氫冶金概念最早提出于20世紀，以氫氣代替碳還原鐵礦石，將從源頭徹底降低污染物與二氧化碳的排放量，是實現目前零碳排放的最重要的一種途徑。目前主流的氫冶金技術路線為高爐富氫冶煉與氣基直接還原豎爐煉鐵兩種技術路線。

歐洲的 ULCOS（超低二氧化碳煉鋼，2004-2010年）的“氫”子項目是已知最早的氫基煉鋼綜合研究項目。該項目研究了兩種通過氫氣還原鐵礦石的方法。第一種是在多級流化床中還原細礦粉，用氫氣代替天然氣，這是唯一將純氫氣用作還原劑的直接還原工藝，使用的氫氣是通過天然氣蒸氣重整產生的。該工藝曾實現過商業化應用，但最終因經濟原因而退役。第二種是在立式豎爐中直接還原鐵礦石球團或塊礦。

富氫高爐煉鐵技術

在富氫高爐煉鐵研究方面，中國寶武已與中核基團、清華大學于2019年1月15日簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰略合作框架協議》，其思路是利用核能制氫實現氫冶金，目標是基本解決煉鐵燃煤限制問題，降低二氧化碳排放30%，形成寶武特有的低碳煉鐵技術（見圖1）。

在國外，日本COURSE50煉鐵工藝、韓國浦項氫還原煉鐵工藝、德國蒂森克虜伯氫基煉鐵項目等的技術路線都是在高爐內使用部分氫氣代替焦炭，實現部分氫還原，大幅減少二氧化碳排放。

日本COURSE50項目啟動于2008年，研究內容包括兩部分。一是以氫直接還原鐵礦石的高爐減排二氧化碳技術，主要包括氫還原鐵礦石的技術，增加氫含量的焦爐煤氣改質技術，以及高強度高反應性焦炭的生產技術，目標是實現10%的二氧化碳減排。二是高爐煤氣中二氧化碳的分離、回收技術，包括二氧化碳在高爐煤氣中的分離和捕集技術，利用鋼廠廢熱能源對二氧化碳進行分離和捕集，目標是減排20%的二氧化碳。日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）委托日本制鐵、JFE、神戶制鋼、日新制鋼（已合并至日本制鐵）、新日鐵工程公司等5家公司進行試驗，預計2030年達到實用化目標，2050年普及到日本國內所有高爐。

另外，德國蒂森克虜伯計劃到2050年投資100億歐元，開發將氫氣大量噴入高爐的氫基煉鐵技術。2019年11月，蒂森克虜伯正式將氫氣注入杜伊斯堡廠9號高爐進行氫基煉鐵試驗。氫氣通過其中一個風口注入到9號高爐，這標志著該項目一系列測試的開始。蒂森克虜伯計劃逐步將氫氣的使用范圍擴展到9號高爐全部的28個風口。此外，該公司還計劃從2022年開始，將該廠其他三座高爐都使用氫氣進行鋼鐵冶煉，降低生產中的二氧化碳排放，降幅可高達20%。

2020年8月，德國迪林根和薩爾鋼鐵進行了高爐噴吹富氫焦爐煤氣的操作。該公司認為，未來高爐利用氫作為還原劑在技術上是可行的，但前提條件是應該擁有綠氫。更長遠的技術路線是，如果綠氫能在數量上滿足需求，則在成本上具有競爭力的前提下，未來薩爾州的鋼鐵生產將走氫基直接還原鐵-電弧爐技術路線。該公司計劃下一步在兩座高爐中進行使用純氫的試驗。

氣基直接還原技術

氣基直接還原技術的發展同樣引人注目。河鋼集團與特諾恩于2020年11月23日簽訂合同，建設高科技的氫能源開發和利用工程，包括一座年產60萬噸的 ENERGIRON直接還原廠，這將是全球首座使用富氫氣體的直接還原鐵工業化生產廠。

山西中晉科技集團于2020年12月20日宣布其氫基直接還原鐵項目點火試車，標志著氫基直接還原鐵項目（CSDRI）工藝正式開始工業應用階段，CSDRI工藝如圖2所示。CSDRI工藝突破了焦爐煤氣改質的關鍵技術，包括氣體轉化和凈化技術，特別是低壓深度脫硫凈化技術。

2020年6月，GFG聯盟與羅馬尼亞政府及相關單位簽署了一系列協議，包括采用現代鋼鐵生產技術，大幅減少二氧化碳排放。他們的計劃包括建設一座年產250萬噸的直接還原鐵廠。該廠最初以天然氣作為還原劑，之后隨著氫還原技術的成功開發，將采用氫氣作為還原劑，而且煉鋼工藝將從轉爐轉向電弧爐，將噸鋼二氧化碳排放量減少80%，一旦直接還原鐵廠全部采用氫氣，其碳排放量將幾乎降至零。

除上述富氫高爐與氣基還原豎爐兩方面的研究外，建龍集團內蒙古賽思普運用氫基熔融還原新工藝，強化對焦爐煤氣的綜合利用，投產了年產30萬噸的氫基熔融還原項目。

2.氫冶金面臨的挑戰

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。最大挑戰仍然是低成本制氫的問題，目前鋼鐵企業大多以利用焦爐煤氣等作為氫源冶煉項目的目標，相關研發工作方興未艾，制氫工藝以及氫冶金技術呼喚關鍵技術的突破，氫冶金的未來仍需不斷探索。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。（冶金工業信息標準研究院  本文節選自張建良等編著的