2024年中国氢冶金行业发展现状分析：短期仍以高炉富氢为主，国内氢冶金产能加速扩展[图]

内容概要：我国作为世界粗钢产量第一大国，全国粗钢产量占世界的一半以上。目前，国内钢铁生产工艺主要包括高炉-转炉长流程、废钢-电弧炉短流程和直接还原铁（DRI）-电弧炉流程。其中：高炉-转炉长流程的产钢量占比大于90%，吨钢碳排放量为1.8～2.5t，碳排放主要工序为高炉（吨钢碳排放量为1.5t，占70%～90%）；废钢-电弧炉短流程的产钢量占比小于10%，吨钢碳排放量为0.25～0.30t，碳排放主要工序为电弧炉（吨钢碳排放量为0.19t，约占75%）；非高炉炼铁-电弧炉工艺占比很少，直接还原铁（DRI）-电弧炉流程的吨钢碳排放量0.96t，碳排放主要工序为直接还原（吨碳排放量约为0.5t，占52%）。由此可以看出，目前我国钢铁行业氢冶金产能占比较低，产业氢冶金“碳减排”工程建设有待进一步推进。

关键词：氢冶金、富氢高炉、富氢竖炉、碳排放、钢铁工业

一、氢冶金行业概述

钢铁冶炼是指在高温下，用还原剂将铁矿石还原得到生铁，再将生铁按一定工艺熔炼以控制其含碳量（一般小于 2%），最终得到钢的生产过程。铁矿石有赤铁矿（Fe2O3）和磁铁矿（Fe3O4）等。

传统的高炉炼铁选用焦炭作为原料之一，通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳（CO），在高温下利用一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳气体（CO2），反应式为Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2。目前的炼钢企业大都采用该技术， 因此钢铁行业碳排放量大，污染严重。

而氢冶金概念是在碳冶金的基础上提出的，指利用氢（H2）还原各种氧化物或氯化物来制取金属或金属氢化变脆，再破碎脱氢来制取金属粉末的非高炉炼铁工艺冶炼方法。该工艺技术的基本反应式为Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O，其中，氢气充当了还原剂，化学反应生成物为水，二氧化碳排放量为零。

氢能是消除传统炼钢炼铁工艺碳排放的有效途径。氢能源既可以替代化石燃料应用于高炉炼铁、烧结、热风炉、石灰窑、轧钢加热炉等生产工序，又可以作为还原剂完成炼钢过程的还原反应。氢冶金技术利用氢作为还原剂代替碳还原，是减少长流程炼钢CO2排放，保证钢铁工业绿色可持续发展的重要途径之一。经过市场发展及技术探索，市面上出现的典型氢冶金工艺形式有氢基直接还原、高炉富氢循环、氢基熔融还原、混氢冶金到全氢冶金等。

面对钢铁行业日益严峻的碳减排形势，目前全世界主要钢铁生产国都在致力于探索“以氢代碳”的氢冶金技术，并在“以气代焦”的技术基础上，逐渐提高还原气中氢气的比例，推动富氢还原逐步向全氢还原工艺发展。当前主流的是氢冶金技术发展路线为高炉富氢冶炼、氢基直接还原、氢基熔融还原三种。

氢冶金产业链上游主要包括原料获取、制氢以及氢冶金设备制造。其中，原料获取主要是获取用于氢冶炼的原材料，如铁矿石、煤炭、焦炭等。这些原材料是钢铁生产的基础。制氢指通过电解水、天然气重整、生物质气化等方式生产氢气。在氢冶炼过程中，氢气作为还原剂，替代传统的焦炭等高污染还原剂，实现绿色冶炼。氢冶金设备包括炼铁炉、炼钢炉等生产设备，以及配套的环保设施设备，如废气处理设备、废水处理设备等。这些设备是实现氢冶炼技术的关键。

氢冶金产业链中游为拥有氢冶金工艺技术的钢铁企业。即钢企应用氢冶金技术，将上游生产的氢气与铁矿石等原料在高温下反应，生产出粗钢。氢冶炼技术具有低碳、环保、高效等优点，是未来钢铁产业的重要发展方向。

氢冶金产业链下游为绿色钢材加工及应用业。即钢材加工厂商将中游生产所得的绿色粗钢产品通过轧制、锻造、拉拨等方式进行加工，生产出各种规格的绿色钢材产品，然后应用至建筑、机械、汽车、船舶等领域。

整个氢冶金产业链涵盖了从原料获取到钢材加工应用的全过程，实现了钢铁产业的绿色、低碳、高效发展。随着环保意识的提高和技术的进步，氢冶金产业链将会得到更广泛的应用和发展。

二、氢冶金行业发展政策

对于如何支持和发展氢冶金，国家早已经进行了顶层设计。2022年2月，工信部、国家发展改革委、生态环境部联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出将制订氢冶金行动方案，加快推进低碳冶炼技术研发应用，争取到2025年钢铁行业研发投入强度力争达到1.5%，氢冶金、低碳冶金等先进工艺技术取得突破。2022年3月，国家发展改革委发布的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，这是我国首部国家级氢能产业顶层政策文件，统筹谋划、整体布局氢能全产业链发展，重点提出，逐步探索工业领域氢的替代应用，不断提升氢能利用经济性，拓展清洁低碳氢能在化工行业的替代应用空间。

此外，2022年6月，生态环境部牵头出台的《减污降碳协同增效实施方案》也强调，要加强协同技术研发应用，加强氢能冶金等技术试点应用，加强减污降碳协同增效基础科学和机理研究，在大气污染防治、碳达峰碳中和等国家重点研发项目中设置研究任务，建设一批相关重点实验室，部署实施一批重点创新项目。2022年8月，工信部、国家发展改革委、生态环境部发布的《工业领域碳达峰实施方案》也提出，要推动绿色低碳技术研发取得重大突破：部署工业低碳前沿技术研究，实施低碳零碳工艺流程再造工程，研究实施氢冶金行动计划；布局“减碳去碳”基础零部件、基础工艺、关键基础材料、低碳颠覆性技术研究，突破推广一批高效储能、能源电子、氢能、碳捕集利用封存、温和条件二氧化碳资源化利用等关键核心技术。

至2023年及2024年，国家及地方政府关于扩大氢能利用的政策更是频频发布，为钢铁产业内绿色经济化用氢以及安全规模化用氢提供更多支持；多项政策更是重点提出，要加速探索氢冶金等低碳钢冶炼技术，加快推动氢冶金等示范性工程建设，加速推动国内钢铁冶炼行业绿色低碳转型升级实现。如，2024年2月4日，工业和信息化部印发《工业领域碳达峰碳中和标准体系建设指南》指出，在燃料替代方面，重点制定氢冶金，炉窑氢燃料替代，玻璃熔窑窑炉氢能煅烧、水泥窑窑炉氢能煅烧、燃氢燃气轮机、氢燃料内燃机等氢能替代等技术和装备标准。2024年2月29日，国家工信部、发改委、财政部、生态环境部、中国人民银行、国务院国资委、市场监管总局联合印发了《关于加快推动制造业绿色化发展的指导意见》，在氢能方面，文件指出，围绕石化化工、钢铁、交通、储能、发电等领域用氢需求，构建氢能制、储、输、用等全产业链技术装备体系，提高氢能技术经济性和产业链完备性。

相关报告：智研咨询发布的《2024年中国氢冶金市场技术路线分析及发展前景研究报告》

三、氢冶金行业发展现状

相较于国内，海外国家更早开始部署绿色低碳冶炼研究规划项目：2004年欧盟设立ULCOS（超低CO2炼钢）项目，目标是使欧盟吨钢CO2排放量降低至少50%，包括高炉炉顶煤气循环（TGRBF）、先进直接还原工艺（ULCORED）、新兴熔融还原工艺（Hisarna）和电解铁矿石工艺4个技术路线；2008年日本启动COURSE50项目，关键技术是以氢代碳还原炼铁法、CO2分离和回收；2016年瑞典发起“Carbon-Dioxide-Free Steel Industry”计划，开始非化石能源钢铁项目HYBRIT（hydrogen breakthrough ironmaking technology），用H2替代高炉用煤粉和焦炭；2017年韩国POSCO钢铁开始低碳冶炼项目；2019年德国蒂森克虏伯9号高炉首次喷吹纯氢，正式宣布“以氢代煤”炼铁。

相比国外低碳、氢冶金方面的研究规划布局，我国氢冶金基础研究虽然一直在持续，但由政府和企业牵头的整体性规划研究最近两年才陆续展开，相关项目刚开始布局实施。2006年科技部批准氢冶金规划立项，但受制于氢气成本和工艺未持续跟进。直到近几年，我国各大钢企及院校开始陆续布局氢冶金技术项目（包括高炉富氢和氢基非高炉炼铁工艺），并将其列入2021年中国“双碳”技术路线图规划中。

近几年来，我国钢铁行业对氢冶金技术进行了大量研究和探索，覆盖了高炉富氢、氢基直接还原、氢基熔融还原等主流技术，且在理论和实践上都已取得了显著进展。值得一提的是，以氢作为大工业生产能源应用的第一例——河钢全球首例120万吨氢冶金示范工程，实现安全利连续生产绿色DRI（直接还原铁）产品，可作为高端材料制造高品质洁净原料，标志着工程一期取得圆满成功。该工程在全球首次采用了以焦炉煤气为还原气体的高压竖炉零重整氢冶金技术，工艺气体中氢碳比高达8：1以上，绿色高纯直接还原铁金属化率达到94%以上，达到国际一类标准，相比同等高炉长流程生产每年可减少二氧化碳排放80万吨，减排比例达到70%。

此外，宝武八钢全氧富氢碳循环高炉在400立方米试验炉上进行试验性研究，目前已经取得重大突破。2023年6月份，宝钢股份发布了相应报告，预计该技术将在其2500立方米高炉上应用，实现阶段性减碳18%的目标。中国钢铁行业在氢冶金技术领域的实践为推动整个行业技术进步，乃至全球钢铁行业低碳转型都做出了突出的贡献。

我国作为世界粗钢产量第一大国，全国粗钢产量占世界的一半以上。目前，国内钢铁生产工艺主要包括高炉-转炉长流程、废钢-电弧炉短流程和直接还原铁（DRI）-电弧炉流程。其中：高炉-转炉长流程的产钢量占比大于90%，吨钢碳排放量为1.8～2.5t，碳排放主要工序为高炉（吨钢碳排放量为1.5t，占70%～90%）；废钢-电弧炉短流程的产钢量占比小于10%，吨钢碳排放量为0.25～0.30t，碳排放主要工序为电弧炉（吨钢碳排放量为0.19t，约占75%）；非高炉炼铁-电弧炉工艺占比很少，直接还原铁（DRI）-电弧炉流程的吨钢碳排放量0.96t，碳排放主要工序为直接还原（吨碳排放量约为0.5t，占52%）。由此可以看出，目前我国钢铁行业氢冶金产能占比较低，产业氢冶金“碳减排”工程建设有待进一步推进。

四、氢冶金竞争格局

1、中晋冶金科技有限公司

中晋太行投资有限公司成立于2012年7月，注册资本5000万元。2016年7月，中晋太行投资有限公司重组为中晋冶金科技有限公司。公司的经营范围涉及新能源、新材料研发、煤制品转化及还原铁等生产、技术咨询和推广、建设工程总承包业务以及项目管理和相关的技术与管理服务等，是一家具有一定实力的生产型技术企业，也是我国在建的第一套气基竖炉直接还原铁企业，气基竖炉直接还原铁技术提供商，还原铁装备集成管理商。

目前，中晋冶金科技有限公司已经拥有了从气基竖炉还原铁技术、技术推广、工程设计、EPC总承包、人员培训、售后服务等一条龙全产业链式的服务能力，竭诚为广大客户提供全流程高水平的服务。

中晋冶金科技有限公司氢冶金项目采用完全具有自主知识产权的技术（CSDRI技术），该技术历时7年研发成功（自2010年立项至2017年完全研发成功，进行建设阶段），采用国外工艺引进德国MME公司的竖炉PERED技术+国内自主技术创新的模式（和中国石油大学联合开发的焦炉煤气干重整技术）耦合而成。该技术是全球首套焦炉煤气干重整制合成气生产还原铁技术，目前已获得24项目专利技术授权。

未来，中晋冶金科技有限公司拟将30万吨/年焦炉煤气制直接还原铁实验装置打造成示范性工程，培育一流的产、学、研绿色冶炼示范性基地，推广绿色冶金工程化技术，有力支撑我国做强钢铁企业和实现产品转型升级以及完成节能减排的战略国策，引领中国钢铁行业的未来和技术革命，填补国内高端装备业优质铁素材料空白，为中国企业低碳发展、绿色冶炼树立标杆和典型，战略意义深远。

2、中国宝武

中国宝武钢铁集团有限公司是中央直接管理的国有重要骨干企业，总部位于上海。2020年，中国宝武被国务院国资委纳入中央企业创建世界一流示范企业；2022年，获批成为国有资本投资公司，启动新型低碳冶金现代产业链“链长”建设工作。2023年，中国宝武资产规模达1.36万亿元，钢产量1.3亿吨，营业总收入1.11万亿元，员工总数22.26万。

近年来，中国宝武坚持强化企业科技创新主体地位，持续保持高水平研发投入，完善体制机制，激发创新活力，积极开发先进制造和节能环保技术，加速推动氢冶金等绿色低碳钢铁冶炼技术应用：2019年1月，中国宝武与中核集团、清华大学签订《核能制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，共同打造核氢冶金产业联盟。据计算，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100万吨标准煤。

2020年7月，中国宝武在八钢进行了富氢碳循环氧气高炉工艺实验，把脱碳后的煤气接入富氢碳循环高炉，与接入欧冶炉脱碳煤气前相比，富氢碳循环高炉吨铁燃料比下降近45千克，比传统高炉减排二氧化碳30%。对于传统高炉采用热风炉生产，高炉煤气因含有大量氮气，不具备脱碳（去除二氧化碳）再循环使用价值，这也是传统高炉实现碳减排最大的难点。2021年7月，八钢富氢碳循环高炉已完成第二阶段50%（第一阶段35%）富氧目标，后期八钢富氢碳循环高炉将通过技术升级和优化，实现全氧冶炼目标。

2021年1月，中国宝武公布了低碳冶金技术路线图，提出了碳中和冶金技术发展的六条技术路径，把氢基竖炉为核心的氢冶金工艺作为重要的技术路径之一，宣布了2023年实现碳达峰、2035年实现减碳30%，2050年实现碳中和的发展目标。

2022年11月，中国宝武在全球绿色低碳冶金创新论坛上宣布，首次建成首座400立方米级的低碳冶金高炉，这是全球绿色低碳冶金领域绿色低碳技术的重大突破。

未来，中国宝武将聚焦富氢碳循环氧气高炉流程和氢基竖炉流程这两个技术方向持续发力，并以此为基础打造宝武的零碳工厂，为社会提供更多的低碳和零碳钢材，推动钢铁行业绿色低碳转型发展，实现绿色低碳引领。

五、氢冶金发展难点

目前来看，氢能源与钢铁产业的合作是双赢的结果：氢能源帮助钢铁企业节能减排、延伸业务、完成转型，钢铁企业为氢能源提供了更多的落地应用，促进其发展。氢能源和钢铁工业是一个互相促进的产业组合。然而，氢冶金的概念无论在理论还是实践都还处于起步阶段，目前仍然面临重重困难，特别是绿色经济化制氢问题和安全规模化用氢问题，这仍是制约氢冶金发展的关键。与此同时，国家层面氢能政策目前还主要集中在交通领域，氢冶金技术的发展还需要高屋建瓴的顶层设计和政策支持。

以氢代碳、氢冶金是清洁氢能在工业领域的重要应用场景。因此，厘清氢能制备和氢冶炼技术的发展瓶颈与节奏，确定氢能和钢铁冶炼产业合作共赢的可行性时间和技术路线图，实现协调发展，将为落实氢冶金对实现“双碳”目标的重要支撑作用奠定基础。

难点1：绿色经济化制氢

以氢代碳的富氢或全氢冶金，无论发展高炉还是非高炉路线，大规模经济化的氢源是基础。我国“富煤缺油少气”的能源禀赋，缺少充足天然气和经济规模的氢源，长期以来一直是发展高炉富氢、氢基竖炉和熔融还原工艺的瓶颈，也是目前低碳化转型过程中卡脖子的问题。

目前已有较为成熟的制氢工艺，不同的制氢方法和技术各具优劣。按制取原材料分类，氢气可划分为灰氢、蓝氢和绿氢。其中，灰氢由以焦炉煤气、氯碱尾气为代表的工业副产气制取，过程伴随碳排放；蓝氢由煤或天然气等化石燃料制取，并将CO2副产品捕获、利用和封存（CCUS），可实现低碳排放生产；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，生产绿氢的过程完全没有碳排放。绿氢是氢能利用的理想形态，但受到目前技术及制造成本的限制，实现大规模应用还需要时间。

难点2：安全规模化用氢

氢气对碳基还原剂的替代是存在极限值的，尤其是高炉炼铁工艺。对于长流程高炉炼铁，碳除了作为还原剂，还起到多种关键作用：①作为燃料，提供高炉冶炼所需热量，高炉热量一般由焦炭、喷吹燃料的燃烧及外部通入的热风提供，其中高炉内焦炭燃烧供热占比高达75%-80%；②作为骨架，支撑炉料；③作为生铁渗碳的碳源，一般生铁中碳含量4%，全部来源于焦炭。氢的密度和元素构成显然无法替代碳的支撑和渗碳作用，炭的使用难以避免，而且氢气还原是吸热反应，氢气比例达到一定程度后，需要额外供热来实现热量互补，如果这部分热能来源还是通过碳燃烧，那碳排放只是有增无减。

对于气基竖炉还原炼铁工艺，同样存在渗碳来源、热量互补问题，而且如果是纯氢气作为还原剂需要对纯氢气进行加压和加热，根据唐珏等于2020年11月在《河北冶金》发表的《我国氢冶金发展现状及未来趋势》一文，氢气理论上加压到1MPa以上，加热到1000摄氏度以上，可以达到设计指标，但竖炉如果长期在如此高温、高压极限条件下工作，不符合安全目标。

因此在上述问题解决之前，氢气对碳基还原剂的替代是存在极限值的，尤其是高炉炼铁工艺，对温度的要求更高，钢铁行业冶炼用氢受限程度也因此更大。

六、氢冶金行业发展趋势

尽管氢冶金技术代表着未来钢铁冶炼的发展方向，但就目前来说，即使在西方发达国家，氢冶金技术也处于发展的初期，并没有形成对传统的“高炉—转炉”长流程和“废钢—电弧炉”短流程工艺的规模化替代，且氢冶金工艺的大规模应用尚存在极大困难。但无论如何，从全球气候变化的应对考虑，碳还原技术如何被氢冶金技术成功取代，是值得深入研究和实践的课题，国内外相关研究仍将加速推进，氢冶金规模化应用或将逐步得以实现，以降低钢铁行业的碳排放量，推动全球绿色低碳发展。就国内来说，面对目前我国制氢成本依旧相对较高的问题，未来我国氢冶金工艺推进路线为：短期以富氢高炉工艺为主，未来逐步推进富氢竖炉工艺。根据氢冶金成本变化、技术成熟度及氢资源可用性等因素影响，估算到2050年，30%-35%的碳排放缺口即1.73亿-2.02亿 吨二氧化碳减排任务由氢冶金完成。经计算，得到2050年氢冶金钢产量为0.96亿-1.12亿吨。

以上数据及信息可参考智研咨询（www.chyxx.com）发布的《2024年中国氢冶金市场技术路线分析及发展前景研究报告》。智研咨询是中国领先产业咨询机构，提供深度产业研究报告、商业计划书、可行性研究报告及定制服务等一站式产业咨询服务。您可以关注【智研咨询】公众号，每天及时掌握更多行业动态。