摘 要  氢气高能量密度、高还原性以及清洁性特点，让氢能拥有广泛的应用场景。在全球环保趋严的背景下，氢冶金技术不但从根本上实现钢铁生产碳排放为零的可能，而且还降低高精钢材性能低、质量不稳定等问题，对我国钢铁产业升级和高质量发展具有重要实践意义。文章以例举方式综述了氢冶金在国内外的发展概况，在一定程度上为国内钢铁企业氢冶金技术建设项目提供借鉴作用。

关键词  氢冶金  氢能  制氢  富氢  CO₂

1  前言

氢冶金的本质是在还原冶炼过程中用气体氢代替碳作还原剂，并且生成物是对环境友好的H₂O。不仅如此，氢作为还原剂在炼铁工艺中的有效利用还可以降低生产过程中的煤耗，减少冶金工艺中碳还原剂的消耗，从而有效提高金属还原效率，实现钢铁行业的全面可持续发展。特别是在绿色低碳发展的背景下，氢冶金应运而生，以氢代替碳是当前低碳发展、能源变革的重要方向，能源技术创新和产业变革的推动力。

2  国外氢冶金发展现状

国外多家钢铁企业对氢冶金进行了开发，项目大都进入了建设或者试验阶段。

2.1 欧洲

2.1.1安赛乐米塔尔集团开展纯氢炼铁技术研发

安赛乐米塔尔集团在德国汉堡厂投资近7 000万欧元建设氢能炼铁实证工厂，用于氢直接还原铁矿石的项目研究，项目思路与瑞典HYBRIT项目类似，并计划在未来几年建设中试厂。

目前，天然气是安米汉堡厂生产直接还原铁的主要材料。近年来，安米与弗莱贝格工业大学进行纯氢炼铁项目合作，计划在未来几年在汉堡厂共同推行项目，对氢直接还原铁矿石进行试验和工艺精进，预计中试厂的规模为10万吨/年。其中，该合作项目将采用变压吸附法从炉顶煤气中分离氢气，有效处理氢气使其纯度达到95 %以上。项目表明待未来有足够数量绿氢时，该厂将采用绿氢生产。

2.1.2瑞典钢铁HYBRIT项目

瑞典钢铁公司与大瀑布电力公司和铁矿石公司于2016年联合成立HYBRIT项目合资公司，该项目在钢铁生产中使用无化石燃料的电力和氢气代替焦炭和煤，排放的将是水而不是二氧化碳。项目有可能将瑞典的二氧化碳总排放量减少10 %。

HYBRIT项目研究任务包括：研究可再生能源发电及其对电力系统的影响，寻找有效的可再生能源用于发电，为非化石能源冶炼提供能源，同时降低制氢成本；建设制氢与存储工艺及相关装备，为HYBRIT工艺提供低成本、可靠稳定的氢气，并进行氢气产业链布局；研究氢基直接还原炼铁工艺；研究配套炼钢工艺；研究系统集成、过渡路径和政策等。传统工艺和HYBRIT工艺流程见图1。

图1  传统工艺和HYBRIT工艺流程比较

2.1.3萨尔茨吉特SALCOS项目

SALCOS项目旨在对原有的高炉-转炉炼钢工艺路线进行逐步改造，把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线，同时实现富余氢气的多用途利用。SALCOS项目工艺设想如图2所示。

图2  萨尔茨吉特GrInHy2.0项目设想

2016年4月萨尔茨吉特正式启动GrInHy 1.0（绿色工业制氢）项目，采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，并将多余的氢气储存起来。当风能（或其他可再生能源）波动时，电解槽转变成燃料电池，向电网供电，平衡电力需求。2017年5月该系统安装了1500组固体氧化物电解槽，2018年1月完成系统工业化环境运行，2019年1月完成连续2000个小时系统测试后，萨尔茨吉特开展了GrInHy 2.0项目。GrInHy 2.0项目的显著特点是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气，用水蒸气与绿色再生能源发电，然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产，也可用于钢铁生产的后道工序，如作为冷轧退火的还原气体。

2019年4月份，在汉诺威工业博览会上，德国萨尔茨吉特钢铁公司与特诺恩公司（Tenova）签署谅解备忘录，继续推进SALCOS项目。

2.1.4德国迪林根和萨尔钢公司富氢冶炼技术

迪林根和萨尔钢公司作为德国主要钢铁企业也参与到氢还原铁的研究项目中，研究在萨尔炼铁公司的两座高炉上输入富氢焦炉煤气，用氢取代部分碳作为还原剂的工艺技术。公司表示该项目计划从2020年开始实施，研究项目所涉及的设备及基础设施不影响高炉的运行。萨尔公司高炉代表了欧洲目前最现代和最高效的技术运用，该公司在过去15年中投入了约5亿欧元改进排放技术和能耗，致力于不断提高环境保护水平。考虑到欧洲排放配额成本飙升，富氢炼铁项目的推进将大幅降低CO₂能耗和排放成本，这个举措对萨尔钢公司未来可持续发展至关重要。

2.1.5德国蒂森克虏伯氢炼铁技术

蒂森克虏伯集团与液化气公司进行氢炼铁项目合作，计划到21世纪50年代陆续投资共100亿欧元推进氢还原铁项目实施，将氢喷入高炉。2019年年底，蒂森克虏伯正式进行氢炼铁试验，将氢气通过一个风口注入了杜伊斯堡厂9^#高炉，标志着合作项目一系列测试实验的开始。蒂森克虏伯发言人表示，如果进展顺利，将把氢气的使用范围逐步扩展至覆盖杜伊斯堡厂9^#高炉全部风口。此外，该厂计划自2022年开始，将氢炼铁技术在逐步运用于其他三座高炉的钢铁冶炼生产环节中，大幅降低能耗及CO₂排放，预计降幅可达20 %。为此，蒂森克虏伯集团合作对象，液化气公司计划推进莱茵-鲁尔区200公里的输送管道及相关部署来确保氢气供应的稳定。

2.2日本“COURSE50”低碳炼铁项目

“COURSE50”，即日本环境友好型炼铁工艺技术开发项目，是日本主要的低碳炼铁项目，于2008年开始运行，目标是采用氢还原铁技术达到CO₂减排10 %，并以技术和设备精进将从高炉煤气中有效分离回收CO₂，使CO₂达到20 %，通过还原剂置换和废弃回收等技术实现整体减排30 %的目标。“COURSE50”项目核心技术是氢还原炼铁法，即将固定比例煤粉和焦炭替换为氢气，以减少冶炼生产中的CO₂排放，同时通过化学吸收和物理吸附等方法将冶炼中煤气里的CO₂进行分离和回收，并通过不断试验和技术精进最大限度实现CO₂排放。

日本新能源产业技术综合开发机构委托以日本制铁、JFE、神户制钢、日新制钢和新日铁工程公司为代表的日本主要钢铁企业作为试验地点，并着手试验相关工程施工的前期准备、设计等。该试点项目计划于2030年实现1号机组工业生产，并于2050年推广覆盖日本国内所有高炉。

2.2.1 COURSE50项目基本达到CO₂减排10 %目标

日前，日本新能源产业技术综合开发机构和日本钢铁联盟宣称COURSE50通过在日本制铁君津厂高炉的实验研究证明，已基本实现CO₂减排10 %，达成了还原剂置换，CO₂分离、回收、削减的目标。据研究项目第四次试验结果显示，氢还原铁相关技术的运用不仅改善了烧结矿和碳的能耗等情况，而且试验后拆解调查和探棒取样证实实际操作技术与模拟技术基本一致的情况下，CO₂排放量与过往试验相较有效降低了2 %，标志着项目研发技术的进一步突破。

2.2.2 COURSE50计划2022年开始实际高炉放大测试

COURSE50项目在2018年11月进行了为期1月的实验研究，在5次试验中，通过改变气体和原材料的配比，并试验了氢气对炼铁作业的改善效果。第二阶段的研究重点是在高炉中分离回收CO₂以及废热，并计划于2022年度进行实际高炉的放大测试。

2018年，氢气喷入技术对CO₂减排的影响在三维高炉数学模型得到了验证。项目组计划4年后在两座高炉上推行工业试验，目前已开始通过管道气体设计，分析技术等指标进行高炉选定工作。

2.3 韩国

2009年韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议（KNHA），正式开始开展核能制氢相关工作的技术研发和信息交流。2010年中旬，以韩国电力公司为首的财团投资1000亿韩元与浦项钢铁公司联合开展系统集成模块化先进反应堆和超高温核反应堆技术的研发工作。核能制氢在钢铁冶炼中的短期目标是提取冶炼过程中产生的副产气体并制成可作为冶金还原剂的氢气，而中长期目标为不断精益能够低成本大量高效制取高纯度氢气的技术。

3  我国氢冶金技术发展   

我国氢冶金技术起步较晚，近年来国内钢铁企业开始纷纷布局氢冶金领域，在钢铁行业开发推广氢冶金技术，不仅能从根本上实现钢铁生产的近零排放，而且还可以解决我国高精钢材性能低、质量不稳定等问题，并对我国钢铁产业升级和高质量发展具有重要实践意义。

3.1中国宝武核能制氢

2019年，中国宝武与中核集团、清华大学签订核能利用合作协议，三方联合，资源共享，共同打造世界领先的核冶金产业联盟。核能制氢是以水为原料，将核反应堆与采用先进制氢工艺耦合，其优点是不产生温室气体、效率高、规模大等，是冶金行业降低化石能源消耗、缓和世界能源危机的一种经济有效的措施。该协议结合宝武钢铁产业的发展需求，将核能技术与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合，实现钢铁行业CO₂的超低排放和绿色制造，为行业起到示范作用。核氢设施见图3。

图3  核氢设施图

3.2河钢集团120万吨规模的氢冶金建设

河钢集团与国外公司进行氢冶金技术方面合作，采用世界最先进的制氢和氢还原技术，联合研发建设世界第一例120万吨规模的氢冶金示范工程。项目将从分布式氢冶金、焦炉煤气净化、气体自重整、成品热送、二氧化碳脱出、低成本制氢、绿色能源等全流程进行创新研发，探索出钢铁工业发展低碳、甚至“零碳”经济的最佳途径，项目从改变能源消耗结构入手，共同研发以氢能为核心的新型钢铁冶金生产工艺，解决钢铁冶金过程环境污染和碳排放问题。充分利用风能、太阳能等分布式可再生绿色能源，结合应用电解水制氢和工业气体制氢等先进技术，共同打造世界上第一条氢冶金示范工程生产线。

3.3酒钢成立氢冶金研究院

2019年，酒钢集团公司成立了氢冶金研究院，代表着酒钢集团在氢冶金研究及产业化落地方面在同行业“领跑”地位，也是酒钢实施创新驱动及资源保障战略，实现高质量发展的重要举措。氢冶金研究院成立于酒钢技术团队取得的煤基氢冶金和干磨干选研究方面的创新成果基础上。酒钢集团将以自主知识产权技术为核心申报国家级“酒钢制铁短流程”示范项目，全面建成国家级“酒钢煤基氢冶金+干磨干选制铁短流程”示范基地，并建成以煤基氢冶金及干磨干选技术为核心的酒钢“成果研发+工程咨询”新的产业板块。

当前，酒钢建设的首套煤基氢冶金中试装置及配套的干磨干选中试装置已完成热负荷试车，为达到项目既定目标，将对部分设备设施进行消缺和功能完善后正式投运。

3.4建龙集团建设年产30万吨富氢熔融还原高纯铸造生铁项目

内蒙古赛思普科技有限公司（隶属建龙集团）总投资近11亿元的富氢熔融还原法高纯铸造生铁项目预计2020年底实现试生产，项目规模为年产30万吨。该项目运用富氢熔融还原新工艺，强化对焦炉煤气的综合利用，推动传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变。目前项目建设场地基础平整和框架装机已经完成，正在进行MPR炉、热风炉主控楼、鼓风机站主体基础建设。赛思普绿色冶金技术是建龙集团联合北京科技大学等国内知名院校联合开发，不仅取消了传统钢铁冶炼中烧结、球团、焦化等排放量大的工序，还可以生产高纯金属，优化钢铁生产结构，提高产品质量和附加值。

4  氢冶金技术趋势

4.1全球氢冶金技术尚处于研发、试验阶段

当前，全球氢冶金项目研究可以分三步走：第一步，2025年前，建立中试装置研究大规模工业用氢能冶炼的可行性；第二步，到2030年，实现以焦炉煤气、化工等副产品中产生的氢气进行工业化生产；第三步，到2050年，实现绿色经济氢气的工业化生产，并进行钢铁高纯氢能冶炼，其中氢能以水电、风电及核电电解水为主。

国内氢冶炼技术当前还处于研发起步阶段，多数企业仍处于项目规划，签订合作协议的阶段，只有少数企业设立了以清洁能源生产氢气作为冶炼能源的目标，多数企业还是以利用焦炉煤气、化工副产品等作为氢源冶炼为项目目标。

我国氢冶炼技术的研发还需要以国家层面高度的规划和定位，确定可行的技术路线图，在政策支持下，实现氢能和钢铁冶炼产业合作共赢。

4.2我国氢冶金顶层设计和政策引导亟待加强

目前，我国与氢冶金配套的专项规划、政策体系、标准体系、安全规范缺乏顶层设计。我国出台了涉及氢能领域各方面的一系列政策推动氢能产业健康发展，但目前涉及氢能产业的政策主要体现在交通领域，例如新能源汽车、加氢站、氢储存和运输、燃料电池等方面，而氢能在工业领域的应用还处于政策制定和规划之中。

5  我国发展氢冶金的建议

5.1 国家层面需做好氢产业链顶层设计，制定和完善专项规划和政策体系。

从长远来看，仅可再生能源生产的氢（绿氢）是可持续的，这是未来投资的重点领域，包括所需的额外可再生能源发电能力等，而氢的使用重点应放在运输、航空和工业（钢铁和化学）上。面对国内氢能产业发展热潮，要警惕各地“一窝蜂”上项目，避免在方向不明、定位不清、技术未突破、成本过高、商业化不成熟的情况下盲目投资。虽然各地都出台了氢能产业发展政策，但氢能产业还需国家层面的指导。

5.2 氢能产业和氢冶金工艺高质量发展需要高质量的标准体系。

针对氢能产业和氢冶金领域，除做好高质量的统筹规划外，标准引领同样不可或缺。为此，建议成立氢能产业及氢冶金标准化工作组，尽快立项制定相关标准，通过高质量的标准引领，合理引导和促进氢能产业和氢冶金工艺健康发展。

5.3 加强核心技术知识产权保护和全球化布局。

据不完全统计，全球主要国家氢能源和燃料电池产业发明专利持有情况如下，日本占56.32 %，美国占13.63 %，中国占8.92 %，韩国占8.28 %，德国占5.57 %，其他国家占7.27 %。中国虽然跻身前三名，但是与日本、美国的差距较大，与后来者韩国和德国相比，领先优势不明显。建议相关的行业和企业加强氢能产业和氢冶金关键技术和装备国产化、知识产权自主化建设，企业在关键技术及装备要及时申请专利，同时进行全球化专利布局。

5.4 投资前需做好调研和风险评估工作。

当前，低成本制取“绿氢”、储氢和加氢等关键技术还未实现重大突破，制氢成本下降空间有限，相关支持政策还未确定，钢铁企业开展氢能产业、氢冶金工艺项目投资时应进行充分调研评估，重点关注项目政策风险、技术风险、安全风险、市场风险、知识产权风险以及项目经济效益、社会效益等。建议企业投资前积极借力包括专业咨询机构在内的外部资源，做好项目技术调研、经济分析、风险评估等基础论证工作。

5.5 统筹规划分步实施

有条件的钢铁企业，可以先开展高炉喷吹焦炉煤气、天然气等富氢气体的工艺试验研究；如果碳排放的压力进一步加大，可以考虑开展高炉炉顶燃气循环利用工艺研究，在此基础上如果制氢工艺成熟，成本进一步降低，可以实施富氢工艺冶炼；全氢冶炼建议放在最后，待制氢技术及全氢冶炼工艺装备均比较成熟以后再扩大应用。

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