魯雄剛，張玉文，祝凱，李光石，葉水鑫，武文合

①上海大學 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；②上海大學 材料科學與工程學院，上海 200444；③上海金屬零部件綠色再制造工程技術(shù)研究中心，上海 200444

2020年9月22日第75屆聯(lián)合國大會上，中國國家主席習近平向全世界承諾：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。中國“碳達峰碳中和”(“雙碳”)目標的提出吹響了舉國降碳行動的號角。2020年12月18日閉幕的中央經(jīng)濟工作會議，首次將“做好碳達峰、碳中和工作”作為2021年重點任務，提出要抓緊制定2030年前碳排放達峰行動方案，支持有條件的地方率先達峰。2021年3月4日科技部碳達峰與碳中和科技工作領(lǐng)導小組第一次會議，研究了科技支撐實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的相關(guān)工作，明確把加快碳中和科技創(chuàng)新作為當前的重要任務，研究形成《碳達峰碳中和科技創(chuàng)新行動方案》，擬編制《碳中和技術(shù)發(fā)展路線圖》，計劃設立“碳中和關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”重點專項。2021年4月18日“碳中和科技創(chuàng)新路徑選擇”香山科學會議上，科技部部長王志剛指出：“碳達峰碳中和意義不亞于三次工業(yè)革命，要發(fā)展原料、燃料替代和工藝革新技術(shù)，推動鋼鐵、水泥、化工等高碳產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)流程零碳再造”[1]。2021年科技部編制了“雙碳”目標下的技術(shù)路線[2]，包括減少碳排放和增加碳吸收兩條主線(圖1)。其中減少碳排放有3條路線，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、重點領(lǐng)域減排和金融減排支持。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是減少化石能源、提高利用效率和增加清潔能源。重點領(lǐng)域減排明確指出，氫能冶煉、氧氣高爐和非高爐冶煉是制造領(lǐng)域中鋼鐵冶煉行業(yè)減少含碳能源使用的技術(shù)路徑。2022年3月國家發(fā)展改革委員會、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》。這是我國首部國家級氫能產(chǎn)業(yè)頂層政策文件，統(tǒng)籌謀劃、整體布局氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。發(fā)展氫能的重點任務之一是穩(wěn)步推進氫能的多元化應用，逐步探索工業(yè)領(lǐng)域替代應用，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)及應用，探索氫能在工業(yè)生產(chǎn)中作為高品質(zhì)熱源的應用，擴大工業(yè)領(lǐng)域氫能替代化石能源的應用規(guī)模。

圖1 “雙碳”目標下的技術(shù)路線圖

在應對氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，各國都高度重視無碳和低碳能源的開發(fā)與利用，以減少碳足跡、降低碳排放為目的的冶金工藝技術(shù)變革日益受到鋼鐵工業(yè)的關(guān)注。氫能被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，將氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)的變革性技術(shù)——氫冶金，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和工藝流程、實現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。

1 中國鋼鐵生產(chǎn)的碳排放現(xiàn)狀

作為世界粗鋼產(chǎn)量第一大國，中國的粗鋼產(chǎn)量占世界的一半以上，2020年突破10億t，CO2排放約21億t[3]。目前，我國鋼鐵生產(chǎn)工藝主要包括高爐-轉(zhuǎn)爐長流程、廢鋼-電弧爐短流程和直接還原鐵(DRI)-電弧爐流程(表1)。其中：高爐-轉(zhuǎn)爐長流程的產(chǎn)鋼量占比大于90%[4]，噸鋼碳排放量為1.8～2.5 t，碳排放主要工序為高爐(噸鋼碳排放量為1.5 t，占70%～90%)；廢鋼-電弧爐短流程的產(chǎn)鋼量占比小于10%，噸鋼碳排放量為0.25～0.30 t，碳排放主要工序為電弧爐(噸鋼碳排放量為0.19 t，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0.96 t，碳排放主要工序為直接還原(噸碳排放量約為0.5 t，占52%)?？梢钥闯?，長流程的碳排放量要遠高于廢鋼/直接還原鐵-電弧爐短流程。

表1 我國鋼鐵生產(chǎn)工藝占比及碳排放現(xiàn)狀

2 鋼鐵生產(chǎn)的碳減排路徑

在“雙碳”大背景下，整個鋼鐵行業(yè)必須根據(jù)現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)及各流程特點，合理發(fā)展高效可行的碳減排路徑。從表1的分析可以看出，目前，以碳冶金和礦石為基礎的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程在我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占主導地位，其中高爐煉鐵是CO2排放量最大的工序，約占整個鋼鐵生產(chǎn)CO2排放總量的70%～90%。高爐煉鐵工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)能力強、效率高，未來幾十年仍將是支撐中國對鋼鐵材料龐大需求的主流煉鐵技術(shù)。因此，鋼鐵行業(yè)助力實現(xiàn)2030年碳排放強度降低60%的目標必須基于現(xiàn)有的高爐。高爐低碳冶煉是我國規(guī)?；瘜崿F(xiàn)鋼鐵工業(yè)降碳的重要路徑。從我國鋼鐵生產(chǎn)的中長期發(fā)展來看，逐步從長流程向短流程調(diào)整是大幅度降低碳排放的必然選擇。在全球前十大鋼鐵生產(chǎn)國家中，中國短流程占比最低，僅有10%左右，美國短流程已占總產(chǎn)量的75%以上，歐洲也達55%。隨著我國廢鋼蓄積量的增加和廢鋼分類標準的完善，逐步增大短流程產(chǎn)鋼比例將會釋放巨大的減排空間。

針對工藝現(xiàn)況，我國的鋼鐵生產(chǎn)可以在源頭減少碳輸入、過程提高碳利用效率、末端加強碳捕集固化利用等3個方面切入進行降碳(圖2)。源頭上減少碳輸入：調(diào)整鋼鐵生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，發(fā)展廢鋼-電爐短流程和氣基豎爐還原技術(shù)，降低長流程在生產(chǎn)中的占比；研究開發(fā)高爐富氫低碳冶煉、富氫和非化石能源燒結(jié)、富氫/全氫非高爐煉鐵技術(shù)等，實現(xiàn)以氫代碳和清潔能源利用。提高鋼鐵冶煉過程中碳的利用效率、降低噸鐵/噸鋼碳消耗，包括使用鐵焦、含碳球團等新型爐料，以及高爐爐頂煤氣循環(huán)、氧高爐等技術(shù)。末端包括CO2分離、捕集和利用，以及鋼化聯(lián)產(chǎn)、固化、封存等。

圖2 鋼鐵生產(chǎn)的碳減排路徑

鋼鐵工業(yè)降碳路徑和措施可以分步實施：第一步，節(jié)能降耗減排，采取各種措施降低噸鐵碳消耗，節(jié)能是實現(xiàn)碳減排最重要、最經(jīng)濟的手段；第二步，發(fā)展短流程廢鋼/海綿鐵-電爐-連鑄連軋工藝，逐步減少長流程產(chǎn)鋼量占比，研究以氫取代部分碳(富氫冶金)，發(fā)展高爐富氫冶煉技術(shù)、擴大富氫氣基豎爐/流化床等非高爐冶煉生產(chǎn)比例；第三步，以氫取代全部碳，探索研究純氫氣基豎爐、流化床冶煉技術(shù)生產(chǎn)海綿鐵，再接電爐熔分煉鋼，實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過程的碳凈零排放。

作為中國鋼鐵企業(yè)龍頭，中國寶武的低碳發(fā)展路徑具有示范和啟示作用，他們率先提出碳中和目標下的冶金技術(shù)路線(圖3)和不同技術(shù)的碳減排潛力及部署時間表(圖4)[5]。中國寶武以富氫碳循環(huán)高爐和氫基豎爐兩條工藝路線為中心，從6個方面進行碳減排：①全流程極限能效，研究鋼鐵全流程理論和技術(shù)極限能耗模型，通過最佳可適商業(yè)技術(shù)(BACT)應用、智慧制造、界面能效提升、余熱余能深度資源化等領(lǐng)域的集成創(chuàng)新，逼近極限能效，實現(xiàn)節(jié)能減碳3%～5%；②冶金資源循環(huán)利用，研發(fā)鋼鐵循環(huán)材料、含鐵含碳固廢、多源生物質(zhì)等資源在鋼鐵生產(chǎn)過程中的使用技術(shù)，減少化石能源消耗，持續(xù)降低噸鋼碳排放強度10%～20%；③短流程近終形制造技術(shù)，構(gòu)建短流程近終形制造技術(shù)平臺，開展電爐+近終形制造工藝技術(shù)路徑研究，實現(xiàn)鋼鐵加工工藝流程極低碳排；④富氫碳循環(huán)高爐工藝技術(shù)，構(gòu)建以“富氫還原”耦合“爐頂煤氣循環(huán)”為技術(shù)特征的富氫碳循環(huán)高爐技術(shù)體系，實現(xiàn)高爐爐頂煤氣化學能利用率極致化，結(jié)合綠電加熱、金屬化微波燒結(jié)和CO2分離捕集，實現(xiàn)較傳統(tǒng)高爐噸鐵碳排放強度下降30%～50%的目標；⑤氫基豎爐技術(shù)，以綠氫制備工藝技術(shù)、氫氣直接還原鐵礦石工藝技術(shù)為基礎，集成構(gòu)建綠氫直接還原-電爐熔分短流程冶煉技術(shù)，實現(xiàn)噸鋼碳排放強度比長流程大幅度降低；⑥CO2資源化利用技術(shù)，通過對鋼鐵流程CO2低成本、大規(guī)模的捕集和資源化利用，實現(xiàn)末端碳固化利用，減少碳排放。

圖3 中國寶武碳中和冶金技術(shù)路線圖[5]

圖4 主要技術(shù)的減排潛力和部署時間表[5]

從中國寶武制定的碳中和路線圖看：2020—2035年仍以高爐長流程為主，這一時期通過對傳統(tǒng)高爐工藝加以技術(shù)改造實現(xiàn)減碳目標；2035—2050年將大力發(fā)展氫基豎爐-電爐熔分短流程，輔以碳回收利用技術(shù)達到2050年碳中和的目標。

以上分析可知，近中期的高爐富氫，中遠期的氫基豎爐以及逐漸提高短流程產(chǎn)鋼量是鋼鐵行業(yè)降碳的發(fā)展主線，其本質(zhì)均為逐漸增加清潔氫能的利用，以氫代碳。伴隨人類能源利用的減碳清潔化，氫能是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。以氫代碳，將氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)的氫冶金變革性技術(shù)，反應的碳排放隨之被“水排放”替代，氫冶金成為鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

3 氫冶金的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

從傳統(tǒng)的碳冶金到全氫冶金的工藝發(fā)展歷程主要分兩個階段，以減少對焦炭依賴為主要目標的階段和以降低碳排放為主要目標的階段。減少焦炭使用主要采用以煤代焦、以氣(油)代焦，降低碳排放主要采用以氫代碳。氫冶金是在鐵礦石的還原冶煉過程中，引入氫氣作為還原劑和燃料的技術(shù)，分為富氫冶金和純氫冶金。

3.1 以減少對焦炭依賴為主要目標的發(fā)展階段

作為最重要煉鐵工藝，高爐煉鐵采用焦炭代替木炭，為現(xiàn)代高爐的大型化奠定基礎，是冶金史上的重要里程碑。焦炭具有還原劑、燃料、料柱骨架和滲碳等方面的作用。從1709年達比(Darby)父子在英格蘭的什羅普郡首次以焦炭代替木炭在高爐中煉出生鐵，到1784年瓦特發(fā)明蒸汽機，高爐開始以機械代替蓄力鼓風，使風壓風量增大，為高爐完全使用焦炭創(chuàng)造了條件。1800年，英國高爐全部使用焦炭，并將這一技術(shù)傳至歐美其他國家和地區(qū)。直到20世紀40年代，高爐主要采取全焦冶煉。全焦冶煉需要消耗大量的焦炭，為降低焦炭消耗、緩和對日趨匱乏的焦煤的需求，發(fā)展出了高爐噴吹工藝和非焦冶煉(即非高爐煉鐵)工藝(圖5)。高爐噴吹工藝利用風口噴吹煤粉、重油、天然氣和焦爐煤氣等固、液、氣體燃料代替部分焦炭，從而降低焦比，增加高爐操作調(diào)劑手段，以提高冶煉效率，降低生產(chǎn)成本。從20世紀50年代開始，高爐普遍采用高風溫、大風量、精料、風口噴吹、富氧鼓風、高壓爐頂?shù)纫幌盗写胧?，焦比大幅降低。非高爐煉鐵工藝包括氣基直接還原、煤基直接還原和熔融還原。氣基直接還原工藝中的還原氣是通過重整天然氣或焦爐煤氣獲得的富氫混合氣(H2+CO)。非高爐煉鐵工藝中氣基直接還原工藝最為成熟，但由于我國沒有豐富的氣源，非高爐煉鐵在我國鋼鐵生產(chǎn)中的占比很低。

圖5 氫冶金發(fā)展歷程

3.2 以減少碳排放為主要目標的發(fā)展階段

為應對全球氣候變化，降低CO2排放、低碳生產(chǎn)逐漸成為關(guān)注焦點。隨著全人類能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，能源演變趨勢雖然目的不單一，但脫碳是一條非常清晰的路線：木柴—煤炭—石油—天然氣—“可再生能源+氫儲能”，用主要成分可以表示為C10H—C2H—CH2—CH4+H。以煤炭為主要能源的傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)是CO2排放大戶，減少碳排放的主要手段是以氫代碳，逐漸增加鋼鐵生產(chǎn)過程的用氫比例，發(fā)展高爐富氫冶煉，擴大富氫直接還原生產(chǎn)占比，提高富氫氣體中氫氣比例，直至全氫直接還原。如何降低碳排放、實現(xiàn)凈零碳排放？由傳統(tǒng)的碳冶金發(fā)展為全氫冶金，逐漸形成高爐富氫冶煉和全氫直接還原兩大技術(shù)路線。富氫冶煉是現(xiàn)階段從“碳冶金”到“氫冶金”的重要過渡，是大幅降低碳排放的重要突破口，對實現(xiàn)“雙碳”過渡時期的應用意義重大。全氫直接還原符合短流程發(fā)展需求，是鋼鐵脫碳從快速發(fā)展到成熟的重要路徑。煤基直接還原和熔融還原工藝整體來說，對碳減排的實際應用意義有限。要實現(xiàn)以氫代碳，大規(guī)模的氫源是基礎。以灰氫、藍氫、綠氫代部分碳大幅降低CO2排放量，再利用綠電制備綠氫，最終全氫冶金實現(xiàn)零碳排放。

氫用于煉鐵過程已有比較長的歷史，上述的二十世紀五六十年代開展的高爐噴吹富氫焦爐煤氣、天然氣，利用重整天然氣的氣基直接還原等均是富氫冶金，屬于氫冶金的范疇。在全球低碳化應對氣候變化、“雙碳”戰(zhàn)略背景下，氫冶金逐漸成為國內(nèi)外研發(fā)和討論的熱點。圖6為圍繞應對氣候變化、降低碳排放和氫冶金發(fā)展的重要節(jié)點。1992年通過的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》提出將大氣溫室氣體濃度維持在一個穩(wěn)定的水平，在該水平上人類活動對氣候系統(tǒng)的危險干擾不會發(fā)生。1997年《京都議定書》使溫室氣體減排成為發(fā)達國家的法律義務。1999年第125次香山科學會議中，上海大學徐匡迪院士從CO2減排角度提出氫冶金、調(diào)峰儲能和利用綠電電解水制備綠氫，并提出完整的全氫冶金短流程工藝路線：純氫直接還原鐵礦石-電爐熔分(圖7)[6]。2002年在國家自然科學基金委員會主辦的冶金學科戰(zhàn)略研討會上，徐匡迪院士提出氫冶金技術(shù)思想并介紹了低溫氫還原鐵礦微粉多物理場下成型工藝流程[7]。隨后，國外陸續(xù)開展了多個降低鋼鐵生產(chǎn)碳排放的氫冶金發(fā)展規(guī)劃項目。徐匡迪院士持續(xù)推動中國氫冶金、鋼鐵低碳的發(fā)展，多次在中國鋼鐵年會上強調(diào)研究開發(fā)氫冶金技術(shù)的重要性和規(guī)劃[7-9]：①未來鋼鐵工藝的能源結(jié)構(gòu)是氫能，21世紀是氫能經(jīng)濟時代，也是氫冶金時代；②建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型鋼鐵企業(yè)，發(fā)展綠色冶金是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[8]，包括利用冶金過程爐氣制氫；③當綠色環(huán)保氫能源占主流時，下一代鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)可能是“氫還原”。2009年第七屆中國鋼鐵年會上，徐匡迪院士的“低碳經(jīng)濟與鋼鐵工業(yè)”主旨發(fā)言指出：中國鋼鐵業(yè)需及早制定CO2減排路線圖，研究低碳煉鐵技術(shù)，在鋼鐵設備達到服役期(2020—2030)時，應該優(yōu)先考慮高爐爐頂煤氣循環(huán)及高爐噴吹焦爐煤氣，實現(xiàn)CO2減排；及時部署前瞻性的碳減排技術(shù)研發(fā)，主要包括碳捕集技術(shù)，充分利用現(xiàn)有工業(yè)規(guī)模的煤氣制氫；在非化石能源成為主流時(2050年左右)，可推出氫冶金工業(yè)技術(shù)[10]。

圖6 圍繞降低碳排放和氫冶金的重要節(jié)點事件

圖7 全氫流化床直接還原-電爐熔分短流程

國外較早部署綠色低碳冶煉研究規(guī)劃項目(表2)。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(huán)(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(shù)路線。2008年日本啟動COURSE50項目，關(guān)鍵技術(shù)是以氫代碳還原煉鐵法、CO2分離和回收[11-13]。2016年瑞典發(fā)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[14-15]。2017年韓國POSCO鋼鐵開始低碳冶煉項目[16]。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[17]。

表2 國外氫冶金低碳冶煉項目

由圖8展示的日本鋼鐵工業(yè)減碳技術(shù)路線圖可以看出，近中期發(fā)展高爐富氫冶煉(COURSE50和Super COURSE50)，中遠期發(fā)展非高爐的氫還原煉鐵，配合CO2的捕集利用和封存來實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)碳減排[12]。

圖8 日本鋼鐵工業(yè)減碳技術(shù)實施路線[12]

2016年，瑞典開始實施非化石能源鋼鐵項目——突破性氫能煉鐵技術(shù)(HYBRIT)(圖9)[18]。HYBRIT核心是以非化石能源替代傳統(tǒng)的化石能源，利用氫氣替代高爐生產(chǎn)用的燃煤和焦炭，降低CO2排放。HYBRIT工藝的特別之處在于所用氫氣均通過可再生的綠電電解水獲得。電解水工藝雖然耗能高，但所需電力可以再生，因此整個工藝的碳排放可以忽略。研究內(nèi)容包括利用純氫直接還原球團礦生產(chǎn)海綿鐵的技術(shù)和球團、燒結(jié)工藝的非化石能源加熱。HYBRIT于2017年底完成可行性研究，2024年完成中試研究和測試，到2028年將試驗工廠擴大成示范工廠，并作為工業(yè)化生產(chǎn)設施連續(xù)數(shù)月24 h運轉(zhuǎn)，至2035年全面試產(chǎn)。這種氫基直接還原鐵-電爐熔分短流程已成為實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)近凈零碳排放爭相示范的“夢工廠”模式。寶武集團在湛江、河鋼集團在宣化、鞍鋼集團在鲅魚圈均布局開展這種短流程工藝示范項目的研發(fā)和建設。

圖9 瑞典HYBRIT項目與傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐流程對比[18]

相比國外低碳、氫冶金方面的研究規(guī)劃布局，中國氫冶金基礎研究雖然一直在持續(xù)，但由政府和企業(yè)牽頭的整體性規(guī)劃研究最近兩年才陸續(xù)展開，相關(guān)項目剛開始布局實施。2006年科技部批準氫冶金規(guī)劃立項，但受制于氫氣成本和工藝未持續(xù)跟進。直到近幾年，中國各大鋼企及院校開始陸續(xù)布局氫冶金技術(shù)項目(包括高爐富氫和氫基非高爐煉鐵工藝)(圖6、表3)，并將其列入2021年中國“雙碳”技術(shù)路線圖規(guī)劃中(圖1)。

表3 國內(nèi)氫冶金低碳冶煉項目

(1)高爐富氫冶煉技術(shù)開發(fā)

高爐富氫低碳冶煉的技術(shù)特征是“富氫還原”耦合“爐頂煤氣循環(huán)”。從高爐煉鐵的基本原理出發(fā)(圖10)，實現(xiàn)高爐富氫低碳冶煉的核心技術(shù)環(huán)節(jié)主要包括：富氫(或純氫)氣源供給、預熱調(diào)質(zhì)和噴吹；實現(xiàn)爐內(nèi)富氫低碳冶煉過程順行高效的綜合調(diào)控；富氫冶煉下適應性新爐料的應用；爐頂煤氣循環(huán)噴吹；捕捉分離出的CO2的固化利用。要實現(xiàn)爐頂煤氣的循環(huán)噴吹，高爐排出的爐頂荒煤氣需要除塵、分離去除氧化產(chǎn)物組分CO2、H2O和惰性組分N2。要最大限度地減少CO2排放，需要對從煤氣中捕捉富集出來的CO2進行規(guī)模化綜合利用。

目前，國內(nèi)寶武集團新疆八一廠(以下簡稱八鋼)400 m3工業(yè)級富氫碳循環(huán)高爐(圖10)、上海大學-興國鑄業(yè)的40 m3半工業(yè)化試驗高爐富氫的技術(shù)開發(fā)具有代表性。2020年7月15日，八鋼的400 m3工業(yè)級別試驗高爐正式點火開爐，開啟了八鋼低碳冶金特色創(chuàng)新之路。第一階段工業(yè)試驗，計劃3～4個月內(nèi)突破傳統(tǒng)高爐富氧極限，實現(xiàn)35%高富氧冶煉；第二階段引入脫除CO2，再用3～4個月打通煤氣循環(huán)工藝流程，實現(xiàn)50%超高富氧。完成氧氣高爐頂煤氣循環(huán)和全氧冶煉后，進一步開展富氫冶金工業(yè)試驗。2021年10月八鋼進行了富氫碳循環(huán)高爐第三階段科研試驗的工程建設，截至2022年3月，完成試驗高爐土建基礎澆筑工作，進入地面以上結(jié)構(gòu)施工階段。

圖10 高爐富氫低碳冶煉關(guān)鍵技術(shù)與工藝

2021年，上海大學與昌黎縣興國精密機件有限公司聯(lián)合建成我國富氫低碳高爐煉鐵領(lǐng)域首臺/套專業(yè)化、半工業(yè)規(guī)模的熱模擬科學實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可解剖打開式的40 m3試驗爐為核心，具備供氫、富氫冶煉、爐頂煤氣循環(huán)噴吹和二氧化碳捕集分離等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)監(jiān)測、評估功能。目前，我國首次以純氫為噴吹氣源進行高爐富氫冶煉技術(shù)開發(fā)的試驗已成功完成，純氫氣噴吹量達1 800 m3/h、噸鐵250 m3?！耙詺浯肌币睙捲囼炦_到降低焦比10%以上、減少CO2排放量10%以上和鐵產(chǎn)量增加13%以上，同時獲得鋼鐵生產(chǎn)中大規(guī)模安全使用氫氣的經(jīng)驗。利用氮氣對試驗爐進行快速“冷凍”，并對“冷凍”后的試驗高爐進行解剖分析，進一步解讀富氫對爐內(nèi)爐料結(jié)構(gòu)和性狀變化的作用規(guī)律，為構(gòu)建完整的富氫低碳冶金技術(shù)理論和工藝奠定基礎。

(2)氫基非高爐冶煉技術(shù)開發(fā)

中晉太行礦業(yè)有限公司2017年8月開工建設我國首套以重整焦爐煤氣為氣源的30萬噸級富氫豎爐直接還原鐵工業(yè)化試驗裝置，并于2019年10月調(diào)試投產(chǎn)。鋼鐵研究總院承擔的“十三五”重點研發(fā)計劃項目，開展氫基豎爐和電爐熔分短流程煉鋼工藝技術(shù)研究。2022年初寶武集團在湛江百萬噸級、河鋼集團在張家口2座55.5萬噸級的氫基豎爐直接還原鐵項目開工建設。2021年4月建龍集團內(nèi)蒙古賽思普公司與北京科技大學等合作完成30萬噸級氫基熔融還原的建設，并成功出鐵。2021年7月鞍鋼集團聯(lián)合中國科學院大連化學物理研究所(中科院大化所)、中國科學院過程工程研究所(中科院過程所)及上海大學在鲅魚圈布局研發(fā)光伏/風電(綠電)-電解水制氫(綠氫)-全氫流化床直接還原技術(shù)。

4 發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵問題

綠色經(jīng)濟化制氫和安全規(guī)?；脷涫前l(fā)展氫冶金的關(guān)鍵。以氫代碳、氫冶金是清潔氫能在工業(yè)領(lǐng)域的重要應用場景。厘清氫能制備和氫冶煉技術(shù)的發(fā)展瓶頸與節(jié)奏，確定氫能和鋼鐵冶煉產(chǎn)業(yè)合作共贏的可行性時間和技術(shù)路線圖，實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展，為落實氫冶金對實現(xiàn)“雙碳”目標的重要支撐作用奠定基礎。

4.1 綠色經(jīng)濟化制氫

以氫代碳的富氫或全氫冶金，無論發(fā)展高爐還是非高爐路線，大規(guī)模經(jīng)濟化的氫源是基礎。中國“富煤缺油少氣”的能源稟賦，缺少充足天然氣和經(jīng)濟規(guī)模的氫源，長期以來一直是發(fā)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(zhuǎn)型過程中卡脖子的問題。

2022年3月，國家發(fā)展改革委員會和國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)確定氫能清潔低碳發(fā)展原則，并提出發(fā)展目標。到2025年，可再生能源制氫量達到10萬～20萬t/a，成為新增氫能消費的重要組成部分，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系?！兑?guī)劃》要求結(jié)合資源稟賦特點和產(chǎn)業(yè)布局，因地制宜選擇制氫技術(shù)路線，著力構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴格控制化石能源制氫。這為氫冶金的氫源供給提供新的發(fā)展機遇。

2019年《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預測不同制氫方法產(chǎn)氫量的發(fā)展趨勢(圖11)[19]。目前，氫氣主要來源于化石燃料制氫(67%)和工業(yè)副產(chǎn)氫(30%)，電解水制氫僅占3%；到2030年，化石燃料制氫與工業(yè)副產(chǎn)氫占比分別降到60%和20%，電解水制氫占比增加到20%；到2050年，基于各種可再生能源產(chǎn)生的綠電電解水制氫占70%。不同的制氫方法和技術(shù)各具優(yōu)劣(表4)。氫可廣泛用水、化石燃料等含氫物質(zhì)制取，但全程無碳的技術(shù)路線有限?；覛溆梢越範t煤氣、氯堿尾氣為代表的工業(yè)副產(chǎn)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(chǎn)品捕獲、利用和封存(CCUS)，可實現(xiàn)低碳排放生產(chǎn)；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(fā)電進行電解水制氫，生產(chǎn)綠氫的過程完全沒有碳排放。綠氫是氫能利用的理想形態(tài)，但受到目前技術(shù)及制造成本的限制，實現(xiàn)大規(guī)模應用還需要時間。

表4 制氫方法及各制氫技術(shù)的優(yōu)劣勢

圖11 中國氫能制備與供給的發(fā)展趨勢

近中期可以充分利用各類工業(yè)產(chǎn)氫，就近消納，降低工業(yè)副產(chǎn)氫供給成本。目前我國氫氣產(chǎn)量約為3 300萬t/a，主要以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦爐煤氣、煉廠干氣及電烯干氣等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%。把副產(chǎn)氫應用于氫冶金，逐漸改變傳統(tǒng)的煤氣燃燒加熱、發(fā)電等優(yōu)質(zhì)能源的價值錯配利用模式。隨著可再生能源制氫示范規(guī)模的逐步擴大，季節(jié)性儲能和電網(wǎng)調(diào)峰的發(fā)展，清潔低碳的氫能供給將會逐漸釋放巨大潛力。雖然我國可再生能源制氫體量不大，但發(fā)展態(tài)勢很積極，可再生能源裝機量全球第一。鋼鐵企業(yè)可利用廠房屋頂建設分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，鐵礦企業(yè)可充分利用尾礦庫建設風光一體發(fā)電站。開展可再生能源制氫項目，有效推進鋼鐵企業(yè)能源結(jié)構(gòu)逐步調(diào)整。遠期的光伏、風能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。

4.2 安全規(guī)模化用氫

安全規(guī)?；脷湫枰鉀Q兩方面的問題：

(1)冶金領(lǐng)域供氫模式與軟硬件設施

氫是用能終端實現(xiàn)綠色低碳化的重要載體。氫能的經(jīng)濟布局正在制備、儲存、運輸、分配和使用各方面展開，整個產(chǎn)業(yè)鏈要求各個領(lǐng)域都有其支撐。由傳統(tǒng)的碳基能源轉(zhuǎn)換為清潔氫能源，鋼鐵企業(yè)環(huán)境下氫的儲存、運輸和向冶金反應器噴吹利用模式，對應的安全、溫度、壓力、流量等過程控制硬件和軟件設施、設計和建設標準規(guī)范等是基礎。

化工和交通領(lǐng)域用氫發(fā)展最快，基礎設施、安全規(guī)范標準較完善。中國《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》(圖12)，規(guī)劃了2016—2020年集中攻克大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)和氫的儲存運輸，2020—2025年制氫技術(shù)進行試驗示范，以及解決氫儲存運輸?shù)膯栴}后試驗示范，爭取在2030前實現(xiàn)制氫技術(shù)和氫氣儲存運輸?shù)膽猛茝V[20]。冶金領(lǐng)域的供氫模式和儲運設施可借鑒交通領(lǐng)域的供氫儲氫設備，也可以按三階段布局和發(fā)展：集中攻關(guān)、試驗示范和應用推廣。我國近些年出臺的《中國制造2025》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》和《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》等文件，均明確提及要重點研發(fā)氫能以及相關(guān)應用技術(shù)的基礎、示范和標準的建設和完善。

圖12 中國《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016–2030年)》

(2)以氫代碳的冶煉反應調(diào)控

高爐富氫低碳冶煉

高爐富氫噴吹方面的相關(guān)研究分3類：①直接利用現(xiàn)有設備從風口噴入高爐(類似噴煤)，對高爐黑箱冶煉過程進行經(jīng)驗性嘗試，考察用氫對焦比、產(chǎn)量等指標的宏觀影響；②實驗室里針對高爐內(nèi)不同部位的局部模擬實驗，如高爐上部的氣固間接還原、滴落帶等；③數(shù)值理論計算模擬。

富氫的焦爐煤氣(典型成分為56%～60%H2、23%～27%CH4、5%～8%CO、1.5%～3%CO2、2%～4%CmHn和0.3%～0.8%N2)用于高爐噴吹增加冶煉過程用氫量的研究最為廣泛。通過理論和建立數(shù)學模型，分析高爐噴吹焦爐煤氣對風口區(qū)理論燃燒溫度、爐腹煤氣量、煤氣組成、回旋區(qū)形狀、爐缸區(qū)總熱量、還原、降焦、極限噴吹量、焦炭置換比等的影響，預測爐內(nèi)現(xiàn)象的變化規(guī)律[21-24]。儲滿生等[25]還利用分析模型定量描述了高爐冶煉過程能量轉(zhuǎn)換和利用效率。這些理論分析表明高爐噴吹富氫焦爐煤氣可降低焦比、增加產(chǎn)量及減少碳排放量，這與氫參與冶煉反應導致風口理論燃燒溫度、煤氣量、還原氣氛、直接/間接還原、軟熔帶等高爐內(nèi)部物化過程變化密切相關(guān)。同時研究人員也發(fā)現(xiàn)噴吹焦爐煤氣導致爐內(nèi)溫度降低、熱量不均衡和還原氣利用率低等問題，并從理論上提出鼓風富氧、爐料熱裝、循環(huán)噴吹爐頂煤氣等可能的措施。

在理論分析基礎上，對高爐塊狀帶、軟熔滴落帶的局部實驗模擬研究也表明高爐噴吹富氫煤氣對爐料的低溫還原粉化、間接/直接還原、軟熔滴落、成渣過程和焦炭性能等均有明顯影響[26-29]。呂慶課題組[30-32]對高爐噴吹富氫煤造氣進行了系統(tǒng)研究。高爐噴吹富氫煤氣一定程度上對改善透氣性、強化高爐冶煉、降低能耗有利，但同時增加氫用量又會加速焦炭氣化，降低焦炭氣孔率和強度，惡化透氣性[33]。這些針對高爐內(nèi)局部的實驗模擬研究進一步驗證了理論分析，加深對高爐噴吹富氫氣體的認識。

高爐噴吹焦爐煤氣的實踐國外較多，中國冶金企業(yè)焦爐煤氣主要用于燃燒加熱和變壓吸附提氫保護氣，沒有余量用于高爐噴吹，只有少量簡單試驗。20世紀80年代，蘇聯(lián)馬凱耶沃、法國索爾梅鋼廠開始高爐噴吹焦爐煤氣的試驗；后來美國MON VALLEY鋼鐵公司和奧鋼聯(lián)林茨廠也嘗試過高爐噴吹焦爐煤氣[34]。我國本鋼、鞍鋼、濟鋼、鞍鋼鲅魚圈廠區(qū)等也用焦爐煤氣進行高爐噴吹試驗[35-36]。這些實踐表明，噴吹富氫焦爐煤氣有利于降低焦比，爐況向好，提高產(chǎn)量，改善生鐵質(zhì)量。然而，2010年承鋼高爐噴吹焦爐煤氣的3次工業(yè)試驗效果都不理想，燃料比不降反升，鐵損也大幅升高[37]，其中的原因未見公開報道。高爐噴吹天然氣主要集中在天然氣豐富的國家，如蘇聯(lián)彼得洛夫斯基廠、北美的高爐、日本JFE京濱2號高爐、巴西等，噴吹天然氣有利于加速爐料還原，降低焦比，增產(chǎn)和減少CO2排放[38]。上述研究主要從資源綜合利用角度出發(fā)，嘗試開展高爐噴吹含氫氣體的實踐。

綜上可知，國外對含氫焦爐煤氣和天然氣參與高爐煉鐵進行了一些生產(chǎn)實踐和基礎研究，公開報道也多是一些整體工藝結(jié)果，涉及關(guān)鍵技術(shù)理論的極少。國內(nèi)相關(guān)研究大多處于數(shù)值理論分析和爐內(nèi)局部實驗模擬的探索階段，缺乏高爐實踐驗證。高爐噴吹試驗嘗試結(jié)果有好有壞，其中的原因未知。這些研究得到幾種富氫氣體參與高爐冶煉過程的一些特點，但在采用傳統(tǒng)煉鐵操作，如精料、高風溫、富氧噴煤等，來降低碳消耗與碳排放達到極限的情況下，進一步從用氫代替碳實現(xiàn)CO2最大量減排的角度，氫對高爐內(nèi)從上到下(喉、身、腰、腹、缸)連續(xù)冶煉過程整體影響規(guī)律是什么？保證高爐順行的最大用氫量是多少？如何對富氫低碳冶煉過程進行調(diào)控？這些關(guān)鍵問題還遠沒有形成系統(tǒng)完整的認識。

與CO相比，氫氣還原鐵氧化物反應更快，換熱傳熱效果好，擴散速率快，在還原動力學方面更具有優(yōu)勢，改善了鐵礦石還原性能。但氫還原也存在一些問題[21,39]：①氫還原反應是吸熱反應，需要額外補充熱量，爐子容易向涼或 “上冷下熱”，影響還原速率，嚴重時發(fā)生懸料；②上部低溫區(qū)鐵礦石還原粉化增大；③礦焦體積比升高，熔損反應變化，惡化透氣性；④吹入模式包括風口吹入和爐身下部吹入，存在氣流分布的問題；⑤氫氣一次利用率低。

為了保證爐內(nèi)良好的熱狀態(tài)，需要進行熱補償，氫氣噴入反應爐之前預熱到較高溫度是補熱的一個有效途徑。氫氣是易燃易爆的危險氣體，富氫氣體或純氫加熱比空氣加熱困難很多。在高溫高壓下，氫氣容易與金屬發(fā)生反應產(chǎn)生氫腐蝕等問題。因此，保障富氫氣體或純氫加熱技術(shù)安全穩(wěn)定運行是研究開發(fā)氫冶金技術(shù)的難點，包括富氫氣體或純氫加熱裝備、相關(guān)耐火材料、富氫氣體或純氫的高溫帶壓輸送等。

氫基非高爐工藝

氫基非高爐煉鐵工藝主要包括氫基直接還原(豎爐、流化床)和氫基熔融還原，以氫基豎爐直接還原為主，發(fā)展也更完善。

當前沒有純氫基直接還原鐵系統(tǒng)運行，但富氫基(CO+H2，H2含量55%～80%)直接還原鐵的技術(shù)比較成熟。典型的工藝包括以豎爐為還原反應器的Midrex技術(shù)和HYL技術(shù)、以流化床為還原反應器的FIOR(fine iron ore reduction)技術(shù)和FINMET技術(shù)。這些技術(shù)源于擁有豐富天然氣的南美地區(qū)，已有幾十年穩(wěn)定生產(chǎn)實踐。Midrex和HYL技術(shù)的單套系統(tǒng)產(chǎn)能每年達250萬t DRI。FIOR技術(shù)開發(fā)于20世紀60年代，1976年在委內(nèi)瑞拉建成40萬t/a的工業(yè)生產(chǎn)裝置且穩(wěn)定運行了幾十年，后與奧鋼聯(lián)合開發(fā)每年100萬t DRI的FINMET系統(tǒng)，2001年投入運行。另外，F(xiàn)INEX熔融還原技術(shù)也以CO+H2混合氣為還原劑，采用多級流化床還原鐵礦粉，產(chǎn)能達200萬t/a。

從富氫轉(zhuǎn)變?yōu)榧儦錃饣苯舆€原，最大的工程實踐難點在于反應系統(tǒng)供熱與還原的匹配。富氫混合氣中CO還原鐵為放熱反應，富氫基直接還原供熱需求低于純H2還原，尤其對于大型反應器的供熱問題更為突出。CO還原FeO為Fe的反應為放熱，隨著溫度升高需要CO濃度升高，熱力學還原難度增加；爐頂壓力0.4 MPa條件下，每噸直接還原鐵需要消耗2 600 m3溫度為900 ℃的氫氣，才能滿足豎爐還原的熱量需求，而純氫流化床每噸直接還原鐵所需的入爐氫氣量則高達4 000 m3。氫氣還原速度與氫氣還原量并非線性正相關(guān)，氫氣還原能力受到反應器內(nèi)部溫度場的制約，增加氫含量會加快還原進程并達到還原速率的最大值，最大氫含量是該條件下的最佳比例。氫含量進一步增加，氫還原鐵礦石吸熱效應將使鐵礦石床層溫度降低，吸熱效應逐漸占主導，還原速度會持續(xù)地明顯受阻。這是還原動力學的特點。這時，要提高還原反應速率，必須增加入爐高溫氫氣的流量，或者用其他物理方法向床層補充熱量保持高溫，才能達到氫氣快速還原的效果。

美國鋼鐵協(xié)會1980年出版的《直接還原鐵生產(chǎn)和應用的技術(shù)與經(jīng)濟》中的能量平衡表明，純氫氣豎爐和流化床直接還原流程能耗非常高(表5)，包括制氫噸鐵能耗高達7.08～11.55 Gcal，比現(xiàn)代豎爐高3～4倍。100%氫氣直接還原煉鐵可能在經(jīng)濟上不可行。由于純氫氣還原鐵礦過程大量吸熱，使豎爐散料層內(nèi)的溫度場急劇變涼，后續(xù)氫氣還原氧化鐵的反應變慢。如要維持預定生產(chǎn)率，必須增加作為載熱體的入爐氫氣量。例如，爐頂壓力0.4 MPa，900 ℃入爐氫氣量至少要達到2 600 m3/t(DRI)以上，才能滿足豎爐還原熱量需求，純氫流化床入爐氫氣量高達4 000 m3/t(DRI)。與目前生產(chǎn)的豎爐相比，如果氫氣供應量不變，純氫氣豎爐的DRI產(chǎn)量將減少1/3，豎爐生產(chǎn)率降低1/3，造成豎爐還原鐵產(chǎn)品的成本大幅度提高，使企業(yè)虧損。其他問題包括氫源經(jīng)濟性、還原產(chǎn)物高活性、安全儲運和政策等。

表5 純氫基直接還原工藝的能量平衡 Gcal

氫基豎爐-電爐熔分短流程中，豎爐對球團礦的品位要求非常高(65%以上)，對鋼鐵爐料構(gòu)成比較大的挑戰(zhàn)。低品位爐料通過氫基豎爐直接還原后，再進電爐進行渣鐵熔分，渣量會非常大，傳統(tǒng)的電爐難以承受。是否可以通過特殊的電爐進行渣鐵分離，形成鐵水與轉(zhuǎn)爐進行連接，走傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐、連鑄、軋鋼的流程值得探討。

4.3 頂層規(guī)劃設計(市場化的難點和對策)

對于高耗能、高碳排放的鋼鐵企業(yè)來說，實現(xiàn)過程低碳化需要投入大量資金用于采用清潔能源、改進生產(chǎn)工藝、更換升級生產(chǎn)設備等，每一項都會增加企業(yè)的成本。這是低碳技術(shù)推廣應用存在的主要市場風險和障礙。除具體的低碳技術(shù)基礎外，鋼鐵工業(yè)要實現(xiàn)低碳高質(zhì)量發(fā)展，還需要有多方面的外圍支撐：金融的支持，打造碳金融體系，促使更多金融資本參與；財稅政策優(yōu)惠；建設碳交易市場體系，以碳稅促進發(fā)展；國際合作，包括碳邊境調(diào)節(jié)稅、低碳技術(shù)合作、國際產(chǎn)能合作和低碳標準銜接等。能源消耗高密集型的鋼鐵行業(yè)是制造業(yè)31個門類中碳排放大戶，是碳交易市場的主要目標和核心參與者，需要納入監(jiān)控與交易體系。利用碳交易機制促使具有減排潛力和效率的高耗能鋼鐵企業(yè)加快采納低碳技術(shù)，提高低碳技術(shù)市場化程度，促進低碳技術(shù)的推廣應用。

“碳排放交易”將成為推動低碳技術(shù)發(fā)展的有力杠桿。2017年12月全國碳排放交易體系正式啟動，初期為30～40 元/t，2020年74 元/t，計劃2025年為108 元/t。2021年7月15日，寶武鋼鐵集團聯(lián)合多個投資公司設立國內(nèi)最大的碳中和主體基金，總規(guī)模500億，首期100億。2021年7月16日上午9點30分，全國碳排放權(quán)交易在上海環(huán)境能源交易所正式啟動，首筆全國碳交易：52.78 元/t，總成交16萬t，交易額790萬元。2021年啟動碳交易市場100日，成交額累計達35億元。鋼鐵行業(yè)作為CO2排放大戶，是碳交易市場的主要目標和核心參與者，政策性減排將“倒逼”鋼鐵企業(yè)發(fā)展低碳冶煉技術(shù)。

氫氣成本是制約氫冶金在鋼鐵冶煉生產(chǎn)中應用的關(guān)鍵因素，氫冶金經(jīng)濟性影響因素主要由被代替的碳成本、減少的碳排放稅、冶煉過程效率提高和氫氣成本構(gòu)成。氫冶金經(jīng)濟性臨界點是一個關(guān)鍵點，當氫冶金經(jīng)濟性臨界點為零，即氫氣成本與被代替的碳的成本、減少的碳排放稅、冶煉過程效率提高持平或氫氣成本更低時，氫冶金煉鐵煉鋼與傳統(tǒng)碳冶金具有競爭力，氫冶金才可能大規(guī)模推廣應用。這里說的氫氣成本包括制備、儲輸運等環(huán)節(jié)。降低氫制備成本的同時，氫的大規(guī)模安全輸送和儲存技術(shù)、基礎設施的布局和建設等環(huán)節(jié)的成本也是影響用氫經(jīng)濟性的重要組成部分。

5 結(jié)論

在應對氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，氫能是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。我國鋼鐵行業(yè)碳排放占全國碳排放總量15%，是推動碳減排的重要領(lǐng)域。以氫代碳的氫冶金技術(shù)是鋼鐵產(chǎn)業(yè)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和工藝流程、實現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。以上梳理和追溯了氫冶金的發(fā)展歷程和存在的問題。

(1)在傳統(tǒng)碳冶金基礎上，從以減少對焦炭和焦煤資源的依賴為初衷，發(fā)展到以降低碳排放、實現(xiàn)冶金過程凈零碳排放為目標，鋼鐵生產(chǎn)逐漸形成了基于高爐煉鐵開展高爐噴吹富氫(或純氫)技術(shù)路線和基于現(xiàn)有氣基還原工藝的富氫(或純氫)還原技術(shù)兩條氫冶金發(fā)展主線。

(2)中國“富煤缺油少氣”的能源稟賦，沒有天然氣和經(jīng)濟規(guī)模的氫源，長期以來一直是限制發(fā)展氫冶金技術(shù)的瓶頸，也是目前低碳化轉(zhuǎn)型過程中卡脖子問題。國外較為成熟的富氫冶金技術(shù)在我國沒有得到推廣，我國的氫冶金尚處于探索階段。發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵問題是綠色經(jīng)濟化制氫和安全規(guī)?；脷?。

(3)2021年科技部的雙碳技術(shù)路線圖對我國氫冶金的發(fā)展定位和目標形成了初步的規(guī)劃和頂層設計。2022年國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》確定氫能清潔低碳發(fā)展原則和發(fā)展目標，建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系。這為氫冶金的氫源供給提供了新發(fā)展機遇。

(4)以氫代碳，由于CO還原鐵為放熱反應，氫還原為吸熱反應，反應系統(tǒng)供熱與還原的匹配問題是高爐富氫和純氫基直接還原工程實踐中需要解決的難點。以“富氫還原”耦合“爐頂煤氣循環(huán)”為技術(shù)特征的高爐富氫低碳冶煉亟待解決的關(guān)鍵問題包括：富氫下高爐內(nèi)鐵氧化物氫、碳還原競爭機制和適宜富氫量，原/燃料冶金性能的優(yōu)化，軟熔帶調(diào)控及極限焦比等。氫基直接還原裝備的國產(chǎn)化、大型化也是需要有序推進、解決的問題。