数据来源：2021年第12期中国工程院院刊《Engineering》

图1 中国钢铁行业实现碳中的技术路线图

高炉炼铁工艺技术成熟，暂时没有其他工艺可以替代，高炉仍将是全球炼铁生产的主流装备。围绕高炉增加含氢资源循环利用比例将是现阶段工艺技术改进的主要方式，通过向高炉内喷吹H2或富氢燃料代替高炉中的煤和焦炭等还原剂，对含铁炉料还原；或者在烧结机料面上喷吹氢系气体燃料替代部分焦粉，可大幅提高烧结工序能源效率，实现CO2减排。一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度能够达到10%-30%。但作为基于80%以上生铁来自高炉的现状，其对实现碳达峰、碳中和过渡时期仍具有重要应用意义。

气基（主要是CO和H2）直接还原工艺还原效率高、技术成熟，产量占比已超过70%。因此氢基直接还原炼铁技术工业化应用更容易实现，该工艺初期主要是以重整后的焦炉煤气为还原气体对氧化球团进行还原脱氧，主要包括：氢基竖炉+电弧炉冶炼、氢基竖炉+电炉熔分+转炉冶炼及氢基流化床直接还原+电弧炉冶炼等。氢基直接还原工业应用减碳能力可达80%以上，甚至实现零碳排放。氢冶金的发展除了本身技术进步和突破外，也需要考虑配套更大规模和生产效率的电炉装备。

氢基熔融还原是以富氢或纯氢气体作为还原剂，在高温熔融状态下进行铁氧化物还原、渣铁分离，生产铁水的工艺方法。当前主要包括铁浴式熔融还原（Hismelt、CISP、HIsarna、DIOS等）和COREX类熔融还原（COREX、FINEX）等。其中，铁浴式熔融还原可以直接采用粉矿，并且可以处理廉价高磷矿，具有较大市场前景，目前已进入工业化阶段。成功应用氢气将使铁浴式熔融还原技术发生巨大变革。总体来看相较于其他技术，氢基熔融还原相关基础理论研究有待进一步深入。

表1：全球主要理论研究和工业化试验

氢冶金是钢铁工业远期实现碳中和的重要路径，目前仅在《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》、《钢铁行业产能置换实施办法》等钢铁工业综合性政策中涉及，还未制定关于氢冶金的专项政策。国家和行业应加快制定钢铁行业氢能产业专项规划和氢冶金发展规划，明确氢冶金发展思路、技术路线图及配套鼓励性政策，支持低碳冶金园区、氢冶金示范项目建设。

当前备受关注的高炉富氢冶炼技术在实际应用中也还存在如粉化问题、热补偿问题、腐蚀和氢气利用率低等诸多亟需解决的技术难题，而全氢直接还原炼铁技术更是对现有高炉-转炉工艺的革新，有较多关键核心技术有待突破：一是氢还原为强吸热反应，将影响到反应器内温度场分布，进而影响氢气利用效率。二是依照现有气基竖炉工艺或流化床工艺，氢还原反应器内热量均依靠高温还原气的物理热带入，解决热量不足问题将是未来研发重点。三是通过提高还原气温度和流量来补充热量，将影响到氢气在竖炉中的流速、还原率及利用效率，同时对气体加热炉装备与反应器的各种性能等带来巨大挑战。四是全氢还原无渗碳条件，不含碳的直接还原铁熔点高、极易再氧化、自燃，难以安全储存和运输。另外，未来氢基直接还原铁技术在替代现有工艺进行推广的过程中需要确保大量直接还原球团的获得，或会导致原料供应困难或增加成本。因此，原料多元化的技术也需突破。

中国制氢规模虽然较大，但大部分均采用化石能源制氢，用于生产合成氨、甲醇等产品，可用于氢冶金的氢能资源较少。钢铁企业只有配套建设焦化项目或周边地区有焦化企业，才具有发展氢冶金的基础，但氢源还是灰氢。当前，利用绿电-电解水制氢工艺，氢气成本是焦炉煤气制氢和天然气制氢的2-3倍，用氢成本较高，难以和高炉-转炉长流程在成本上进行竞争。

冶金工业是一种流程制造系统，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，对系统的可靠性要求很高，必须长期连续稳定运行。而可再生能源受制于风或光等外部自然条件变化，波动性较大，如何通过利用电网、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要解决的难题。

当前，氢冶金正处于起步阶段，冶金相关技术不成熟，氢冶金相关标准缺失，无法形成系统。氢冶金标准化工作需立足行业发展现状，准确把握行业需求，更加注重标准化顶层设计和标准体系结构优化，从科学、规范、统一的角度，建设更加先进适用的标准体系，全面提升氢冶金标准水平，为促进中国氢冶金技术进步发挥积极作用。2022年9月，氢冶金标准联合工作组成立必将进一步发挥标准基础性、引领性作用，以及标准在产业协同、技术协作中的纽带和驱动作用，有利促进中国氢冶金技术进步，助力中国钢铁工业绿色低碳高质量发展。

图2  中国氢冶金发展阶段及技术路线示意图

氢冶金是钢铁工业远期实现碳中和的重要路径，目前仅在《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》、《钢铁行业产能置换实施办法》等钢铁工业综合性政策中涉及，还未制定关于氢冶金的专项政策。国家和行业应加快制定钢铁行业氢能产业专项规划和氢冶金发展规划，明确氢冶金发展思路、技术路线图及配套鼓励性政策，支持低碳冶金园区、氢冶金示范项目建设。

? 一是政策引导与专项规划。国家层面：以《氢能产业发展中长期规划（2021年—2035年）》为引领，加强制氢、储运技术研发和产业化，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，支撑氢能在冶金行业的应用；行业层面：制定“中国氢冶金发展专项规划”和“中国氢冶金技术路线图”，明确氢冶金发展思路、技术路线图及配套鼓励性政策，支持低碳冶金园区、氢冶金示范项目建设；地方层面：有条件的地区，发挥省级政府的作用，统筹发展需求和实施资源，加快氢冶金示范区建设，引导行业骨干企业向有基础、有条件、有优势的产业集聚区布局，实现产业集聚。

? 二是标准引领与应用安全。标准体系：围绕钢铁行业氢能制、储、输、用等全产业链关键核心技术、材料和装备开展标准体系建设，构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢和用氢体系。鼓励龙头企业积极参与各类标准研制工作，尤其是已经布局氢能冶金的钢铁企业，占领标准先机；应用安全：推动氢冶金关键核心技术和安全技术协同发展，加强氢气泄漏检测报警以及氢能相关特种设备的检验、检测等先进技术研发，确保氢能利用安全可控；国际标准：积极参与国际氢能标准化活动，加强与氢能技术领先的国家和地区开展项目合作，探索开展氢能贸易、基础设施建设、产品开发等标准化合作。

? 三是联合研发与产业协同。联合研发：采取龙头企业主导的方式，联合产业链上下游企业、科研院所，建设涵盖全产业链的协同创新平台，聚焦氢能、氢冶金领域关键核心技术，进行设备、材料、零部件等共性技术开发，聚集钢铁行业合力开展氢冶金技术的研发攻关与工程化示范，避免技术研发的重复投入和资源浪费；产业协同：大力鼓励氢气供应商、技术提供商等在氢冶金试点试验项目中探索最佳的商业合作模式；国际合作：加大氢冶金对外开放合作，积极参与国际氢能产业链、氢冶金技术交流合作，构筑互助、共赢、安全、可控的供应链体系和核心技术保障。

? 四是资金支持与配套设施。资金支持：搭建合理有效的金融政策引导和市场机制，将政府补贴和资本市场、碳市场调节相结合，为氢冶金项目提供有力资金支持。此外，加速全国碳市场建设，加速纳入钢铁行业，强化相关监管，通过碳排放成本内部化等市场手段降低氢冶金的绿色溢价；配套设施：统筹规划绿氢和绿电的全产业链建设，因地制宜构建足以支撑钢铁等多个行业零碳转型的相关基础设施，并提供绿电和绿氢优惠价格以支撑氢冶金早期研发和应用示范。结合钢铁产能分布特点，尽早合理规划输电、输氢渠道，降低清洁氢冶金项目的绿电、绿氢资源供应不足、不稳定的风险。