供热与还原的匹配问题是高炉富氢和纯氢基直接还原工程实践中需要解决的难点。以“富氢还原”耦合“炉顶煤气循环”为技术特征的高炉富氢低碳冶炼亟待解决的关键问题包括：富氢下高炉内铁氧化物氢、碳还原竞争机制和适宜富氢量，原/燃料冶金性能的优化，软熔带调控及极限焦比等。氢基直接还原装备的国产化、大型化也是需要有序推进、解决的问题。