文｜冯相昭 黄晓丹 李欢 张秉毅 李建

导读：

2023年12月23日，由中国宝武建设的国内首套百万吨级氢基竖炉项目在广东湛江成功点火投产，标志着我国钢铁行业向绿色低碳转型又迈出了坚实一步。

基于此，2023年甚至被认为是我国氢冶金建设发展的元年。

钢铁是我国推进新型工业化和建设现代化强国的重要支撑，是典型的高载能可循环基础材料工业。面对碳达峰碳中和的目标约束，钢铁行业亟待开辟绿色低碳发展新路径。我国不断加快光伏、风电等绿色能源普及利用，激活了氢产业大规模发展的新价值。

其中，氢冶金成为钢铁行业深度脱碳的一条重要技术路线。当前，国内外积极探索部署氢冶金应用，取得了较好的减碳效果，同时也面临工艺技术难度大、要求高，绿氢大规模制备能力弱，氢冶金成本高和相关政策不配套等挑战。建议加快建设氢冶金技术创新试验平台，打造绿氢供应体系，推动制氢成本下降，出台支持氢冶金发展政策。

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是我国推进新型工业化和建设现代化强国的重要支撑，是实现绿色低碳发展的重要领域。近年来，光伏、风电等绿色电力的规模化应用与电解水制氢技术成本的快速下降，激活了氢产业发展新动能，为我国推进氢冶金发展带来难得的历史性机遇。

在氢冶金技术发展和钢铁企业低碳绿色转型进程中，建立一定规模的生产示范线是大规模工业应用的基础，目前国内龙头企业已提前布局和探索。在现有氢冶金生产示范线探索实践中，还面临着各种问题和诸多挑战，需要国家层面创新体制机制，多部门形成政策合力，促进氢冶金技术应用，推动钢铁行业绿色低碳高质量发展。

氢冶金有望开启钢铁行业绿色低碳技术革命的新征程

（一）我国钢铁碳排放量占比高，绿电制氢技术进步驱动氢冶金应用

钢铁是典型的高载能、高碳排行业，我国钢铁工业碳排放量约占全国碳排放总量的15%，占世界钢铁工业碳排放总量的51%，面临严峻的碳减排压力。同时，钢铁的碳足迹向下游产业传导，将影响我国汽车、家电等众多重点产业的国际竞争力。

现阶段，受工业发展进程及资源禀赋特点制约，我国钢铁高炉-转炉长流程工艺占据主导地位，占比为90%左右，碳排放强度高，低碳冶炼成为实现钢铁工业降碳的重要突破口。随着光伏、风电等绿色电力的加快普及利用与电解水制氢技术成本的快速下降，氢产业发展潜能被激发。以氢代碳的氢冶金正成为钢铁企业优化能源结构和重构工艺流程、实现绿色低碳高质量发展的有效途径之一，已成为国内外钢铁行业绿色低碳发展的战略技术选项。

（二）西方工业强国以专利技术为抓手，抢占氢领域科技制高点

氢领域发展受到世界各工业强国的高度关注。技术专利作为新兴产业发展的“护城河”，西方工业强国在氢领域的专利“前哨站”已经开始布局。2023年，国际能源署（以下简称IEA）发布的《氢专利——为了清洁能源的未来》报告指出，现阶段全球氢专利申请由欧盟和日本主导。2001—2020年，欧盟氢专利申请量保持稳步增长；2011—2020年，日本氢专利申请增长速度超过欧盟，两大经济体的专利申请年复合增长率分别为6.2%和4.5%；美国是第三大氢专利的创新主体。过去10年来，中国和韩国增长势头迅猛，氢专利申请的年均增长率分别高达15.2%和12.2%。

就氢在工业领域的应用而言，日本专利量最多，约占全球的28%，欧盟（27%）、美国（19%）、德国（12%）、韩国（9%）、法国（4%）位列第2—7位，中国和荷兰占比为3%，并列第8位。

（三）国外氢冶金早已开始实践，但还未发展成氢领域主要应用

早在21世纪初，西方工业强国已经开始了氢冶金的探索和示范。自2004年开始，欧洲15个国家共计48家企业和机构开始了ULCOS项目（超低二氧化碳炼钢），旨在降低钢铁冶炼环节的二氧化碳排放。

日本于2008年启动COURSE50项目，历时10年开发以氢代碳还原炼铁法、CO₂分离和回收等关键技术，2018年开始进入高炉应用综合技术开发阶段。德国蒂森克虏伯钢铁集团从2018年开始研究“以氢代煤”技术，2019年11月将氢气喷入杜伊斯堡9号高炉，完成氢气利用相关测试；目前正在开展250万吨氢直接还原工厂设计，计划2026年建成。

瑞典钢铁公司2016年启动HYBRIT项目，采用“清洁电力”电解制氢，通过气基竖炉生产直接还原铁（DRI）供电炉炼钢，2021年建成了万吨级规模中试工厂，同年8月在中试工厂成功生产出氢还原的海绵铁，计划在2026年建成第一个示范工厂进行规模化生产。

值得注意的是，西方工业强国虽然在氢冶金方面起步早，但尚未使其发展成为主要的氢应用领域。IEA发布的《全球氢能评论2022》数据显示，2021年全球氢需求量超过9400万吨，99%的需求来自石化、化工领域，其中石油炼化消耗4000万吨，合成氨生产和甲醇制备分别消耗3400万吨、1500万吨，氢冶金仅消耗了500万吨。我国是全球最大的氢气消费国，占全球的30%；氢气应用同样以化工为主，56%的氢气被用于化工合成，9%用于炼油，16%作为尾气直接燃烧，冶金领域的应用微乎其微。

（四）国内起步晚但进度较快，行业龙头企业已率先探索

为推动钢铁行业绿色低碳发展，我国大型钢铁企业积极参与氢冶金技术研发，率先探索氢冶金三大主流技术路线：高炉富氢、氢基直接还原、氢基熔融还原，其代表性项目有宝武八钢的富氢碳循环氧气高炉项目、河钢宣钢的氢基竖炉冶金示范工程、建龙赛思普的氢基熔融还原项目等。

2022年7月，全球首个工业级别的富氢碳循环氧气高炉在宝武八钢投运，如今已经运行一年多，化石燃料消耗降低30%，碳排放减少21%，生产效率提升40%；目前正在按富氢碳循环氧气高炉工艺流程，重构2500m³中型高炉，将于近期投运。河钢集团全球首例120万吨氢冶金示范工程是氢冶金规模应用第一例，已实现安全顺利连续生产绿色DRI（直接还原铁）产品（电炉炼钢原料），工艺气体中氢碳比高达8：1。

宝钢湛江百万吨级氢基竖炉于2022年开工建设，并于2023年底投产，该产线兼具工业试验与商业示范功能，是世界首套直接加氢气进行工业化生产的竖炉，将满足从富氢（50%）、高氢（70%）和全氢的冶炼工艺生产及试验条件，为未来转换成纯绿氢做好技术准备。

我国氢冶金发展面临技术、原料、成本、政策等诸多挑战

（一）工艺、装备、储运、可靠性等技术难点亟待突破

一是氢气利用率提高问题。氢还原过程为强吸热反应，将影响反应器内温度场分布，而反应温度的变化将影响氢气利用效率。相比于一氧化碳约50%的利用率，氢利用率仅为30%~40%，如何提高氢利用率是当前比较棘手的技术难题。

二是氢还原反应装备安全及长寿问题。现有气基竖炉工艺或流化床工艺是基于天然气类富氢气氛设计的，一旦切换为全氢冶金后，为补热及提高氢利用率，需要采取加大压力、提高还原气温度和增加还原气流量等措施，这将影响氢气在竖炉中的流速，进而影响氢气还原率及利用效率。同时，对气体加热炉装备及反应器的耐高压、耐高温、耐冲刷、防泄漏、耐氢蚀性等提出了更大挑战，现有的反应器安全性及服役寿命亟待改进。

三是氢储运难问题。氢气的单位质量能量密度高，但单位体积的能量密度极低，且具有氢脆特点。在气态条件下，氢的储存、运输成本极高。氢的液化温度低于-252℃，液化难度和成本也非常高，亟须寻找新的高效储运技术手段。

四是绿氢制备与冶金流程耦合运行可靠性问题。冶金工业作为一种流程制造系统，生产基地由多个不可拆分的化工、冶金反应器组成。反应器内部高温、高压，伴有连续进行的多相物质相互转化的化学反应，对系统温度、压力、耐氢蚀等参数的可靠性要求很高，须长期连续稳定运行，而风电、光伏等绿色电力波动性、间歇性与不确定性较大，如何利用电网、储能、储氢等多种方式实现绿氢的稳定供应，是氢能与钢铁产业间相互耦合亟待解决的难题。

（二）铁矿石、氢气等原料供应存在瓶颈约束

一是我国铁矿石资源难以支撑氢冶金生产。在现有技术手段下，氢冶金对铁矿石原料要求高，资源适应性差。氢基直接还原要求铁精粉品位超过68%、脉石含量低于3%。然而，我国铁矿石以中低品位磁铁矿为主，高品位铁矿资源匮乏，目前难以支撑大规模氢基直接还原铁生产。

二是氢作为工业原料，资源供应量有限。我国现有氢冶金示范项目主要以焦炉煤气作为氢来源，在无碳收益补充的情况下，焦炉煤气用于燃料、发电或生产甲醇的效益远远优于氢冶金。未来，在无明显效益优势的情形下难以大规模推动焦炉煤气用于氢冶金。

三是现阶段电解槽效率尚不能支撑绿氢规模化生产。目前主流碱性电解槽单槽产氢量1000 Nm³/h（约90kg/h）。通过综合采用降低电解能耗、提高电解槽制氢效率、提升系统集成技术、强化动态响应性能等多种措施系统集成后，单个制氢工厂年产氢量最多可达2万吨。百万吨级的氢基直接还原铁工厂年耗氢量约9万吨，目前的主流制氢技术还远不能满足钢铁厂的正常用氢需求。

（三）重资产投资与高冶金成本削弱企业参与积极性

在设备投资方面，绿氢制备所需的1000 Nm³/h碱性电解槽价格普遍在600万~700万元/台，百万吨级氢冶金工厂所需的制氢设备投资约2700万元。而且，氢基直接还原采用的竖炉、流化床等核心反应装备需从国外引进，处于“卡脖子”状态。较高的设备投资导致中小企业较难参与氢冶金的研发与应用。

在冶金成本方面，根据自然资源保护协会的最新研究，要实现氢冶金技术与碳冶金技术成本可比，绿氢价格需降至15元/千克。然而，根据国际能源署的统计，当前绿电制氢成本为28~56元/千克。氢冶金技术要有经济性，需要绿电成本的快速降低、制氢技术进一步提升以及碳价值的兑现支持才能实现。现阶段市场期望价格与绿氢成本存在较大差距，在很大程度上制约了企业用氢冶金的积极性。

（四）缺乏产业政策的配套与支持

尽管我国已发布中长期规划明确了氢能的战略定位和发展方向，并出台了《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》，但尚未形成完整的能够支撑氢冶金发展的政策体系。目前主要的政策短板涉及三类：安全监管、项目审批、价格机制。

安全监管方面，当前我国对氢能领域的安全研究相对滞后，缺乏精细化的氢安全制度安排。在监管实践中，多数地区按相关规定将氢气作为危化品气体管理，将制氢项目列为危化品生产领域，需取得危化品生产许可证。同时，要求氢气制备须在化工园区内进行，这直接造成了部分规模化制氢项目落地难的局面。

项目审批方面，氢冶金项目建设审批、运营、管理的主管部门不明确，钢铁产能置换政策对部分企业新上氢冶金项目存在产能制约，焦化产能转移限制政策制约了氢冶金短期内就近利用焦炉煤气副产氢。

价格机制方面，钢铁行业尚未纳入我国碳排放交易体系，氢冶金项目碳减排价值的实现缺乏制度安排，尚未建立缩小氢能和化石燃料价差的机制，无法有效激发氢冶金发展潜能。

对策建议

（一）明确短期、中期、长期技术主要方向，建设低碳冶金技术创新试验平台

近期，建议集中攻关高炉富氢冶炼技术和纯氢基直接还原技术以及相应的软硬件设施。中长期，争取在氢基直接还原装备国产化、大型化方面取得突破性成果，强化科技赋能作用，积极推动“高炉-转炉”长流程向“氢基竖炉-电炉”短流程制钢转型。支持国内先进钢铁企业建设国家重点实验室等大型低碳冶金技术创新试验平台，整合国内外优质研发资源，夯实氢冶金应用基础研究，加快氢冶金核心工艺技术研发。加快集聚技术、资金、人才等创新要素，强化企业创新主体地位，培育一批拥有自主知识产权、竞争力较强的创新型企业，提升我国在氢领域的科技影响力。

（二）加强制储运氢技术研发和产业化，打造大规模绿氢供应体系

推动完善制储运氢技术创新体系，强化氢气供应保障，支撑氢能在冶金行业的应用。着力提升制氢装备制造能力，着重发展碱性电解槽、质子交换膜、氢气纯化设备等生产能力。依托龙头骨干企业，重点打造制—储—运—用等核心环节制造基地。强化绿氢供应体系，提高绿氢储运与冶金领域规模化用氢的供应保障水平。

（三）创新绿氢用电机制与合理设置钢铁行业碳配额，合力激发发展氢冶金的积极性

电费是绿氢制备的主要成本。当前，我国的光伏、风电成本已低于0.2元/度，特别是光伏发电成本已经降低到0.1元/度以下，并且还有进一步下降空间，对降低绿氢制备成本非常有利。建议在推动新型电力系统建设和电力市场化改革进程中，优先建立绿电与制氢联动机制，有效降低绿氢制备的用电成本。

碳定价机制是氢冶金的重要动力。钢铁行业碳载量大，降碳难度高。建议以落实钢铁行业碳达峰实施方案与应对欧美碳边境调节机制为契机，推进钢铁行业尽早纳入全国统一碳市场。科学合理设定免费配额，使率先推进氢冶金等减排技术的钢铁企业能够从碳交易中先获益、多获益，不断激发先进龙头发展氢冶金的积极性，增强氢冶金的产业化推广能力。

（四）制定鼓励和支持氢冶金发展专项政策

氢冶金作为钢铁行业减碳的新技术，为加快该技术的成熟和应用，还需出台相关专项政策对其进行鼓励和支持。主要政策着力点包括：

一是绿色金融和产业转型基金等加大对绿色低碳，特别是氢冶金的支持力度，缓解企业前期设备投资大的压力。

二是发挥“首台（套）”“首批次”应用保险补偿机制作用，为钢铁企业开展氢冶金技术攻关和设备引进提供资金支持。

三是利用现有财政资金渠道，积极支持钢铁企业承担氢冶金关键技术攻关和前沿技术突破任务。

四是鼓励地方积极探索氢能产业安全管理创新办法，允许在化工园区外建设电解水制氢等绿氢生产项目和制氢加氢一体站。

五是严格落实对于低碳冶金、氢冶金、环保绩效达到A 级且能效水平先进的电炉炼钢、承担关键技术攻关等符合高质量发展方向的钢铁项目不纳入“两高一资”项目管理的相关要求。

作者单位丨冯相昭 黄晓丹 李欢 张秉毅，中国电子信息产业发展研究院/工业和信息化碳达峰碳中和研究中心研究员；李建，中国宝武钢铁集团中央研究院低碳技术总监

来源丨《可持续发展经济导刊》2024年1-2月刊

编辑丨王秋蓉

原文标题丨《“双碳”背景下氢冶金发展面临的机遇、挑战及对策建议》