1、前言

　　氫能因其清潔低碳、熱值高、來源廣泛和安全可控的特點，逐漸成為全球能源技術創新和產業變革的推動力，重塑綠色生態能源消費結構的重要二次能源。氫存在于各種物質中，是可再生能源，儲量充裕且高效，應用前景非常廣闊。氫能作為高能量密度、無污染排放的二次能源，是有效耦合傳統化石能源和可再生能源，構建清潔低碳、安全高效現代能源體系的重要選擇。

　　鋼鐵行業是資金、技術、能源密集型行業，每生產一噸鋼需排放1.8噸CO?。在全球嚴格的資源和環保政策約束大背景下，鋼鐵行業面臨著巨大的環保壓力。過去十年間，世界主要產鋼國開始致力于開發能夠顯著降低CO?排放的突破性低碳煉鋼技術，其中氫冶金應運而生，以氫代替碳是當前低碳發展、能源變革的重要方向，也是鋼鐵行業綠色低碳、高質量發展的主要出路。

　　2、國外氫冶金發展現狀

　　國外多家鋼鐵企業對氫冶金進行了深度布局，項目大都進入了建設或者試驗階段，其中典型的項目如表1所示。

　　2.1歐洲

　　隨著歐盟“2030年氣候和能源政策目標”的發布，歐盟各國都推出更為嚴格的環保法規和排放標準，特別是歐盟排放權交易體系(EU-ETS)的建立使各行業碳排放的成本大大增加，在此背景下，高能耗、高污染的歐洲鋼鐵行業不得不將節能減排重視程度提升至同增長利潤相等的高度。目前歐洲開展氫冶金研究和實踐的鋼鐵企業主要有安賽樂米塔爾、瑞典鋼鐵公司、薩爾茨吉特、蒂森克虜伯、奧鋼聯及普銳特等。

　　2.1.1安賽樂米塔爾集團開展純氫煉鐵技術研發

　　安賽樂米塔爾集團投資6500萬歐元，在其德國漢堡廠進行氫直接還原鐵礦石的項目研究，項目思路與瑞典HYBRIT項目類似，并計劃在未來幾年建設中試廠。目前安米漢堡廠采用天然氣生產直接還原鐵，安米與弗萊貝格工業大學合作，計劃在未來幾年在漢堡廠對氫直接還原鐵礦石工藝進行試驗，中試廠的規模為10萬噸/年。另外，該研究項目的氫氣來源將首先采用變壓吸附法，從安米漢堡廠爐頂煤氣中分離氫氣，使其純度達到95%以上，待未來有足夠數量綠氫（來自可再生能源的氫）時，將采用綠氫生產。

　　2.1.2瑞典鋼鐵HYBRIT項目

　　瑞典鋼鐵公司、瑞典國有鐵礦石公司(LKAB)和瑞典大瀑布電力公司聯合成立合資公司(HYBRIT)，旨在聯合開發用氫替代煉焦煤和焦炭的突破性煉鐵技術。HYBRIT項目研究采用氫與球團礦直接還原生產直接還原鐵，而氫由非化石能源制備。HYBRIT項目研究任務包括：研究可再生能源發電及其對電力系統的影響，尋找有效的可再生能源用于發電，為非化石能源冶煉提供能源，同時降低制氫成本；建設制氫與存儲工藝及相關裝備，為HYBRIT工藝提供低成本、可靠穩定的氫氣，并進行氫氣產業鏈布局；研究氫基直接還原煉鐵工藝；研究配套煉鋼工藝；研究系統集成、過渡路徑和政策等。

　　2018年6月HYBRIT項目在瑞典Lulea建設中試廠，預計2021-2024年運行，每年生產50萬噸直接還原鐵。該中試廠可方便的利用瑞典鋼鐵公司現有煉鋼設施和Norrbotten鐵礦。到2024年，該中試廠的建造和運營成本預計為10-20億瑞典克朗，目標是在2035年之前形成無碳解決方案。作為配套設施，2019年10月HYBRIT項目投資1.5億瑞典克朗，瑞典能源署出資近5000萬瑞典克朗，將于2021年在靠近Lulea中試廠的LKAB位于Svartoberget地下25-35米處建造新氫氣儲存設施，該設施預計將于2022-2024年運行。瑞典鋼鐵公司計劃2026年向市場提供第一批非化石能源生產的鋼鐵產品。

　　2.1.3薩爾茨吉特SALCOS項目

　　SALCOS項目旨在對原有的高爐-轉爐工藝進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型煉鋼工藝逐步轉變為直接還原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現富余氫氣的多用途利用。

　　2016年4月薩爾茨吉特正式啟動GrInHy 1.0（綠色工業制氫）項目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲存起來。當風能（或其他可再生能源）波動時，電解槽轉變成燃料電池，向電網供電，平衡電力需求。2017年5月該系統安裝了1500組固體氧化物電解槽，2018年1月完成系統工業化環境運行，2019年1月完成連續2000個小時系統測試后，薩爾茨吉特開展了GrInHy 2.0項目。GrInHy 2.0項目的顯著特點是通過鋼企產生的余熱資源生產水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發電，然后采用高溫電解水法生產氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產，也可用于鋼鐵生產的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。

　　2019年4月份，在漢諾威工業博覽會上，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司與特諾恩公司（Tenova）簽署諒解備忘錄，繼續推進SALCOS項目。

　　2.1.4奧鋼聯H2FUTURE項目

　　2017年初，由奧鋼聯發起的H2FUTURE項目，旨在通過研發突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術，降低鋼鐵生產中的CO?排放，最終目標是到2050年減少80%的CO?排放。H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯、西門子、Verbund（奧地利領先的電力供應商，歐洲最大的水電商）公司、奧地利電網（APG）公司、奧地利K1-MET中心組等。該項目將建設世界最大的氫還原中試工廠。西門子作為質子交換膜電解槽的技術提供方，將為奧鋼聯林茨廠提供電解能力為6兆瓦的電解槽，氫氣產量為1200m³/小時，電解水產氫效率目標為80%以上；Verbund公司作為項目協調方，將利用可再生能源發電，同時提供電網相關服務；奧地利電網公司的主要任務是確保電力平衡供應，保障電網頻率穩定；奧地利K1-MET中心組將負責研發鋼鐵生產過程中氫氣可替代碳或碳基能源的工序，定量對比研究電解槽系統與其他方案在鋼鐵行業應用的技術可行性和經濟性，同時研究該項目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業的可復制性和大規模應用的潛力。

　　2.1.5德國迪林根和薩爾鋼公司富氫煉鐵技術

　　德國主要鋼鐵企業迪林根（Dillinger）和薩爾鋼公司（Saarstahl）計劃投資1400萬歐元，研究將聯合鋼鐵企業產生的富氫焦爐煤氣輸入薩爾煉鐵公司的兩座高爐中，用氫取代部分碳作為還原劑的工藝技術。該項研究涉及的設備及基礎設施不影響高爐的運行，項目計劃從2020年開始實施。在歐洲，薩爾公司高爐已屬于最現代和最高效的高爐，為不斷提高環境保護水平，該公司在過去15年里投入了大約5億歐元。考慮到歐洲排放配額成本飆升，該項目將大幅削減CO?排放，對薩爾鋼公司發展至關重要。

　　2.1.6德國蒂森克虜伯氫煉鐵技術

　　蒂森克虜伯集團與液化氣公司合作，計劃到2050年投資100億歐元開發將氫氣大量噴入高爐的氫煉鐵技術。2019年11月11日，蒂森克虜伯正式將氫氣注入杜伊斯堡廠9號高爐進行氫煉鐵試驗。氫氣通過其中一個風口注入了9號高爐，這標志著該項目一系列測試的開始。如果進展順利，蒂森克虜伯計劃逐步將氫氣的使用范圍擴展到9號高爐全部的28個風口。此外，蒂森克虜伯還計劃從2022年開始，該廠其他三座高爐都將使用氫氣進行鋼鐵冶煉，降低生產中的CO?排放，降幅可高達20%。此外，液化氣公司將通過其位于萊茵-魯爾區全長200公里的管道確保穩定的氫氣供應。

　　2.1.7普銳特冶金技術公司開發無碳氫基鐵礦粉直接還原技術

　　2019年6月，普銳特宣布正在開發一種不需要燒結或球團等任何預處理工序即可使用鐵精礦的直接還原工藝。該工藝借鑒了Finmet工藝開發和設備安裝的經驗，可采用所有類型的精礦，甚至是粒度小于0.15毫米的粉礦。新工藝使用氫氣作為主要的還原劑，氫氣來自綠氫（可再生能源制備的氫氣）、傳統蒸汽重整爐的富氫氣體或者富氫廢氣。該工藝將顯著減少CO?排放，甚至減少到零。直接還原設備采用模塊化設計，每個模塊的設計產能為25萬噸/年，可適用所有規模的鋼廠。

　　為了試驗該工藝，并為下一步的工業規模設備的設計提供基礎數據，普銳特將在奧鋼聯多納維茨鋼鐵公司建立中試廠，預計2020年第二季度投入運行。中試廠將由三個部分組成，包括預熱-氧化裝置、氣體處理設備和還原設備。精礦粉在預熱-氧化裝置中加熱到大約900℃進入還原設備；氫氣由氣體供應裝置通過導流柵提供；配套的廢氣余熱回收系統保證能源使用得到優化，干法除塵系統解決粉塵排放問題。生產的熱態直接還原鐵（HDRI）以大約600℃的溫度離開還原設備，供給電弧爐或生產熱壓塊鐵。

　　2.2日本

　　2008年日本啟動“COURSE50”低碳煉鐵項目，其關鍵核心技術是氫還原煉鐵法，即用氫置換部分煤粉和焦炭，以減少高爐CO?排放，以及使用化學吸收法和物理吸附法將高爐煤氣中的CO?進行分離和回收的技術。項目目標是：使用氫還原煉鐵法減排10%，通過從高爐煤氣中分離回收CO?技術減排20%，從而達到整體減排30%的目標。日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）委托日本制鐵、JFE、神戶制鋼、日新制鋼、新日鐵工程公司等5家公司進行實驗，預計2030年實現1號機組工業生產，2050年普及到日本國內所有高爐。

　　2.2.1COURSE50項目基本達到CO?減排10%目標

　　2019年日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）和日本鋼鐵聯盟宣稱，日本環境友好型煉鐵工藝技術開發項目（COURSE50）通過在日本制鐵君津廠廠內的爐容積為12m³的試驗高爐上進行的試驗證明，目前已基本達到減少高爐CO?排放10%的目標，完成了確立CO?削減、分離、回收技術的目標。

　　從2017年該項目第四次試驗結果來看，不僅燒結礦和碳的情況得到改善，而且根據試驗后拆解調查和探棒取樣確定，操作技術與模擬技術基本一致，CO?減排量從以往試驗時的8%基本提高到10%。

　　從截止2022財年開始的項目研發階段Ⅱ步驟1中，項目組將結合試驗高爐所確定的和實際高爐部分確定的技術，開展面向實用化的技術開發。日本制鐵煉鐵部部長指出，由于焦炭用量減少，爐內氣流阻力大幅增加，試驗高爐與實際高爐（約4000-5000m³）的風口數量、焦炭運動形態均不相同，還存在大量熱平衡和氣體平衡等諸多技術課題有待攻克。

　　2.2.2COURSE50計劃2022年開始實際高爐放大測試

　　COURSE50項目在2018年進行了5次試驗（從2018年10月29日到11月27日，共30天），通過改變氣體和原材料的配比，并試驗了氫氣對煉鐵作業的改善效果。第二階段的研究重點是在高爐中分離回收CO?以及廢熱，并計劃于2022年度進行實際高爐的放大測試。

　　2018年，使用三維高爐數學模型驗證了氫氣吹入技術對CO?排放減少的影響，2022年度將在兩座高爐上進行工業試驗，目前已開始高爐選定工作，包括管道氣體設計、分析技術等。

　　2.3韓國

　　2009年韓國原子能研究院與POSCO等韓國國內13家企業及機關共同簽署原子能氫氣合作協議（KNHA），正式開始開展核能制氫信息交流和技術研發。2010年6月，以韓國電力公司為首的財團投資1000億韓元，聯合浦項鋼鐵公司和韓國原子能研究院（KAERI）開展系統集成模塊化先進反應堆（Smart）和超高溫核反應堆（VHTR）技術的研發工作。全氫高爐煉鐵技術的短期目標是利用鋼鐵生產過程中產生的副產氣體制取可用于還原鐵的氫氣，中長期目標是開發出能夠低成本大量制造高純度氫氣的技術。

　　3、氫冶金技術趨勢淺析

　　3.1全球氫冶金技術尚處于研發、試驗階段

　　當前，全球氫冶金項目研究可以分三步走：第一步，2025年前，建立中試裝置研究大規模工業用氫能冶煉的可行性；第二步，到2030年，實現以焦爐煤氣、化工等副產品中產生的氫氣進行工業化生產；第三步，到2050年，實現綠色經濟氫氣的工業化生產，并進行鋼鐵高純氫能冶煉，其中氫能以水電、風電及核電電解水為主。

　　國內氫冶煉技術當前還處于研發起步階段，多數企業仍處于項目規劃，簽訂合作協議的階段，只有少數企業設立了以清潔能源生產氫氣作為冶煉能源的目標，多數企業還是以利用焦爐煤氣、化工副產品等作為氫源冶煉為項目目標。

　　我國氫冶煉技術的研發還需要以國家層面高度的規劃和定位，確定可行的技術路線圖，在政策支持下，實現氫能和鋼鐵冶煉產業合作共贏。

　　3.2“綠氫”生產成本高，氫冶金規模化應用尚早

　　當前，工業中產生的氫氣主要還是“灰氫”，低成本制取“綠氫”依然面臨嚴峻的技術挑戰。目前氫冶金主要有兩種：一種在高爐風口加氫代替噴煤和焦炭，另一種是非高爐氫氣直接還原技術，這兩種技術目前都還需要關鍵技術突破。

　　3.3我國氫冶金頂層設計和政策引導亟待加強

　　目前，我國與氫冶金配套的專項規劃、政策體系、標準體系、安全規范缺乏頂層設計。我國出臺了涉及氫能領域各方面的一系列政策推動氫能產業健康發展，但目前涉及氫能產業的政策主要體現在交通領域，例如新能源汽車、加氫站、氫儲存和運輸、燃料電池等方面，而氫能在工業領域的應用還處于政策制定和規劃之中。