□ 孙泽辉 李晋岩 彭 锋 缪 骏

氢能是被公认为最理想的清洁能源，是未来能源发展格局中的关键组成部分。伴随全球气候变化压力持续增大，同时叠加氢能生产和利用技术的日臻成熟，全球对氢产业发展的关注度日益高涨，美国、欧洲等西方发达国家相继将氢能产业提升到国家能源战略高度。2016年，国家发展和改革委员会等部门联合发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》明确提出了能源技术革命重点创新的行动路线图，“氢能与燃料电池技术创新”也被纳入其中，标志着氢能产业上升到国家能源战略。

一、氢产业链发展现状

氢能产业作为新兴产业，涵盖制备、储存、运输，直至氢能产业链下游应用：如加氢站、燃料电池、固定电站、基础石化工业等，并涉及一些重要材料和关键零部件的高端制造业。该产业的发展有助于提升我国绿色制造业发展水平及国际竞争力。

1.氢的制备

制氢技术是氢能大规模应用的前提和基础，主要分为以化石能源为主原料的传统制氢技术，以及以电、生物质和核能为能源的新型制氢技术[1]，传统制氢存在高污染、高能耗的缺陷，随着环保压力日益增大，新型制氢技术也越来越受到重视，但产业化规模及应用较少，尚存在诸多技术瓶颈，具体详见表1。

表1 制氢技术汇总表

如表1所示，预计天然气和煤气化制氢技术在未来相当长的时间内仍是主流制氢技术，核能制氢、可再生能源发电制氢及生物质气化制氢等大都处于研究实验或中试阶段，大规模的产业化应用较少，亟需取得突破性进展。尤其是核能制氢技术，潜力最大，在完善核反应堆设计建设方案、控制能耗和建设成本后，有望成为未来的主流制氢技术。

2.氢运输、储存体系

截至2017年底，全球铺设输氢管道共计4 200 km；其中，美国2 400 km，欧洲1 500 km，位于法国和比利时之间的氢气管道长度达400 km。国内的氢气输送方式主要有高压气态、液态氢和管道输送，在高压（35 MPa、77 MPa、98 MPa）气态氢的固定容器、气瓶在制造能力和运行管理方面经验已具备基础条件，并发布了相应的法规、标准。但氢气长输管道的建设仍处于起步阶段，只有少部分地区建成并运营。目前，已有多条约50 km、2.0～4.0 MPa的输氢管道正在运行中，管道内径约400 mm。总体而言，仍需要持续攻关建设长距离、高压力的“规模”输氢管线。《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》指出：2030年实现管道及其他方式储存、管道运输；2050年实现长距离管道输送，建立安全、可靠的氢能储存及运输体系。

储存体系关键的一环是加氢站，核心设备主要有氢气储罐、氢压缩机、加氢机及其公辅配套系统等。截至2018年底，中国已建成加氢站24座，主要分布在北京、上海、深圳、郑州和武汉等城市，日加氢能力大多介于200～500 kg，以示范为主。截至2020年，世界加氢站预计累计超过515座，2025年预计高达1 330座[2]。世界各地主要加氢站的运营规划如表2所示。

表2 世界各地主要加氢站规划 单位/座

3.氢能应用

在全球持续变暖、能源亟需转型的大背景下，拥有来源多元、绿色低碳、灵活高效、用途广阔等诸多优点的氢能，被很多国家列入能源战略部署，其中氢燃料电池是各国最主要的发力点。

在氢燃料电池领域，欧美日韩处于领先地位。其中，日本处于绝对领先，而且技术最为全面，其将扩大固定燃料电池和增加燃料电池汽车的使用率作为发展重点，以占据氢燃料电池市场领先地位，目前已经实现了规模化和商业化，到2030年，可使氢加入传统的“电、热”能源，构建全新的二次能源结构；美国将氢能和燃料电池确定为国家安全、经济持续繁荣的重要技术之一，主要目标有3个，即从现有的和将来的资源中获取氢能、自由汽车计划、燃料电池研究；德国更关注燃料电池在车辆上的应用，并在商业化方面取得突破，活跃在这一领域的公司与科研机构超过350家；韩国主要有氢能制备、贮运和利用3方面的规划，目前已经进入实施应用阶段，尤其是燃料电池便携式应用。

相比世界其他国家的氢燃料电池汽车商业化阶段，我国氢燃料电池汽车大概落后5～10年，尚处于工程化开发阶段，虽然部分关键技术领域专利数目不少，但掌握的核心技术极少，技术标准体系尚未完善，成本居高不下。

二、氢产业发展对钢铁行业影响

钢铁企业既是产氢企业，又是用氢单位。近年来，国内氢冶金工业化迎来了快速发展期。同时，由于钢铁企业在新材料上的积累，使其能够涉足燃料电池双极板、储氢罐等细分领域，并纷纷在氢能领域布局。

1.氢冶金产业化发展现状

氢冶金，广义而言就是氢还原炼铁法，即利用氢气替代部分或全部的煤或焦炭，作为还原剂，将铁素资源从矿石中还原出来，根据添加氢气工艺的不同，主要有高炉氢气还原和直接还原（生产DRI）。

（1）富氢高炉炼铁

2015—2017年，日本环境和谐型炼铁工艺技术开发项目（COURSE50），采用焦炉煤气（氢气55%和甲烷23%～27%），通过改质将其氢含量提高到65%左右，在新日铁住金君津厂内炉容为12m3的试验高炉上进行试验，结果表明，氢还原炼铁法比传统高炉炼铁减排二氧化碳达10%[3]。2019年11月11日，德国蒂森克虏伯钢铁集团正式将氢气通过1个风口注入杜伊斯堡钢厂的9号高炉中，后续逐渐扩展至该高炉全部28个风口。

（2）氢直接还原铁

山西中晋太行矿业公司与伊朗MME公司签署战略合作，引进气基法直接还原炼铁工艺技术和设备，在太行老区龙泉产业创新示范园建设投产30万吨级直接还原铁项目。该项目计划2020年初投产，延伸了产业链，构建了焦炉煤气制还原铁—还原铁粉—粉末冶金的新型产业链。北京建龙集团于2019年9月开工建设年产30万吨熔融还原法高纯铸造生铁项目，计划2020年9月底实现试生产。该项目利用副产焦炉煤气，通过熔融还原制备高纯铸造生铁。

2.钢铁企业氢产业链布局

借助氢能源产业发展的契机，有利于钢铁产业完成技术转型与业务拓展，追赶国际先进冶金水平，降低行业碳排放量。目前，国内有明确氢能源产业规划的企业8家，其中全产业链布局2家，燃料电池材料环节2家，氢能冶金4家。具体见表3。

表3 钢铁企业氢产业链布局汇总

氢属于二次能源，需要利用一次能源来制备。首先，氢冶金的关键是实现氢的大规模生产，即廉价、大规模且供应稳定的氢制备技术是目前氢冶炼工业化的瓶颈；其次，实际操作中的全新技术，如氢气吹入、难还原矿及低品位矿石还原等技术等也亟需突破；此外，需要提前开发可储藏高温、高压氢气，以及在900℃以上高温下的超耐腐蚀合金材料，保障工业生产安全稳定运行。

三、钢铁行业氢能利用展望

随着全球气候变暖，我国承诺二氧化碳排放力争在2030年左右达到峰值，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，钢铁行业作为二氧化碳排放大户，必然要面临低碳发展的压力。伴随着节能减排技术的逐步应用，进一步减排的空间越来越小，氢能冶金是钢铁行业碳减排的重要方向，钢铁企业应从以下方面重点发力。

1.因地制宜，充分利用区域资源禀赋优势和产业基础

随着氢产业的蓬勃发展，地方及大型钢铁企业纷纷开始布局，以抢占产业制高点。钢铁企业要充分考虑自身技术基础、产业基础及区域资源优势，做好前期规划，切勿盲目跟风。

以氢直接还原铁为例，该生产技术及设备早已实现了工业化应用，目前世界上正在运行的有几十座生产DRI的MIDREX竖炉、HYL-III竖炉和PERED竖炉。氢源是天然气、石油或煤为燃料重整制成的合成气，由于中国煤炭资源非常丰富，而天然气资源紧缺，与美国、俄罗斯、阿拉伯国家的天然气成本仅0.7元/m3不同，华东地区企业使用天然气成本高达3.7元/m3，国内无论利用天然气、煤化工制氢还是化工副产供氢模式，氢能源的成本将是这些国家的2～5倍[4]。因此，钢铁企业要结合产业基础、自身发展战略，精准谋划布局氢冶金产业。

2.布局构建氢能-钢铁产城融合园区

钢铁企业在创建绿色冶金-氢能利用示范方面具有得天独厚的优势，以产业为依托，重点发展工业副产氢的制备、提纯和氢气液化，建设加氢站、输氢管网和液氢工厂，为企业周边提供优质氢源，成为区域内主要氢源供应区；城市钢厂可建立城市氢能社区示范点，在学校、医院、商场等公共建筑发展氢燃料电池分布式发电、供热，在条件成熟的居民小区布局氢燃料电池热电联供装置系统等，实现氢能-钢铁产城融合发展，实现钢铁使城市更美好，促进企业、城市和区域和谐共生。

3.加强与汽车产业协同发展，开拓高端装备材料市场

长远看，氢燃料电池将从新能源汽车、分布式发电等领域重点发力[5]，新能源汽车是国内外汽车产业发展的核心战略方向，汽车行业更是钢铁企业重要的下游客户之一。钢铁联合企业可发挥产线优势，高效分离富产煤气或煤气化制氢，成为氢气的生产商和供货方；先期介入氢源储存、运输等装备材料的研发与生产，成为高端装备原材料服务商，实现对汽车产业从动力到结构材料的全覆盖，增强与汽车产业的协同发展，提升绿色水平及竞争力。