钢铁行业是资金、技术、能源密集型行业，从全球范围来看，平均每生产1吨钢需排放1.8吨二氧化碳。2020年我国粗钢产量10.65亿吨，碳排放量约19.17亿吨，占全国碳排放总量的15%以上，在双碳背景下，钢铁行业面临巨大的减排压力。氢冶金作为当前低碳发展、能源变革的重要方向，是钢铁行业绿色低碳、高质量发展的路径选择之一，期待新的突破。

现有的氢冶金技术中，富氢还原高炉与气基直接还原竖炉两类工艺发展逐渐受到行业的认可。富氢还原高炉工艺是对现有长流程工艺的改进，减排潜力有限；气基直接还原竖炉是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，减排潜力较大。不同生产工艺路线减排效果如表1所示。

（1）国外氢冶金试验进展

随着钢铁行业碳减排压力增大，国外多家钢铁企业纷纷探索应用氢冶金技术，并取得一定进展，氢的来源基本采用电解水制备绿氢，大多与上游电力公司展开合作，以控制耗电成本。国外典型氢冶金项目如表2所示。

（2）我国氢冶金试验进展

双碳背景下，我国钢铁企业积极履行减排责任，纷纷开始积极探索氢能冶金，宝武、河钢、中晋、中国钢研和京华日钢等钢铁企业已取得一定进展。

宝武集团：宝武集团在氢能应用方面在国内走在前列，于2016年启动了绿色低碳冶金技术创新工程，在富氢还原高炉与气基直接还原竖炉的氢冶金工艺方面均取得一定进展，是国内第一家掌握大型高炉复合喷吹富氢还原低碳冶炼技术的钢铁企业。

富氢还原高炉工艺方面，宝武集团在八一钢铁建设和试验以富氢还原高炉工艺为核心、辅以二氧化碳捕集利用技术，预计将优于传统高炉减排二氧化碳30%以上。2020年7月投入运行的380m3试验高炉，目前正进行第二阶段试验，鼓风含氧达到50%。2022年将进行第三阶段试验，将进行高炉本体改造，进行全氧碳循环富氢还原冶炼试验，掌握关键技术，形成工艺技术集成。

气基直接还原竖炉方面，宝武集团将在湛江建设一套100万吨/年的氢基竖炉直接还原示范工程，用氢气含量达60%，目前已完成工程项目立项，将于2021年9月底开工建设。二期计划再建设一套100万吨/年的氢基竖炉和配套电炉炼钢工程，采用可再生能源发电-高效水电解槽生产的绿色氢气，氢气比例逐步达到80%-90%。

河钢集团：2021年5月，河钢集团启动建设全球首例120万吨规模的氢冶金示范工程，可替代传统高炉碳冶金工艺，预计年可减碳幅度达60%，该项目采用Energiron-ZR（零重整）技术，充分利用张家口可再生能源，使用含氢量约70%的补充气源作为还原剂，1吨直接还原铁仅产生250千克二氧化碳。同时，产生的二氧化碳也进行选择性回收，并在下游工艺进行再利用，1吨产品产生的最终净排放仅约125千克二氧化碳，减碳效果显著。7月底，其在河钢唐钢还投入运营了首批次30辆氢能重卡，打造钢铁生产氢能应用全产业链。

中晋冶金科技有限公司：自身拥有自主知识产权的气基竖炉还原铁技术方案，掌握“清洁氢气竖炉直接还原冶金技术”，在中晋太行矿业有限公司建设的年产30万吨氢基还原铁项目于2020年12月底建成并试运行。

此外，2020年5月，中国钢研科技集团与京华日钢控股集团共同签署协议，启动了具有中国自主知识产权的首套年产50万吨氢冶金及高端钢材制造项目；2021年7月，鞍钢集团、鞍山钢铁与中科院过程所、中科院大化所、上海大学签订“绿色氢能冶金技术”五方联合研发协议，共同推动绿色氢能冶金技术的发展和应用，实现低碳冶金新技术路线的突破。

氢冶金大范围推广应用，主要受到上游制氢工艺和成本的制约。相较于富氢还原高炉，采用气基直接还原竖炉工艺进行铁矿石冶炼的吨二氧化碳排放量大幅减少，对于钢铁行业实现大规模深度减碳提供有效支撑。

氢作为原料生产氨、甲醇等化工产品，石油催化过程中加氢馏分，主要应用于化工行业。在“碳达峰、碳中和”背景下，化工行业也面临较为严峻的碳减排压力。目前，化工行业使用的氢主要是采用化石燃料制作的“灰氢”，绿氢化工，即“绿氢替代灰氢”，是实现化工行业深度脱碳的重要途径之一。

2018年壳牌公司联合ITM Power在德国莱茵州的炼厂建设10MW的质子交换膜（PEM）水电解制氢厂，绿氢年产量达到1300吨，率先开启了推动绿氢对灰氢减量替代行动。2019年壳牌丹麦Fredericia炼油厂启动HySynergy项目，将建设北欧最大的利用可再生能源发电的电解水制氢工厂，全面建成后，制氢厂的产能可完全满足精炼厂全面使用绿氢的需求。

国内也在进行绿氢化工的探索。2020年1月，国内首个太阳能燃料生产示范工程落地兰州新区精细化工园区。该项目采用光伏发电，为电解槽供电实现电解水制氢，氢气与二氧化碳反应合成甲醇，年产甲醇1440吨。2020年3月，京能电力签订5000MW风、光、氢、储一体化项目，项目建成后除提供日常用电外，再利用风光电价优势，规划建设2万立方米/小时水制氢及制氧、20万立方米/小时制氮的绿色能源岛，为周边化工产业园供应氢气、氮气和压缩空气。同时，利用氢气资源研究氢燃料重卡汽车代替传统燃料汽车项目，降低园区内企业煤炭、灰渣、物流运输成本。

3.1 机遇

（1）政策支持

2019年氢能首次写入《政府工作报告》；2020年在《能源法》征求意见稿中，首次将氢能纳入能源体系管理，统筹推动氢能产业发展；在研究编制的“能源技术创新‘十四五’规划”中，已经将氢能技术列为“十四五”期间能源技术装备的主攻方向和重点任务。目前，全国已有20多个省份出台了60多个氢能发展规划和支持政策。国家和各省市对氢能产业的支持，将推动氢能技术装备的创新，突破清洁制氢、氢能储运、用氢成本等方面的壁垒，推动氢能在工业领域的应用。

（2）可再生能源丰富

可再生能源电解水制氢是未来趋势。到2025年，预计可再生能源发电装机占我国发电总装机的50%以上，用富余可再生能源用于电解水制取绿氢，可大大降低制氢成本，不仅能提高我国可再生能源利用率，还能推动绿氢在工业领域的大规模应用，从而推进双碳目标的实现。

3.2 挑战

氢能产业链较长，包括制氢、储、运、到终端利用等阶段，氢能在钢铁行业和化工行业面临共性的成本问题，在钢铁行业面临氢冶金技术突破的问题。

（1）技术

氢能产业链各个环节仍需要技术突破。绿氢制备环节需要突破电解水制氢技术以解决绿氢大规模供应问题；运输环节中的“氢脆”问题等技术亟待解决；在储存环节，仍需要解决当前低压液态储氢、高压气态储氢及固态储氢三种储存方式存在的储存要求高、成本高、难度大等问题；应用环节，氢冶金技术的突破是氢能在钢铁行业大规模应用的关键。

（2）成本

绿氢的未来，取决于电力是否为绿电、电价是否便宜、设备和技术是否成熟以及政府政策支持的力度是否足够。目前我国可再生能源发电制氢成本约3美元/千克，而煤制氢仅1美元/千克，可再生能源制氢成本呈下降趋势，但目前仍然比传统的煤制氢要高。同时需要考虑氢的储存和运输成本，充分考虑储存和运输技术。

随着氢冶金和绿氢制造技术、储运和技术装备等技术的不断突破，钢铁、化工领域对绿氢的需求量将持续增大。氢能在化工领域的应用相对成熟，成本主要是绿氢的制备和储运，而氢冶金是一项创新性的低碳冶金技术，短期内仍处于研发和中试阶段，在一段时期内氢冶金成本可能会较高。