數(shù)據(jù)來源：2021年第12期中國工程院院刊《Engineering》

圖1  中國鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中的技術(shù)路線圖

高爐煉鐵工藝技術(shù)成熟，暫時沒有其他工藝可以替代，高爐仍將是全球煉鐵生產(chǎn)的主流裝備。圍繞高爐增加含氫資源循環(huán)利用比例將是現(xiàn)階段工藝技術(shù)改進(jìn)的主要方式，通過向高爐內(nèi)噴吹H2或富氫燃料代替高爐中的煤和焦炭等還原劑，對含鐵爐料還原；或者在燒結(jié)機(jī)料面上噴吹氫系氣體燃料替代部分焦粉，可大幅提高燒結(jié)工序能源效率，實(shí)現(xiàn)CO2減排。一般認(rèn)為高爐富氫還原的碳減排幅度能夠達(dá)到10%-30%。但作為基于80%以上生鐵來自高爐的現(xiàn)狀，其對實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和過渡時期仍具有重要應(yīng)用意義。

氣基（主要是CO和H2）直接還原工藝還原效率高、技術(shù)成熟，產(chǎn)量占比已超過70%。因此氫基直接還原煉鐵技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)，該工藝初期主要是以重整后的焦?fàn)t煤氣為還原氣體對氧化球團(tuán)進(jìn)行還原脫氧，主要包括：氫基豎爐+電弧爐冶煉、氫基豎爐+電爐熔分+轉(zhuǎn)爐冶煉及氫基流化床直接還原+電弧爐冶煉等。氫基直接還原工業(yè)應(yīng)用減碳能力可達(dá)80%以上，甚至實(shí)現(xiàn)零碳排放。氫冶金的發(fā)展除了本身技術(shù)進(jìn)步和突破外，也需要考慮配套更大規(guī)模和生產(chǎn)效率的電爐裝備。

氫基熔融還原是以富氫或純氫氣體作為還原劑，在高溫熔融狀態(tài)下進(jìn)行鐵氧化物還原、渣鐵分離，生產(chǎn)鐵水的工藝方法。當(dāng)前主要包括鐵浴式熔融還原（Hismelt、CISP、HIsarna、DIOS等）和COREX類熔融還原（COREX、FINEX）等。其中，鐵浴式熔融還原可以直接采用粉礦，并且可以處理廉價高磷礦，具有較大市場前景，目前已進(jìn)入工業(yè)化階段。成功應(yīng)用氫氣將使鐵浴式熔融還原技術(shù)發(fā)生巨大變革?？傮w來看相較于其他技術(shù)，氫基熔融還原相關(guān)基礎(chǔ)理論研究有待進(jìn)一步深入。

氫冶金是鋼鐵工業(yè)遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)碳中和的重要路徑，目前僅在《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》、《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》等鋼鐵工業(yè)綜合性政策中涉及，還未制定關(guān)于氫冶金的專項(xiàng)政策。國家和行業(yè)應(yīng)加快制定鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)規(guī)劃和氫冶金發(fā)展規(guī)劃，明確氫冶金發(fā)展思路、技術(shù)路線圖及配套鼓勵性政策，支持低碳冶金園區(qū)、氫冶金示范項(xiàng)目建設(shè)。

當(dāng)前備受關(guān)注的高爐富氫冶煉技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也還存在如粉化問題、熱補(bǔ)償問題、腐蝕和氫氣利用率低等諸多亟需解決的技術(shù)難題，而全氫直接還原煉鐵技術(shù)更是對現(xiàn)有高爐-轉(zhuǎn)爐工藝的革新，有較多關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破：一是氫還原為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，將影響到反應(yīng)器內(nèi)溫度場分布，進(jìn)而影響氫氣利用效率。二是依照現(xiàn)有氣基豎爐工藝或流化床工藝，氫還原反應(yīng)器內(nèi)熱量均依靠高溫還原氣的物理熱帶入，解決熱量不足問題將是未來研發(fā)重點(diǎn)。三是通過提高還原氣溫度和流量來補(bǔ)充熱量，將影響到氫氣在豎爐中的流速、還原率及利用效率，同時對氣體加熱爐裝備與反應(yīng)器的各種性能等帶來巨大挑戰(zhàn)。四是全氫還原無滲碳條件，不含碳的直接還原鐵熔點(diǎn)高、極易再氧化、自燃，難以安全儲存和運(yùn)輸。另外，未來氫基直接還原鐵技術(shù)在替代現(xiàn)有工藝進(jìn)行推廣的過程中需要確保大量直接還原球團(tuán)的獲得，或會導(dǎo)致原料供應(yīng)困難或增加成本。因此，原料多元化的技術(shù)也需突破。

中國制氫規(guī)模雖然較大，但大部分均采用化石能源制氫，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇等產(chǎn)品，可用于氫冶金的氫能資源較少。鋼鐵企業(yè)只有配套建設(shè)焦化項(xiàng)目或周邊地區(qū)有焦化企業(yè)，才具有發(fā)展氫冶金的基礎(chǔ)，但氫源還是灰氫。當(dāng)前，利用綠電-電解水制氫工藝，氫氣成本是焦?fàn)t煤氣制氫和天然氣制氫的2-3倍，用氫成本較高，難以和高爐-轉(zhuǎn)爐長流程在成本上進(jìn)行競爭。

冶金工業(yè)是一種流程制造系統(tǒng)，生產(chǎn)基地由多個不可拆分的化工、冶金反應(yīng)器組成，反應(yīng)器內(nèi)部高溫、高壓，伴有連續(xù)進(jìn)行的多相物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)，對系統(tǒng)的可靠性要求很高，必須長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。而可再生能源受制于風(fēng)或光等外部自然條件變化，波動性較大，如何通過利用電網(wǎng)、儲能、儲氫等多種方式實(shí)現(xiàn)綠氫的穩(wěn)定供應(yīng)，是氫能與鋼鐵產(chǎn)業(yè)間相互耦合要解決的難題。

當(dāng)前，氫冶金正處于起步階段，冶金相關(guān)技術(shù)不成熟，氫冶金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失，無法形成系統(tǒng)。氫冶金標(biāo)準(zhǔn)化工作需立足行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，準(zhǔn)確把握行業(yè)需求，更加注重標(biāo)準(zhǔn)化頂層設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從科學(xué)、規(guī)范、統(tǒng)一的角度，建設(shè)更加先進(jìn)適用的標(biāo)準(zhǔn)體系，全面提升氫冶金標(biāo)準(zhǔn)水平，為促進(jìn)中國氫冶金技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮積極作用。2022年9月，氫冶金標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合工作組成立必將進(jìn)一步發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)性、引領(lǐng)性作用，以及標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)業(yè)協(xié)同、技術(shù)協(xié)作中的紐帶和驅(qū)動作用，有利促進(jìn)中國氫冶金技術(shù)進(jìn)步，助力中國鋼鐵工業(yè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。

氫冶金是鋼鐵工業(yè)遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)碳中和的重要路徑，目前僅在《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》等鋼鐵工業(yè)綜合性政策中涉及，還未制定關(guān)于氫冶金的專項(xiàng)政策。國家和行業(yè)應(yīng)加快制定鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)規(guī)劃和氫冶金發(fā)展規(guī)劃，明確氫冶金發(fā)展思路、技術(shù)路線圖及配套鼓勵性政策，支持低碳冶金園區(qū)、氫冶金示范項(xiàng)目建設(shè)。

?? 一是政策引導(dǎo)與專項(xiàng)規(guī)劃。國家層面：以《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》為引領(lǐng)，加強(qiáng)制氫、儲運(yùn)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系，支撐氫能在冶金行業(yè)的應(yīng)用；行業(yè)層面：制定“中國氫冶金發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃”和“中國氫冶金技術(shù)路線圖”，明確氫冶金發(fā)展思路、技術(shù)路線圖及配套鼓勵性政策，支持低碳冶金園區(qū)、氫冶金示范項(xiàng)目建設(shè)；地方層面：有條件的地區(qū)，發(fā)揮省級政府的作用，統(tǒng)籌發(fā)展需求和實(shí)施資源，加快氫冶金示范區(qū)建設(shè)，引導(dǎo)行業(yè)骨干企業(yè)向有基礎(chǔ)、有條件、有優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)布局，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集聚。

?? 二是標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)與應(yīng)用安全。標(biāo)準(zhǔn)體系：圍繞鋼鐵行業(yè)氫能制、儲、輸、用等全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)、材料和裝備開展標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫和用氫體系。鼓勵龍頭企業(yè)積極參與各類標(biāo)準(zhǔn)研制工作，尤其是已經(jīng)布局氫能冶金的鋼鐵企業(yè)，占領(lǐng)標(biāo)準(zhǔn)先機(jī)；應(yīng)用安全：推動氫冶金關(guān)鍵核心技術(shù)和安全技術(shù)協(xié)同發(fā)展，加強(qiáng)氫氣泄漏檢測報警以及氫能相關(guān)特種設(shè)備的檢驗(yàn)、檢測等先進(jìn)技術(shù)研發(fā)，確保氫能利用安全可控；國際標(biāo)準(zhǔn)：積極參與國際氫能標(biāo)準(zhǔn)化活動，加強(qiáng)與氫能技術(shù)領(lǐng)先的國家和地區(qū)開展項(xiàng)目合作，探索開展氫能貿(mào)易、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)品開發(fā)等標(biāo)準(zhǔn)化合作。

?? 三是聯(lián)合研發(fā)與產(chǎn)業(yè)協(xié)同。聯(lián)合研發(fā)：采取龍頭企業(yè)主導(dǎo)的方式，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、科研院所，建設(shè)涵蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新平臺，聚焦氫能、氫冶金領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，進(jìn)行設(shè)備、材料、零部件等共性技術(shù)開發(fā)，聚集鋼鐵行業(yè)合力開展氫冶金技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)與工程化示范，避免技術(shù)研發(fā)的重復(fù)投入和資源浪費(fèi)；產(chǎn)業(yè)協(xié)同：大力鼓勵氫氣供應(yīng)商、技術(shù)提供商等在氫冶金試點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目中探索最佳的商業(yè)合作模式；國際合作：加大氫冶金對外開放合作，積極參與國際氫能產(chǎn)業(yè)鏈、氫冶金技術(shù)交流合作，構(gòu)筑互助、共贏、安全、可控的供應(yīng)鏈體系和核心技術(shù)保障。

?? 四是資金支持與配套設(shè)施。資金支持：搭建合理有效的金融政策引導(dǎo)和市場機(jī)制，將政府補(bǔ)貼和資本市場、碳市場調(diào)節(jié)相結(jié)合，為氫冶金項(xiàng)目提供有力資金支持。此外，加速全國碳市場建設(shè)，加速納入鋼鐵行業(yè)，強(qiáng)化相關(guān)監(jiān)管，通過碳排放成本內(nèi)部化等市場手段降低氫冶金的綠色溢價；配套設(shè)施：統(tǒng)籌規(guī)劃綠氫和綠電的全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，因地制宜構(gòu)建足以支撐鋼鐵等多個行業(yè)零碳轉(zhuǎn)型的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，并提供綠電和綠氫優(yōu)惠價格以支撐氫冶金早期研發(fā)和應(yīng)用示范。結(jié)合鋼鐵產(chǎn)能分布特點(diǎn)，盡早合理規(guī)劃輸電、輸氫渠道，降低清潔氫冶金項(xiàng)目的綠電、綠氫資源供應(yīng)不足、不穩(wěn)定的風(fēng)險。