內容概要：我國作為世界粗鋼產量第一大國，全國粗鋼產量占世界的一半以上。目前，國內鋼鐵生產工藝主要包括高爐-轉爐長流程、廢鋼-電弧爐短流程和直接還原鐵（DRI）-電弧爐流程。其中：高爐-轉爐長流程的產鋼量占比大于90%，噸鋼碳排放量為1.8～2.5t，碳排放主要工序為高爐（噸鋼碳排放量為1.5t，占70%～90%）；廢鋼-電弧爐短流程的產鋼量占比小于10%，噸鋼碳排放量為0.25～0.30t，碳排放主要工序為電弧爐（噸鋼碳排放量為0.19t，約占75%）；非高爐煉鐵-電弧爐工藝占比很少，直接還原鐵（DRI）-電弧爐流程的噸鋼碳排放量0.96t，碳排放主要工序為直接還原（噸碳排放量約為0.5t，占52%）。由此可以看出，目前我國鋼鐵行業氫冶金產能占比較低，產業氫冶金“碳減排”工程建設有待進一步推進。

關鍵詞：氫冶金、富氫高爐、富氫豎爐、碳排放、鋼鐵工業

一、氫冶金行業概述

鋼鐵冶煉是指在高溫下，用還原劑將鐵礦石還原得到生鐵，再將生鐵按一定工藝熔煉以控制其含碳量（一般小于 2%），最終得到鋼的生產過程。鐵礦石有赤鐵礦（Fe2O3）和磁鐵礦（Fe3O4）等。

傳統的高爐煉鐵選用焦炭作為原料之一，通過焦炭燃燒提供還原反應所需要的熱量并產生還原劑一氧化碳（CO），在高溫下利用一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來，將鐵礦石還原得到鐵，并產生大量的二氧化碳氣體（CO2），反應式為Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2。目前的煉鋼企業大都采用該技術， 因此鋼鐵行業碳排放量大，污染嚴重。

而氫冶金概念是在碳冶金的基礎上提出的，指利用氫（H2）還原各種氧化物或氯化物來制取金屬或金屬氫化變脆，再破碎脫氫來制取金屬粉末的非高爐煉鐵工藝冶煉方法。該工藝技術的基本反應式為Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，其中，氫氣充當了還原劑，化學反應生成物為水，二氧化碳排放量為零。

氫能是消除傳統煉鋼煉鐵工藝碳排放的有效途徑。氫能源既可以替代化石燃料應用于高爐煉鐵、燒結、熱風爐、石灰窯、軋鋼加熱爐等生產工序，又可以作為還原劑完成煉鋼過程的還原反應。氫冶金技術利用氫作為還原劑代替碳還原，是減少長流程煉鋼CO2排放，保證鋼鐵工業綠色可持續發展的重要途徑之一。經過市場發展及技術探索，市面上出現的典型氫冶金工藝形式有氫基直接還原、高爐富氫循環、氫基熔融還原、混氫冶金到全氫冶金等。

面對鋼鐵行業日益嚴峻的碳減排形勢，目前全世界主要鋼鐵生產國都在致力于探索“以氫代碳”的氫冶金技術，并在“以氣代焦”的技術基礎上，逐漸提高還原氣中氫氣的比例，推動富氫還原逐步向全氫還原工藝發展。當前主流的是氫冶金技術發展路線為高爐富氫冶煉、氫基直接還原、氫基熔融還原三種。

氫冶金產業鏈上游主要包括原料獲取、制氫以及氫冶金設備制造。其中，原料獲取主要是獲取用于氫冶煉的原材料，如鐵礦石、煤炭、焦炭等。這些原材料是鋼鐵生產的基礎。制氫指通過電解水、天然氣重整、生物質氣化等方式生產氫氣。在氫冶煉過程中，氫氣作為還原劑，替代傳統的焦炭等高污染還原劑，實現綠色冶煉。氫冶金設備包括煉鐵爐、煉鋼爐等生產設備，以及配套的環保設施設備，如廢氣處理設備、廢水處理設備等。這些設備是實現氫冶煉技術的關鍵。

氫冶金產業鏈中游為擁有氫冶金工藝技術的鋼鐵企業。即鋼企應用氫冶金技術，將上游生產的氫氣與鐵礦石等原料在高溫下反應，生產出粗鋼。氫冶煉技術具有低碳、環保、高效等優點，是未來鋼鐵產業的重要發展方向。

氫冶金產業鏈下游為綠色鋼材加工及應用業。即鋼材加工廠商將中游生產所得的綠色粗鋼產品通過軋制、鍛造、拉撥等方式進行加工，生產出各種規格的綠色鋼材產品，然后應用至建筑、機械、汽車、船舶等領域。

整個氫冶金產業鏈涵蓋了從原料獲取到鋼材加工應用的全過程，實現了鋼鐵產業的綠色、低碳、高效發展。隨著環保意識的提高和技術的進步，氫冶金產業鏈將會得到更廣泛的應用和發展。

二、氫冶金行業發展政策

對于如何支持和發展氫冶金，國家早已經進行了頂層設計。2022年2月，工信部、國家發展改革委、生態環境部聯合發布《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》，提出將制訂氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術研發應用，爭取到2025年鋼鐵行業研發投入強度力爭達到1.5%，氫冶金、低碳冶金等先進工藝技術取得突破。2022年3月，國家發展改革委發布的《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，這是我國首部國家級氫能產業頂層政策文件，統籌謀劃、整體布局氫能全產業鏈發展，重點提出，逐步探索工業領域氫的替代應用，不斷提升氫能利用經濟性，拓展清潔低碳氫能在化工行業的替代應用空間。

此外，2022年6月，生態環境部牽頭出臺的《減污降碳協同增效實施方案》也強調，要加強協同技術研發應用，加強氫能冶金等技術試點應用，加強減污降碳協同增效基礎科學和機理研究，在大氣污染防治、碳達峰碳中和等國家重點研發項目中設置研究任務，建設一批相關重點實驗室，部署實施一批重點創新項目。2022年8月，工信部、國家發展改革委、生態環境部發布的《工業領域碳達峰實施方案》也提出，要推動綠色低碳技術研發取得重大突破：部署工業低碳前沿技術研究，實施低碳零碳工藝流程再造工程，研究實施氫冶金行動計劃；布局“減碳去碳”基礎零部件、基礎工藝、關鍵基礎材料、低碳顛覆性技術研究，突破推廣一批高效儲能、能源電子、氫能、碳捕集利用封存、溫和條件二氧化碳資源化利用等關鍵核心技術。

至2023年及2024年，國家及地方政府關于擴大氫能利用的政策更是頻頻發布，為鋼鐵產業內綠色經濟化用氫以及安全規模化用氫提供更多支持；多項政策更是重點提出，要加速探索氫冶金等低碳鋼冶煉技術，加快推動氫冶金等示范性工程建設，加速推動國內鋼鐵冶煉行業綠色低碳轉型升級實現。如，2024年2月4日，工業和信息化部印發《工業領域碳達峰碳中和標準體系建設指南》指出，在燃料替代方面，重點制定氫冶金，爐窯氫燃料替代，玻璃熔窯窯爐氫能煅燒、水泥窯窯爐氫能煅燒、燃氫燃氣輪機、氫燃料內燃機等氫能替代等技術和裝備標準。2024年2月29日，國家工信部、發改委、財政部、生態環境部、中國人民銀行、國務院國資委、市場監管總局聯合印發了《關于加快推動制造業綠色化發展的指導意見》，在氫能方面，文件指出，圍繞石化化工、鋼鐵、交通、儲能、發電等領域用氫需求，構建氫能制、儲、輸、用等全產業鏈技術裝備體系，提高氫能技術經濟性和產業鏈完備性。

相關報告：智研咨詢發布的《2024年中國氫冶金市場技術路線分析及發展前景研究報告》

三、氫冶金行業發展現狀

相較于國內，海外國家更早開始部署綠色低碳冶煉研究規劃項目：2004年歐盟設立ULCOS（超低CO2煉鋼）項目，目標是使歐盟噸鋼CO2排放量降低至少50%，包括高爐爐頂煤氣循環（TGRBF）、先進直接還原工藝（ULCORED）、新興熔融還原工藝（Hisarna）和電解鐵礦石工藝4個技術路線；2008年日本啟動COURSE50項目，關鍵技術是以氫代碳還原煉鐵法、CO2分離和回收；2016年瑞典發起“Carbon-Dioxide-Free Steel Industry”計劃，開始非化石能源鋼鐵項目HYBRIT（hydrogen breakthrough ironmaking technology），用H2替代高爐用煤粉和焦炭；2017年韓國POSCO鋼鐵開始低碳冶煉項目；2019年德國蒂森克虜伯9號高爐首次噴吹純氫，正式宣布“以氫代煤”煉鐵。

相比國外低碳、氫冶金方面的研究規劃布局，我國氫冶金基礎研究雖然一直在持續，但由政府和企業牽頭的整體性規劃研究最近兩年才陸續展開，相關項目剛開始布局實施。2006年科技部批準氫冶金規劃立項，但受制于氫氣成本和工藝未持續跟進。直到近幾年，我國各大鋼企及院校開始陸續布局氫冶金技術項目（包括高爐富氫和氫基非高爐煉鐵工藝），并將其列入2021年中國“雙碳”技術路線圖規劃中。

近幾年來，我國鋼鐵行業對氫冶金技術進行了大量研究和探索，覆蓋了高爐富氫、氫基直接還原、氫基熔融還原等主流技術，且在理論和實踐上都已取得了顯著進展。值得一提的是，以氫作為大工業生產能源應用的第一例——河鋼全球首例120萬噸氫冶金示范工程，實現安全利連續生產綠色DRI（直接還原鐵）產品，可作為高端材料制造高品質潔凈原料，標志著工程一期取得圓滿成功。該工程在全球首次采用了以焦爐煤氣為還原氣體的高壓豎爐零重整氫冶金技術，工藝氣體中氫碳比高達8：1以上，綠色高純直接還原鐵金屬化率達到94%以上，達到國際一類標準，相比同等高爐長流程生產每年可減少二氧化碳排放80萬噸，減排比例達到70%。

此外，寶武八鋼全氧富氫碳循環高爐在400立方米試驗爐上進行試驗性研究，目前已經取得重大突破。2023年6月份，寶鋼股份發布了相應報告，預計該技術將在其2500立方米高爐上應用，實現階段性減碳18%的目標。中國鋼鐵行業在氫冶金技術領域的實踐為推動整個行業技術進步，乃至全球鋼鐵行業低碳轉型都做出了突出的貢獻。

我國作為世界粗鋼產量第一大國，全國粗鋼產量占世界的一半以上。目前，國內鋼鐵生產工藝主要包括高爐-轉爐長流程、廢鋼-電弧爐短流程和直接還原鐵（DRI）-電弧爐流程。其中：高爐-轉爐長流程的產鋼量占比大于90%，噸鋼碳排放量為1.8～2.5t，碳排放主要工序為高爐（噸鋼碳排放量為1.5t，占70%～90%）；廢鋼-電弧爐短流程的產鋼量占比小于10%，噸鋼碳排放量為0.25～0.30t，碳排放主要工序為電弧爐（噸鋼碳排放量為0.19t，約占75%）；非高爐煉鐵-電弧爐工藝占比很少，直接還原鐵（DRI）-電弧爐流程的噸鋼碳排放量0.96t，碳排放主要工序為直接還原（噸碳排放量約為0.5t，占52%）。由此可以看出，目前我國鋼鐵行業氫冶金產能占比較低，產業氫冶金“碳減排”工程建設有待進一步推進。

四、氫冶金競爭格局

1、中晉冶金科技有限公司

中晉太行投資有限公司成立于2012年7月，注冊資本5000萬元。2016年7月，中晉太行投資有限公司重組為中晉冶金科技有限公司。公司的經營范圍涉及新能源、新材料研發、煤制品轉化及還原鐵等生產、技術咨詢和推廣、建設工程總承包業務以及項目管理和相關的技術與管理服務等，是一家具有一定實力的生產型技術企業，也是我國在建的第一套氣基豎爐直接還原鐵企業，氣基豎爐直接還原鐵技術提供商，還原鐵裝備集成管理商。

目前，中晉冶金科技有限公司已經擁有了從氣基豎爐還原鐵技術、技術推廣、工程設計、EPC總承包、人員培訓、售后服務等一條龍全產業鏈式的服務能力，竭誠為廣大客戶提供全流程高水平的服務。

中晉冶金科技有限公司氫冶金項目采用完全具有自主知識產權的技術（CSDRI技術），該技術歷時7年研發成功（自2010年立項至2017年完全研發成功，進行建設階段），采用國外工藝引進德國MME公司的豎爐PERED技術+國內自主技術創新的模式（和中國石油大學聯合開發的焦爐煤氣干重整技術）耦合而成。該技術是全球首套焦爐煤氣干重整制合成氣生產還原鐵技術，目前已獲得24項目專利技術授權。

未來，中晉冶金科技有限公司擬將30萬噸/年焦爐煤氣制直接還原鐵實驗裝置打造成示范性工程，培育一流的產、學、研綠色冶煉示范性基地，推廣綠色冶金工程化技術，有力支撐我國做強鋼鐵企業和實現產品轉型升級以及完成節能減排的戰略國策，引領中國鋼鐵行業的未來和技術革命，填補國內高端裝備業優質鐵素材料空白，為中國企業低碳發展、綠色冶煉樹立標桿和典型，戰略意義深遠。

2、中國寶武

中國寶武鋼鐵集團有限公司是中央直接管理的國有重要骨干企業，總部位于上海。2020年，中國寶武被國務院國資委納入中央企業創建世界一流示范企業；2022年，獲批成為國有資本投資公司，啟動新型低碳冶金現代產業鏈“鏈長”建設工作。2023年，中國寶武資產規模達1.36萬億元，鋼產量1.3億噸，營業總收入1.11萬億元，員工總數22.26萬。

近年來，中國寶武堅持強化企業科技創新主體地位，持續保持高水平研發投入，完善體制機制，激發創新活力，積極開發先進制造和節能環保技術，加速推動氫冶金等綠色低碳鋼鐵冶煉技術應用：2019年1月，中國寶武與中核集團、清華大學簽訂《核能制氫-冶金耦合技術戰略合作框架協議》，共同打造核氫冶金產業聯盟。據計算，一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬噸二氧化碳，減少能源消費100萬噸標準煤。

2020年7月，中國寶武在八鋼進行了富氫碳循環氧氣高爐工藝實驗，把脫碳后的煤氣接入富氫碳循環高爐，與接入歐冶爐脫碳煤氣前相比，富氫碳循環高爐噸鐵燃料比下降近45千克，比傳統高爐減排二氧化碳30%。對于傳統高爐采用熱風爐生產，高爐煤氣因含有大量氮氣，不具備脫碳（去除二氧化碳）再循環使用價值，這也是傳統高爐實現碳減排最大的難點。2021年7月，八鋼富氫碳循環高爐已完成第二階段50%（第一階段35%）富氧目標，后期八鋼富氫碳循環高爐將通過技術升級和優化，實現全氧冶煉目標。

2021年1月，中國寶武公布了低碳冶金技術路線圖，提出了碳中和冶金技術發展的六條技術路徑，把氫基豎爐為核心的氫冶金工藝作為重要的技術路徑之一，宣布了2023年實現碳達峰、2035年實現減碳30%，2050年實現碳中和的發展目標。

2022年11月，中國寶武在全球綠色低碳冶金創新論壇上宣布，首次建成首座400立方米級的低碳冶金高爐，這是全球綠色低碳冶金領域綠色低碳技術的重大突破。

未來，中國寶武將聚焦富氫碳循環氧氣高爐流程和氫基豎爐流程這兩個技術方向持續發力，并以此為基礎打造寶武的零碳工廠，為社會提供更多的低碳和零碳鋼材，推動鋼鐵行業綠色低碳轉型發展，實現綠色低碳引領。

五、氫冶金發展難點

目前來看，氫能源與鋼鐵產業的合作是雙贏的結果：氫能源幫助鋼鐵企業節能減排、延伸業務、完成轉型，鋼鐵企業為氫能源提供了更多的落地應用，促進其發展。氫能源和鋼鐵工業是一個互相促進的產業組合。然而，氫冶金的概念無論在理論還是實踐都還處于起步階段，目前仍然面臨重重困難，特別是綠色經濟化制氫問題和安全規模化用氫問題，這仍是制約氫冶金發展的關鍵。與此同時，國家層面氫能政策目前還主要集中在交通領域，氫冶金技術的發展還需要高屋建瓴的頂層設計和政策支持。

以氫代碳、氫冶金是清潔氫能在工業領域的重要應用場景。因此，厘清氫能制備和氫冶煉技術的發展瓶頸與節奏，確定氫能和鋼鐵冶煉產業合作共贏的可行性時間和技術路線圖，實現協調發展，將為落實氫冶金對實現“雙碳”目標的重要支撐作用奠定基礎。

難點1：綠色經濟化制氫

以氫代碳的富氫或全氫冶金，無論發展高爐還是非高爐路線，大規模經濟化的氫源是基礎。我國“富煤缺油少氣”的能源稟賦，缺少充足天然氣和經濟規模的氫源，長期以來一直是發展高爐富氫、氫基豎爐和熔融還原工藝的瓶頸，也是目前低碳化轉型過程中卡脖子的問題。

目前已有較為成熟的制氫工藝，不同的制氫方法和技術各具優劣。按制取原材料分類，氫氣可劃分為灰氫、藍氫和綠氫。其中，灰氫由以焦爐煤氣、氯堿尾氣為代表的工業副產氣制取，過程伴隨碳排放；藍氫由煤或天然氣等化石燃料制取，并將CO2副產品捕獲、利用和封存（CCUS），可實現低碳排放生產；綠氫是通過使用再生能源（例如太陽能、風能、核能等）制造的氫氣，例如通過可再生能源發電進行電解水制氫，生產綠氫的過程完全沒有碳排放。綠氫是氫能利用的理想形態，但受到目前技術及制造成本的限制，實現大規模應用還需要時間。

難點2：安全規模化用氫

氫氣對碳基還原劑的替代是存在極限值的，尤其是高爐煉鐵工藝。對于長流程高爐煉鐵，碳除了作為還原劑，還起到多種關鍵作用：①作為燃料，提供高爐冶煉所需熱量，高爐熱量一般由焦炭、噴吹燃料的燃燒及外部通入的熱風提供，其中高爐內焦炭燃燒供熱占比高達75%-80%；②作為骨架，支撐爐料；③作為生鐵滲碳的碳源，一般生鐵中碳含量4%，全部來源于焦炭。氫的密度和元素構成顯然無法替代碳的支撐和滲碳作用，炭的使用難以避免，而且氫氣還原是吸熱反應，氫氣比例達到一定程度后，需要額外供熱來實現熱量互補，如果這部分熱能來源還是通過碳燃燒，那碳排放只是有增無減。

對于氣基豎爐還原煉鐵工藝，同樣存在滲碳來源、熱量互補問題，而且如果是純氫氣作為還原劑需要對純氫氣進行加壓和加熱，根據唐玨等于2020年11月在《河北冶金》發表的《我國氫冶金發展現狀及未來趨勢》一文，氫氣理論上加壓到1MPa以上，加熱到1000攝氏度以上，可以達到設計指標，但豎爐如果長期在如此高溫、高壓極限條件下工作，不符合安全目標。

因此在上述問題解決之前，氫氣對碳基還原劑的替代是存在極限值的，尤其是高爐煉鐵工藝，對溫度的要求更高，鋼鐵行業冶煉用氫受限程度也因此更大。

六、氫冶金行業發展趨勢

盡管氫冶金技術代表著未來鋼鐵冶煉的發展方向，但就目前來說，即使在西方發達國家，氫冶金技術也處于發展的初期，并沒有形成對傳統的“高爐—轉爐”長流程和“廢鋼—電弧爐”短流程工藝的規模化替代，且氫冶金工藝的大規模應用尚存在極大困難。但無論如何，從全球氣候變化的應對考慮，碳還原技術如何被氫冶金技術成功取代，是值得深入研究和實踐的課題，國內外相關研究仍將加速推進，氫冶金規模化應用或將逐步得以實現，以降低鋼鐵行業的碳排放量，推動全球綠色低碳發展。就國內來說，面對目前我國制氫成本依舊相對較高的問題，未來我國氫冶金工藝推進路線為：短期以富氫高爐工藝為主，未來逐步推進富氫豎爐工藝。根據氫冶金成本變化、技術成熟度及氫資源可用性等因素影響，估算到2050年，30%-35%的碳排放缺口即1.73億-2.02億 噸二氧化碳減排任務由氫冶金完成。經計算，得到2050年氫冶金鋼產量為0.96億-1.12億噸。

以上數據及信息可參考智研咨詢（www.szxuejia.com）發布的《2024年中國氫冶金市場技術路線分析及發展前景研究報告》。智研咨詢是中國領先產業咨詢機構，提供深度產業研究報告、商業計劃書、可行性研究報告及定制服務等一站式產業咨詢服務。您可以關注【智研咨詢】公眾號，每天及時掌握更多行業動態。