“双碳”政策下，氢能需求量有望从2030年的5%提升至2060年的20%。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》指出在2030年碳达峰情景下，我国氢气的年需求量将达到3715万吨，在终端能源消费中占比约为5%；在2060年碳中和情景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%。2050年我国氢能年经济产值将超过10万亿元，可减排约7亿吨二氧化碳，累计拉动33万亿元经济产值，且预计2050年平均制氢成本不高于10元/公斤。

    根据国际能源署（IEA）的预测，通过在制造过程中利用氢气或是CCUS（捕集、封存并利用CO2），制造过程中CO2净零排放的“绿色钢材”市场需求到2050年约为5亿吨，并且预计2070年所生产的大部分钢铁都将换成绿色钢材。在这种情况下，即使是高品位钢，如果不是绿色钢材的话，也无法进入市场，这可能会导致失去商机。

    彭博新能源财经在一份最新的研究报告中指出，到2050年，通过2,780亿美元的额外投资，钢铁行业或能实现接近零碳排放。氢能和回收利用有望在钢铁行业减排中发挥核心作用。

    到2050年，绿氢可能成为最具经济性的炼钢流程，占据31%的市场份额。废钢炼钢有望贡献45%的产量，而剩余市场由加装碳捕集系统的传统煤基钢厂和使用电力的熔融氧化电解铁矿石的创新工艺瓜分。

    我国当前的氢冶金工艺主要有高炉富氢冶炼和直接还原两种：高炉富氢减碳幅度为10%-20%，效果有限；气基竖炉工艺能够从源头控制碳排放，相较于高炉富氢还原减碳幅度可达50%以上，是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径。

    高炉富氢还原，即通过喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体参与炼铁过程。相关实验表明，高炉富氢还原炼铁在一定程度上能够通过加快炉料还原，减少碳排放，但由于该工艺是基于传统的高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，氢气喷吹量存在极限值，一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度可达10%-20%，效果不够显著。

    气基直接还原竖炉即通过使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。氢气作为还原剂的加入使碳排放得到了有效控制。相较于富氢还原高炉，吨二氧化碳排放量可减少50%以上。

 

    制氢工艺的选择

    煤制氢

    国内应用最广，制氢成本 8.7-12.5 元/kg

    煤制氢依旧为目前成本较为低廉的制氢方式，且原料来源广泛。但弊端在于，煤制氢原 料不可再生，且碳排放水平较高，废水和固废产生量也较大。

        1、煤制氢流程：煤制氢技术包括煤的焦化制氢和煤的气化制氢。煤的焦化是以制取焦 炭为主，焦炉煤气是副产品，其主要成分为氢气（59.3%）、甲烷（18.8%）、一氧化碳 （7.8%）、水（6.4%）等；煤气化制氢是指煤和水蒸气在一定温度下发生反应得到合成 气，再通过对合成气中的 CO 做转化处理，将合成气全部转化为氢气。目前，利用煤制 氢主要是通过煤的气化来制取氢气。

       2、煤制氢成本：根据中国工程院中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究重大项目 采用的某煤气化项目的工艺数据，该项目制氢量约 23.4 吨/天，消耗原煤 179 吨，在煤 价 700 元/吨、电价 0.75 元/kwh 的情况下，测算总制氢成本约 23.9 万元/日，其中原料 煤成本占比 52.5%、外购电成本占比 7.8%；对应单位制氢成本为 10.19 元/kg 或 0.92 元/Nm³，每千克氢气消耗原料煤约 7.64kg。

      3、考虑碳捕集封存利用成本：煤制氢所需原料主要为煤炭，煤气经过净化、CO 变换、 酸性气体脱除后会产生副产物二氧化碳，煤气化制氢中产生的温室气体排放量约 19.94-29.01 kgCO2e/kgH2。随着“3060”目标的公布和实施，我国对碳排放控制愈加严格，因此煤制氢需要搭配一 定的碳捕集封存利用（CCUS）技术方能实现达标排放。宝钢（湛江）工厂启动的 CCUS 项目综合固定成本和运行成本总减排成本为 65 美元/吨二氧化碳（按照汇率 6.3924 计 算，对应人民币成本为 415.5 元/吨），该成本具备一定的行业参考意义，我们采用该数 据对考虑 CCUS 后的煤气化制氢成本进行测算，假设单位温室气体排放量为 25.23 kgCO2e/kgH2，则对应每千克氢气的 CCUS 成本为 10.48 元，煤气化制氢总成本提高至 20.67 元/kg 或 1.86 元/Nm³。

    生产出来的氢气分为3类，分别为灰氢、蓝氢、绿氢。灰氢，是通过化石燃料（例如石油、天然气、煤炭等）燃烧产生的氢气，在生产过程中会有二氧化碳等排放。蓝氢，是将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成。绿氢，是通过使用再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，在生产绿氢的过程中，完全没有碳排放。

    天然气制氢

    全球应用最广，制氢成本 17-33 元/kg。

    天然气制氢为全球应用最为广泛的制氢方式，天然气的主要成分甲烷在各类化合物中氢 原子质量占比最大，储氢量为 25%，天然气为原料的制氢技术耗水量少、二氧化碳排放 量较低、氢气产生率高，对环境影响较小。但与煤制氢类似，天然气不可再生，且碳排 放不可避免。

        1、天然气制氢流程：天然气制氢技术的主体依托于各类甲烷转化制氢反应，包括甲烷 水蒸气重整技术和甲烷裂解技术。其中，甲烷水蒸气重整技术与煤重整制氢类似，即将 甲烷和水蒸气在一定温度下反应得到合成气，再将合成气中的 CO 成分与水反应转化， 得到高纯度氢气；甲烷裂解技术是指甲烷在高温环境中受热裂解成碳和氢气，再通过分 离提纯产物得到氢气。甲烷重整制氢为主流技术路线，其主要流程为：天然气经过增压、 预热和脱硫预处理后，与水蒸气高温重整制成合成气，合成气中的 CO 和水反应，经过 变换得到氢气和二氧化碳，在经过变压吸附提纯后即可得到氢气。

        2、制氢成本测算：根据《天然气制氢工艺介绍及成本分析》披露案例，在天然气价格 3.0 元/m³的情况下，天然气制氢成本中原料占比约 71.8%，为最大的成本支出项，电费 占比约 13.1%，单位制氢成本约 22.31 元/kg 或 2.01 元/m³；当天然气价格降低至 2.0 元/m³时，制氢成本下降至 17.0 元/kg。每千克氢气消耗原料天然气约 5.34kg。

        3、考虑碳捕集封存利用成本：与煤制氢类似，天然气制氢同样伴随着较多的碳排放， 在装置容量为 1000-100000Nm³/h 时，温室气体排放量为 10.86-12.49kgCO2e/kgH2。若 CCUS 成本为 415.5 元/tCO2e，生产每千克氢气的 CCUS 成本为 5.19 元以内。上述 同等情况下，天然气制氢成本增长至 27.5 元/kg 或 2.47 元/Nm³。在天然气价格位于 2.0-5.0 元/立方米区间时，考虑 CCUS 成本后的制氢成本提升 16%-31%。受我国天然气资源禀赋影响，未来天然气制氢同样不具备大规模推广的条件。

    工业副产制氢

    来源广泛，制氢成本 9.23-22.25 元/kg。

    工业副产氢制氢指利用含氢工业尾气为原料制氢的生产方式。工业含氢尾气主要包括焦 炉煤气、氯碱副产气、炼厂干气、合成甲醇及合成氨弛放气等，一般用于回炉助燃或化 工生产等用途，利用效率低，有较高比例的富余。工业副产制氢的成本低廉，来源广泛，且不会产生额外的碳排放。但工业副产氢气多数 回用于工业生产，且受技术限制，氢气纯度较低。

    目前主要工业副产制氢包括焦炉煤气制氢、合成 氨与合成甲醇制氢、氯碱工业副产氢、乙烷裂解副产氢、丙烷脱氢副产氢，综合制氢成 本约 9.23-22.25 元/kg。工业副产制氢具备来源广、成本低的优势，中短期内有望成为 氢气的主要来源，但氢气产生量受制于主产物的产能，氢产能存在上限。

    水电解制氢

    与清洁能源发电契合，未来制氢主流路线

    水电解制氢具备巨大的发展潜力。水资源丰富，制氢原料和燃烧产物均为水，清洁无污 染；且水电解制氢纯度较高，并具备储能属性。

    制氢成本测算：水电解制氢的主要成本来自电费支出，商业用电成本较高，且多为火电 企业发电，需要考虑间接碳排放成本；当前光伏、风电等可再生能源发电规模快速提升， 且随着技术进步，发电成本具备进一步下降空间。假设该项目规模为 2 台 1000Nm³/h， 年生产时间为 3500 小时，若按照商业用电电价 0.75 元/kwh 测算，水电解制氢的成本 为 48.37 元/kg 或 4.35 元/Nm³；当电价为 0.10-0.30 元/kg 时，水电解制氢的成本约 11.5-22.8 元/kg，与其他制氢成本相比已具备较强的竞争力。

    从温室气体排放角度来看，以水电、风电、光伏等可再生清洁能源为能源的水电解项目 碳 排 放 量 微 乎 其 微 ， 而 火 电 水 电 解 制 氢 的 温 室 气 体 排 放 量 可 达 44.80-45.64 kgCO2e/kgH2，碳排放成本较高。因此，未来可再生能源水电解制氢为主流发展方向。

    水电解制氢技术工艺路线包括碱性电解制氢（AWE）、质子交换膜电解制氢（PEM）、固 体氧化物电解制氢（SOE），其中在我国 AWE 已实现充分产业化，PEM 初步商业化， 而 SOE 尚处于初期示范阶段。AWE 工艺需要使用碱性电解液，电解槽造价低，但产气 中含碱液、水蒸气等，需经辅助设备除去，运维复杂，启停时间较慢；而 PEM 工艺以 质子交换膜为隔膜，但需要使用贵金属催化剂，目前投资造价也较 AWE 高很多，但其 启停速度更快，能较好地适应可再生能源发电波动性较大的特点，目前许多新建项目开 始转向选择 PEM 电解槽技术。

 

    我国氢气来源目前仍以煤制氢为主，占比高达 63.5%，工业副产制氢为 21.2%，天然气制氢为 13.8%，水电解制氢占比仅为 1.5%；从全球来看，天然气制氢比 例远高于煤制氢比例，而电解水制氢占比同样较少，与其成本较高有关。

    短期内煤制氢仍为我国氢气的主要来源，但随着双碳目标临近，结合 CCUS 后的煤制氢成本将大幅上升，产品竞争力下降；而我国天 然气资源禀赋欠佳，同样不具备大规模推广的条件；中期来看，成本较低的工业副产制 氢有望成为供氢主要工艺，但存在纯度较低、受主产物产能约束问题；长期来看，随着 可再生能源电价下降，清洁、高效的绿氢将为制氢主流工艺。

    氢冶金工艺

    氢冶金即用氢气取代碳作为还原剂和能量源炼铁，还原产物为水，可实现零碳排放（基本反应式为Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，还原剂为氢气，产物为铁和水）。

    氢冶金的原理

    钢铁行业主要降碳工艺对比

    瑞典钢铁HYBRIT工艺

         HYBRIT工艺是基于使用无化石能源和氢气(H2)直接还原铁矿石。氢气是利用无化石电力电解水而产生的。氢与铁矿石中的氧发生反应，形成金属铁和水蒸气。

         HYBRIT工艺的特别之处在于，所有氢气均是通过利用电解方式将电流通过水中而获得。虽然此工艺属于能源密集型，但是如果所需电力可以再生，那么整个工艺的碳排放可以忽略不计。

    高炉工艺和HYBRIT工艺生产铁水和海绵铁的流程对比

    奥钢联H2FUTURE项目

    日本COURSE50项目

    研究内容：一是以氢直接还原铁矿石的高炉减排二氧化碳技术，主要包括氢还原铁矿石的技术，增加氢含量的焦炉煤气改质技术，以及高强度高反应性焦炭的生产技术，目标是实现10%的二氧化碳减排。二是高炉煤气中二氧化碳的分离、回收技术，包括二氧化碳在高炉煤气中的分离和捕集技术，利用钢厂废热能源对二氧化碳进行分离和捕集，目标是减排20%的二氧化碳。

    萨尔茨吉特SALCOS项目

    萨尔茨吉特先期策划实施了萨尔茨吉特风电制氢项目(Wind H2)，项目思路是采用风力发电，电解水制氢和氧，再将氢气输送给冷轧工序作为还原性气体，将氧气输送给高炉使用。2016年4 月正式启动了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，绿色工业制氢）项目，采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，并将多余的氢气储存起来。

    中国宝武的核能-制氢-冶金耦合技术

    以世界领先的第四代高温气冷堆核电技术为基础，开展超高温气冷堆核能制氢技术的研发，并与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合，依托中国宝武产业发展需求，实现钢铁行业的二氧化碳超低排放和绿色制造。其中核能制氢是将核反应堆与采用先进制氢工艺的制氢厂耦合，进行

规模H2生产。经初步计算，一台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的需求，每年可减排约300万吨二氧化碳，减少能源消费约100万吨标准煤，将有效缓解我国钢铁生产的碳减排压力。

    中国宝武低碳冶金技术路线图

    中国宝武主要技术方向有：以富氢碳循环高炉工艺为核心的低碳高炉技术；以氢还原代替碳还原的氢冶金工艺（氢基竖炉直接还原）；冶金尾气CO₂捕集和资源化利用技术等。

    山西中晋科技集团氢基直接还原铁项目

    氢基直接还原铁项目（CSDRI）工艺突破了焦炉煤气改质的关键技术，包括气体转化和净化技术，特别是低压深度脱硫净化技术。

         CSDRI工艺流程图

         2021年6月，中晋冶金科技有限公司旗下的中晋太行矿业有限公司，在山西左权县龙泉乡循环经济工业示范园区，建设的1套气基竖炉直接还原铁工业化试验装置点火投产，并生产出合格海绵铁。

    中国钢研氢冶金中心高炉喷氢冶金新工艺工程

          2021年，氢冶金中心完成了晋南钢铁2座1860m3高炉风口喷吹副产氢气的研发、设计和工业化应用。本项目是氢冶金中心自主研发并推广的高炉喷氢技术的工程落地，也是首次实现在大型高炉连续安全喷氢的工程实践。经过半年多的高炉喷氢运行表明，晋南钢铁2座1860m3高炉实现了吨铁平均氢气喷吹量为63Nm3，高炉燃料比平均降低36kg/t（其中焦炭降低6.5kg，煤粉降低29.5kg），焦炉煤气与高炉固体燃料的平均置换比为0.57kg/Nm3，取得了较好的经济、社会、环境和降碳效果，对我国钢铁企业高炉低碳绿色冶炼具有引领示范作用。

    河钢集团富氢利用项目

    该项目开发的氢还原新工艺，依靠自主和集成创新，采用产学研相结合的模式，核心技术为Tenova公司的Energiron-ZR（零重整）技术，可替代传统高炉碳冶金工艺，预计年可减碳幅度达60%。

    酒钢成立氢冶金研究院，探索“煤基氢冶金理论”

    酒钢煤基氢冶金中试基地以高炉瓦斯灰为原料进行了多次试验。项目团队分别以酒钢自产冶金焦丁和褐煤为还原剂，进行了碳冶金和氢冶金的对比试验，两种工艺的金属化率分别为40%左右和85%以上，体现出氢冶金技术的优势。

    鞍钢集团

    鞍钢集团正在研究制定碳规划、碳达峰行动方案，将低碳冶金技术开发作为科技创新重点方向，积极布局氢能冶金相关技术研究。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。项目主要是风电+光伏（绿电）-电解水制氢（绿氢）-氢冶金工艺，配加钒电池储能调峰。光伏发电和电解水由大连化物所负责；氢冶金工艺由中科院过程所负责；上海大学配合作氢冶金技术开发。集聚各方优势，深化产学研合作，为行业提供可行的低碳冶金技术解决方案。

    包钢集团

         2021年，包钢集团发布碳达峰、碳中和发展宣言，部署碳汇合作、开展氢冶金等技术研究。2021年7月，包钢股份技术中心成立低碳氢冶金研究所，积极开展低碳氢冶金技术研究及工业化应用。2021年8月，包钢集团与亿利集团、西部天然气公司签署战略合作协议，共同探索低碳冶金、绿色能源应用的具体实践路径。以包钢集团氢冶金工艺路线为基础和应用场景，充分发挥亿利集团在制氢及西部天然气公司在管网输气方面的优势，形成光伏制氢、管道输氢和绿氢冶炼的产业共同体；同时，积极探索发展氢能重卡等终端应用产业和碳减排指标交易模式，合作打造区域企业携手实现碳达峰、碳中和目标的成功范例。

    建龙集团

        2021年4月，建龙集团内蒙古赛思普科技有限公司在内蒙古乌海市国家级低碳工业示范园，建设的氢基熔融还原法冶炼高纯铸造生铁项目顺利投产，一次性产出高纯铸造生铁156吨。项目于2009年8月开工建设，年产能30万吨，总投资10.9亿元。建龙乌海项目是建龙集团联合北京科技大学等科研院所开发出的富氢熔融还原赛思普（CISP）新工艺。截止目前已经申报专利79项，授权专利45项。CISP工艺将通过三代技术更迭，最终实现等离子氢熔融还原：第一阶段，实现煤+焦炉煤气熔融还原炼铁工艺；第二阶段，实现纯焦炉煤气熔融还原炼铁工艺；第三阶段，实现纯氢熔融还原炼铁工艺；第四阶段，实现等离子氢熔融还原炼铁工艺。

    氢冶金大规模应用的条件

    目前“氢冶金”技术主要障碍为氢能源的存储和成本经济性问题。待该瓶颈解决后，方可以大规模推广应用该技术。

 

来源： 冶金传媒