一、前言

鋼鐵行業(yè)是化石能源消耗密集型行業(yè)，相關(guān)溫室氣體排放約占世界總排放量的 7% [1]；全球近 75% 的鋼鐵生產(chǎn)采用高爐（煉鐵）、轉(zhuǎn)爐（煉鋼）工藝，生產(chǎn)過程會(huì)向環(huán)境排放大量的 CO2、硫化物、氮氧化物、污水等。因此，世界各國都在積極尋求低能耗、低排放、高效率的煉鐵煉鋼工藝。我國作為世界最大的能源生產(chǎn)國與消費(fèi)國，形成了規(guī)模龐大的煤炭、焦化、鋼鐵等能源消耗產(chǎn)業(yè)。相關(guān)產(chǎn)業(yè)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)，但也伴生了環(huán)境、生態(tài)、能源安全等問題。全面推進(jìn)能源生產(chǎn)消費(fèi)革命與生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境綠色和諧發(fā)展已成為重大任務(wù)。

直接還原鐵（DRI）工藝具有低硫、低磷、密度大、熱能高、尺寸規(guī)則等特點(diǎn)，生產(chǎn)環(huán)境友好，符合清潔化生產(chǎn)的需要；與高爐 – 轉(zhuǎn)爐工藝相比，采用氣基 DRI– 電爐煉鋼工藝后，生產(chǎn)每噸鋼可減排 CO2 約 0.83 t [2]。然而我國鋼鐵生產(chǎn)以高能耗、高排放的高爐 – 轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼為主（占比高達(dá) 90%），電爐煉鋼占比明顯偏低。相應(yīng)地，我國鋼鐵行業(yè)的能源消耗以煤炭和焦炭為主（占比高達(dá) 92%），行業(yè)煤炭消耗約占我國煤炭消費(fèi)總量的 18%，碳排放約占全國總量的 15% [3]。我國煤炭、焦化、鋼鐵等行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，必然面臨資源、環(huán)境、生態(tài)等的約束，特別是隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，鋼鐵行業(yè)很難維持當(dāng)前高爐 – 轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的市場(chǎng)存量規(guī)模。DRI 工藝是我國鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向，應(yīng)加速發(fā)展 DRI– 電爐短流程煉鋼。DRI 產(chǎn)品有害元素含量低、鐵的純度高，在電爐煉鋼時(shí)可顯著降低鋼水中的雜質(zhì)元素，是冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、特殊鋼的理想純凈鐵料；有利于拓寬潔凈鋼、優(yōu)質(zhì)鋼的生產(chǎn)規(guī)模，改善鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，為高端鑄造、鐵合金、粉末冶金等工業(yè)過程提供主要原料。

DRI 一般以精鐵礦為原料，采用富氫還原性氣體作為還原劑進(jìn)行生產(chǎn)，在俄羅斯、伊朗、委內(nèi)瑞拉等天然氣豐富的國家生產(chǎn)成本很低，具有明顯優(yōu)勢(shì)。在我國，基于“富煤、貧氣、少油”的資源稟賦特征，選擇以煤基氣源代替天然氣作為 DRI 的還原劑，可改善鋼鐵行業(yè)的能源供給結(jié)構(gòu)，擺脫對(duì)煉焦煤資源短缺的羈絆，實(shí)現(xiàn)短流程或緊湊流程（廢鋼 – 電爐煉鋼流程）煉鋼，由此促進(jìn)鋼鐵工業(yè)清潔化生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展。廢鋼質(zhì)量的持續(xù)降低是制約電爐煉鋼發(fā)展的主要因素，而 DRI 生產(chǎn)的鋼鐵雜質(zhì)少，使用后產(chǎn)生的廢鋼品質(zhì)高，將是電爐冶煉純凈鋼的必備鐵源，如相關(guān)原料一般是 50%~70% 的廢鋼配加 30%~50% 的 DRI。2019 年，我國粗鋼產(chǎn)量為 9.96×108 t，約占世界總產(chǎn)量的 53.12% [4]；作為短流程或緊湊流程煉鋼的主要原料，DRI 產(chǎn)量僅為 1×106 t，約占世界總產(chǎn)量的 0.9% [5]。這表明，我國發(fā)展 DRI 勢(shì)在必行。

持續(xù)推動(dòng)高端化、智能化、綠色化、集群化、規(guī)范化，是我國鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的應(yīng)有之義。我國焦?fàn)t煤氣、煤成氣等富氫氣源豐富，加之在可再生能源制氫方面極富潛力，可為 DRI 提供可靠廉價(jià)的氫源，構(gòu)成煤炭、焦化、鋼鐵行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)保障。積極發(fā)展氣基 DRI 技術(shù)，增加鋼鐵新品種（優(yōu)質(zhì)鋼、特殊鋼），增強(qiáng)高端冶煉產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭力；構(gòu)建新型綠色冶金等新興產(chǎn)業(yè)集群及產(chǎn)業(yè)鏈，減少關(guān)聯(lián)行業(yè)的能源消耗與碳排放，有利于形成全球綠色鋼鐵行業(yè)的中國示范。本文系統(tǒng)梳理國內(nèi)外DRI技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，剖析我國煤–焦– 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈涉及的關(guān)鍵技術(shù)路徑與發(fā)展?jié)摿?；以資源大省山西為例，分析煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的技術(shù)路徑選擇，進(jìn)而針對(duì)性提出我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的對(duì)策建議，以期為我國乃至其他國家的煤炭、焦化、鋼鐵行業(yè)發(fā)展提供基礎(chǔ)性參考。

二、直接還原鐵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）直接還原鐵發(fā)展態(tài)勢(shì)

根據(jù)還原劑的不同，DRI 工藝分為氣基 DRI、煤基（固 – 固）DRI 兩大類，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì) – 技術(shù)性能對(duì)比見表 1。與傳統(tǒng)高爐煉鐵方法相比，DRI 工藝污染小、消耗少，不受煉焦煤短缺影響；氣基 DRI 相較煤基 DRI，在能耗、單套設(shè)備產(chǎn)量、碳排放等方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。近年來，世界 DRI 產(chǎn)量增長迅速，主要國家的產(chǎn)量情況見圖 1。印度 DRI 產(chǎn)量居世界首位，因天然氣匱乏并最大限度減少對(duì)天然氣的依賴，積極發(fā)展以煤基氣源（焦?fàn)t煤氣、煤制氣、頁巖氣等）為還原劑的 DRI（產(chǎn)量占比近 1/3）。

表 1? DRI 工藝的設(shè)計(jì)能力、能耗、碳排放對(duì)比 [6~12]

注：帶 * 數(shù)據(jù)根據(jù)生產(chǎn)單位 DRI 消耗合成氣 / 塊煤 / 焦炭估算。

圖 1 主要國家 DRI 產(chǎn)量分布

我國的 DRI 工藝技術(shù)研究始于 20 世紀(jì) 50 年代， 1992 年實(shí)現(xiàn)了 DRI 工藝投產(chǎn)；2010 年 DRI 生產(chǎn)能力達(dá)到歷史最高的 1.08×106 t，約占當(dāng)年世界總產(chǎn)量的 0.15%；DRI 生產(chǎn)規(guī)模小、工藝不夠先進(jìn)，以回轉(zhuǎn)窯煤基直接還原工藝應(yīng)用為主；2010 年以來，為加快鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、推動(dòng)鋼鐵行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，生產(chǎn)工藝能耗大、污染嚴(yán)重的 DRI 工廠相繼關(guān)停，全國 DRI 產(chǎn)量下降明顯。2019 年，我國電爐鋼產(chǎn)量為 1.032×108 t [5]，約占我國鋼鐵總產(chǎn)量的 10%（世界相應(yīng)比例為 27.9%）。

從長遠(yuǎn)看，我國廢鋼資源的不斷積蓄（供應(yīng)增加），短流程新型工藝、低碳冶金、清潔能源等的拓展應(yīng)用，將為鋼鐵行業(yè)的節(jié)能低碳注入新動(dòng)力。為改善鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、擺脫焦煤資源對(duì)鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展的制約，發(fā)展 DRI 是我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向。根據(jù)國家行業(yè)性規(guī)劃，我國還原鐵的需求量高達(dá) 9×107 t/a，而目前電爐鋼產(chǎn)量占比過低導(dǎo)致廢鋼短缺且質(zhì)量不高，DRI 基本依賴進(jìn)口；2019 年進(jìn)口量為 2.73×106 t，可能不利于高端鑄造及行業(yè)安全。

（二）我國直接還原鐵產(chǎn)業(yè)的具體進(jìn)展

我國陸續(xù)建成了天津鋼管制造有限公司 3×105 t/a、北京密云冶金礦山公司 6.2×104 t/a 等 6 條回轉(zhuǎn)窯 DRI 生產(chǎn)線，總產(chǎn)能近 6.0×105 t，但不少企業(yè)因市場(chǎng)競(jìng)爭力、生產(chǎn)成本、環(huán)境保護(hù)等方面存在問題而停產(chǎn)?；剞D(zhuǎn)窯 DRI 法對(duì)原燃料的要求苛刻，能耗大（煤耗約 950 kg/t）、投資和運(yùn)行費(fèi)用高、穩(wěn)定運(yùn)行難度大、生產(chǎn)規(guī)模難以擴(kuò)大（1.5×105 t/座），因此在資源條件適宜的地區(qū)、中小規(guī)模的 DRI 生產(chǎn)方面可以較好運(yùn)用，但難以成為 DRI 發(fā)展的主體技術(shù)。中東地區(qū)、印度的 DRI 發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，利用氣基豎爐法生產(chǎn) DRI 是迅速擴(kuò)大產(chǎn)能的有效途徑。隨著我國天然氣資源開發(fā)、焦炭行業(yè)的改造整合，國內(nèi)部分地區(qū)具備了發(fā)展氣基 DRI 的條件；煤制氣（包括焦?fàn)t煤氣，以工業(yè)氧、水蒸氣為氧化劑的煤制氣，地下煤氣化等）技術(shù)為發(fā)展煤制氣 – 豎爐直接還原鐵工藝提供了必要條件，氣基豎爐還原鐵將是我國行業(yè)發(fā)展的重要方向。

近年來，針對(duì)天然氣資源缺乏的客觀情況，我國開展了煤基氣源 DRI 技術(shù)研發(fā)并取得突破。山西中晉太行礦業(yè)有限公司以焦?fàn)t煤氣制合成氣作為還原氣，建設(shè)了 DRI 試驗(yàn)裝置（產(chǎn)能為 3×105 t/a）及其配套裝置（氧化球團(tuán)裝置、焦?fàn)t煤氣制合成氣裝置、豎爐裝置），2020 年年底順利開車運(yùn)行。該裝置采用了中晉還原鐵（CSDRI）技術(shù)方案，涵蓋自主研發(fā)的焦?fàn)t煤氣制還原氣工藝、德國 MME 公司波斯還原（PERED）工藝，是我國首套氣基豎爐還原鐵裝置、世界首套以焦?fàn)t煤氣為氣源的氣基還原鐵裝置；實(shí)現(xiàn)了我國氣基豎爐生產(chǎn) DRI 的突破，為鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高鋼鐵品質(zhì)探索了新途徑。

三、煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展技術(shù)路徑對(duì)比分析

氫氣按照制氫來源不同分為藍(lán)氫（化石能源制氫）、灰氫（工業(yè)副產(chǎn)品制氫）、綠氫（可再生能源制氫）?？紤]富氫氣源的差異，結(jié)合我國能源供給與消費(fèi)結(jié)構(gòu)、資源稟賦、煤 / 焦 / 氫 / 鐵產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)路徑主要有 5 條：煤直接氣化制氫耦合還原鐵、焦?fàn)t煤氣制氫耦合還原鐵、多能協(xié)同互補(bǔ)制氫耦合還原鐵、非常規(guī)天然氣制氫耦合還原鐵、低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣耦合還原鐵。

（一）不同關(guān)鍵技術(shù)路徑的特性分析

1. 煤直接氣化制氫耦合還原鐵

煤氣化是煤炭清潔高效利用的主要技術(shù)方向，煤氣化制氫也是當(dāng)前我國最主要的制氫方式 [13]，煤氣化生產(chǎn)的氫氣可作為豎爐煉鐵的還原劑。煤直接氣化制氫耦合還原鐵工藝流程一般包括煤氣化、煤氣凈化、CO 變換、氫氣提純、豎爐煉鐵（DRI）等生產(chǎn)環(huán)節(jié)（見圖 2）。我國發(fā)展此類技術(shù)路徑具有資源稟賦優(yōu)勢(shì)，工藝成熟、成本較低，但對(duì)環(huán)境影響較大，存在嚴(yán)重的碳排放問題。

圖 2? 煤直接氣化制氫耦合還原鐵工藝路線圖

2. 焦?fàn)t煤氣制氫耦合還原鐵

焦?fàn)t煤氣是焦?fàn)t干餾煤時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體，主要成分是氫氣（體積百分比為 55%~60%）和甲烷（體積百分比為 23%~25 %）；從焦?fàn)t煤氣中提取氫氣 [14]，作為還原氣體進(jìn)入豎爐來還原鐵礦石。焦?fàn)t煤氣制氫耦合還原鐵工藝流程一般包括焦?fàn)t煤氣凈化、氫氣提純、豎爐煉鐵（DRI）等（見圖 3）。此類技術(shù)路徑可充分利用焦化行業(yè)副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣富氫資源優(yōu)勢(shì)，為焦?fàn)t煤氣高值化利用提供了新思路；制氫工藝流程簡單，成熟度高。在短中期，焦?fàn)t煤氣與 DRI 的協(xié)同生產(chǎn)，能夠有效提高能源整體利用效率并減少碳排放；但對(duì)照長遠(yuǎn)期的碳中和目標(biāo)來看，焦?fàn)t煤氣仍存在碳排放問題，焦化產(chǎn)能將逐步削減，使得焦?fàn)t煤氣 – 灰氫 DRI 路徑逐步過渡到可再生能源 – 綠氫 DRI 路徑。

圖 3? 焦?fàn)t煤氣制氫耦合還原鐵工藝路線圖

3. 多能協(xié)同互補(bǔ)制氫耦合還原鐵

多能協(xié)同互補(bǔ)制氫指通過多種能源之間的相互匹配、梯級(jí)利用以高效低碳地生產(chǎn)氫能；氫氣作為還原氣體進(jìn)入豎爐來還原鐵礦石（見圖 4）?？稍偕茉吹牟环€(wěn)定性、電力輸配限制造成“棄能”現(xiàn)象，通過耦合來源穩(wěn)定、低成本的灰氫或藍(lán)氫，實(shí)現(xiàn)“棄能”的就地轉(zhuǎn)換利用，形成低碳、高效、穩(wěn)定、低成本的氫源供給。此類技術(shù)路徑是未來低碳綠色制氫的主要途徑，可有效降低碳排放強(qiáng)度，發(fā)展?jié)摿Υ螅坏嬖诘貐^(qū)性多種能源資源的空間分布不匹配現(xiàn)象，儲(chǔ)能、多能耦合集成技術(shù)尚不成熟，需持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)并實(shí)施工程示范。

圖 4? 多能協(xié)同互補(bǔ)制氫耦合還原鐵工藝路線圖

4. 非常規(guī)天然氣制氫耦合還原鐵

非常規(guī)天然氣資源主要有煤層氣、頁巖氣、砂巖氣 [15]。相應(yīng)技術(shù)路徑細(xì)分為兩種：非常規(guī)天然氣經(jīng)鉬基催化制氫氣及苯等副產(chǎn)品 [16]，氫氣經(jīng)過凈化等過程后直接進(jìn)入豎爐，生產(chǎn)還原鐵；經(jīng)水蒸氣重整轉(zhuǎn)化、變壓吸附等過程得到氫氣，然后進(jìn)入豎爐生產(chǎn)還原鐵（見圖 5）。在我國，煤炭開采過程中伴生了大量的非常規(guī)天然氣，低濃度瓦斯氣體的分離提濃技術(shù)是非常規(guī)天然氣利用的重要前提，但能耗高、成本高。盡管此類技術(shù)路徑有助于減少溫室氣體排放，但非常規(guī)天然氣屬于碳基能源，在碳中和目標(biāo)的約束下，需要考慮非常規(guī)天然氣能源利用行業(yè)的整體布局優(yōu)化。

圖 5? 非常規(guī)天然氣制氫耦合還原鐵工藝路線圖

5. 低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣耦合還原鐵

低階煤用于發(fā)電，效率低、污染物排放大。開發(fā)低階煤改性結(jié)焦氣化一體化技術(shù)，是滿足冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)的焦炭需求，減輕環(huán)境污染的有效途徑。此類技術(shù)路徑是對(duì)低階煤改性結(jié)焦的延伸（見圖 6）：將低階煤洗選獲得精煤，將不粘結(jié)的部分精煤與粘結(jié)性的煤進(jìn)行配煤改性，制備具有一定粘結(jié)性的改性煤；與原精煤進(jìn)行配煤高溫?zé)峤?，生成改性熱解炭與揮發(fā)性氣體；改性熱解炭經(jīng)氣化后產(chǎn)生的氣化煤氣與富氫的揮發(fā)性氣體耦合形成富氫氣體，進(jìn)入氣基豎爐中還原鐵礦石；另一部分氣化煤氣用于發(fā)電或經(jīng)水煤氣變換制氫還原鐵。我國低階煤炭資源較為豐富，采用相關(guān)技術(shù)可減少高品質(zhì)煤炭資源消耗、緩解優(yōu)質(zhì)煉焦煤短缺現(xiàn)象，但是碳排放系數(shù)依然較高。目前，此類技術(shù)路徑處于技術(shù)研發(fā)到工程示范的過渡階段，待技術(shù)成熟后將快速推動(dòng)焦化 – 鋼鐵行業(yè)的融合發(fā)展。

圖 6? 低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣耦合還原鐵工藝路線圖

（二）煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)路徑性能對(duì)比分析

在制氫還原鐵的整個(gè)生產(chǎn)過程中，鐵礦石價(jià)格是影響生產(chǎn)成本最大的因素；以上 5 種技術(shù)路徑的最大區(qū)別在于制氫方式的差異。①從能耗水平看，多能協(xié)同互補(bǔ)制氫的原料基本來源于風(fēng)、光、生物質(zhì)等可再生能源，采用電解水或生物質(zhì)熱解 / 氣化等方式制取氫氣，能耗（16.2~19.8 MJ/kg H2）為幾種路徑中的最低值；焦?fàn)t煤氣制氫生產(chǎn)流程簡單，能耗（34.3~139.7 MJ/kg H2）略高于多能協(xié)同互補(bǔ)制氫；煤氣化制氫的能耗（200~240 MJ/kg H2）水平最高。②從經(jīng)濟(jì)性看，原料費(fèi)用或當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)能源價(jià)格決定了化石能源制氫 / 電解制氫等工藝的氫氣生產(chǎn)成本；焦?fàn)t煤氣制氫的成本（0.3~1.5 元 /m3 ）最低；多能協(xié)同互補(bǔ)制氫的成本（0.4~5.0 元 /m3 ）浮動(dòng)較大，這是由可再生能源制氫的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的。③從溫室氣體減排的角度看，多能協(xié)同制氫 [17] 的碳排放量（1.2~2.0 kg CO2eq/kg H2）最小，焦?fàn)t煤氣制氫 [18]（11.68~15.8 kg CO2eq/kg H2）、非常規(guī)天然氣制氫 [19]（8.9~12.9 kg CO2eq/kg H2）次之，煤氣化制氫 [18]（18.8~29.0 kg CO2eq/kg H2）最大。

表 2 給出了 5 種煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)路徑的特性分析。在近期，鑒于我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的迫切性，不推薦采用煤氣化制氫還原鐵技術(shù)，建議推廣技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性良好的焦?fàn)t煤氣方案；非常規(guī)天然氣制氫還原鐵適宜在資源聚集區(qū)局部推廣，以低品質(zhì)的非常規(guī)天然氣利用為主；低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣還原鐵的優(yōu)缺點(diǎn)均較突出，可作為重要儲(chǔ)備技術(shù)開展研究與示范。著眼長遠(yuǎn)，焦?fàn)t煤氣制氫量受限于焦煤 / 焦炭的產(chǎn)能，必然面臨原料產(chǎn)能的瓶頸問題；多能協(xié)同互補(bǔ)制氫耦合還原鐵的環(huán)境友好特性突出，在實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破后有望后來居上成為供氫還原鐵的主要來源（見表?3）。

表 2? 不同制氫技術(shù)耦合直接還原鐵技術(shù)路徑的特性分析

注：CCS 表示碳捕獲與封存；CCUS 表示碳捕獲、利用與封存；“雙碳”表示碳達(dá)峰、碳中和。

按照生產(chǎn)噸鋼需要消耗 0.4 t DRI 計(jì)算，對(duì)應(yīng)消耗 240 N·m3 （21.36 kg）氫氣；結(jié)合電爐煉鋼工藝過程，對(duì)不同制氫技術(shù)耦合 DRI– 電爐生產(chǎn)鋼鐵的綜合性能（能耗、碳排放、經(jīng)濟(jì)性）進(jìn)行評(píng)價(jià)（見表 4）[20~24]。從能耗角度看，轉(zhuǎn)爐煉鋼的能耗普遍高于 DRI 電爐煉鋼；從碳排放角度看，轉(zhuǎn)爐煉鋼碳排放高于 DRI 電爐煉鋼；從成本角度看，DRI 電爐煉鋼的成本高于轉(zhuǎn)爐煉鋼。整體而言，DRI 電爐煉鋼更具優(yōu)勢(shì)。

表 4? 高爐 – 轉(zhuǎn)爐技術(shù)與電爐煉鋼技術(shù)綜合性能對(duì)比分析

四、煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展技術(shù)路徑案例分析

山西省是全國首個(gè)能源革命綜合改革試點(diǎn)地區(qū)，資源稟賦和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)具備發(fā)展煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)的巨大潛力。煤炭、焦化、鋼鐵三大傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與氫能這一新興能源類型的深度結(jié)合，將積極驅(qū)動(dòng)山西省綠色低碳轉(zhuǎn)型，同時(shí)為我國資源型地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展提供路徑借鑒。

（一）山西省能源資源稟賦與產(chǎn)業(yè)發(fā)展可行性

山西省制氫氣源豐富（見表 5），可利用的焦?fàn)t煤氣約為 1.94×1010 N·m3 [25]，主要分布在晉南的呂梁市、臨汾市、運(yùn)城市、太原市、晉中市、長治市等地；晉北的大同市、朔州市、忻州市，晉南的運(yùn)城市等地，風(fēng)電、水電、光電儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)明顯；全省煤成氣資源總量約為 8.31×1012 m3 （占全國的 27.7%），晉城市、臨汾市、忻州市等地資源豐富。

表 5? 山西省焦?fàn)t煤氣、煤成氣、可再生能源裝機(jī)量（2019 年）

注：表中數(shù)據(jù)來自山西省各地市統(tǒng)計(jì)局、《山西省煤成氣增儲(chǔ)上產(chǎn)三年行動(dòng)計(jì)劃（2020—2022 年）》。

按照生產(chǎn) 1 t DRI 消耗 618 N·m3 焦?fàn)t煤氣 [26] 來估算，山西省焦?fàn)t煤氣可生產(chǎn) DRI 3.138×107 t/a?？稍偕娏Γㄟ\(yùn)行時(shí)間為 6000 h/a）用于電解水制氫，每生產(chǎn) 1 N·m3 的氫氣需消耗 3.5~5 kW·h 電力，每生產(chǎn) 1 t DRI 最低需消耗 600 N·m3 氫氣，由此估算山西省可再生能源可生產(chǎn) DRI 5.124×107 t/a。每生產(chǎn) 1 t DRI 需消耗 320 N·m3 的煤成氣（95% CH4），由此估算山西省可用于 DRI 生產(chǎn)的煤成氣產(chǎn)量為 4×109 m3 ，即 DRI 生產(chǎn)潛力約為 1.25×107 t/a。

2019 年，山西省粗鋼總產(chǎn)量為 6.028×107 t，產(chǎn)能利用率為 81.7%，集中于晉中、晉南片區(qū)（見表 6），其中運(yùn)城市、太原市、臨汾市產(chǎn)量超過 1×107 t，晉中市、呂梁市、晉城市、長治市產(chǎn)量約為 3×106 ~6×106 t。山西省焦炭產(chǎn)量為 9.696×107 t，其中呂梁市產(chǎn)量為 2.575×107 t，臨汾市、長治市、晉中市、運(yùn)城市產(chǎn)量超過 1×107 t。焦?fàn)t煤氣的產(chǎn)量與焦炭產(chǎn)量成正比，目前山西省的焦?fàn)t煤氣主要用于制甲醇，但甲醇市場(chǎng)存在產(chǎn)能過剩情況；富余的焦?fàn)t煤氣用于制氫，在緩解產(chǎn)能過剩問題的同時(shí)，可拓寬焦?fàn)t煤氣資源化利用的途徑。基于山西省能源發(fā)展規(guī)劃，在短期內(nèi)焦?fàn)t煤氣可生產(chǎn)氫氣用于 DRI，未來可用于發(fā)展氫能。

表 6? 山西省粗鋼產(chǎn)量及各類 DRI 生產(chǎn)潛力測(cè)算

注：表中數(shù)據(jù)來自山西省各地市統(tǒng)計(jì)局、不同技術(shù)路徑原料消耗量計(jì)算結(jié)果。

山西省焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 生產(chǎn)與鋼鐵企業(yè)空間布局最為匹配，集中在晉中、晉南地區(qū)；煤成氣耦合 DRI 生產(chǎn)與鋼鐵企業(yè)空間布局基本吻合。可再生能源制氫耦合 DRI 生產(chǎn)與鋼鐵企業(yè)呈逆分布，未來的規(guī)模化利用需構(gòu)建氫氣運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、匹配鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有格局。按電爐生產(chǎn)噸鋼消耗 40% DRI （一般為 50%~70% 廢鋼、30%~50% DRI [7]）估算，焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 技術(shù)路徑可生產(chǎn)粗鋼總量為 7.845×107 t，基本滿足現(xiàn)階段山西省對(duì) DRI 的需求（粗鋼產(chǎn)能規(guī)劃為 7.38×107 t）。煤成氣制氫耦合 DRI 技術(shù)路徑可生產(chǎn)粗鋼總量為 3.334×107 t，在臨汾市、晉城市等焦?fàn)t煤氣資源相對(duì)不足的地區(qū)作為補(bǔ)充路徑?？稍偕茉粗茪錃怦詈?DRI 可生產(chǎn)粗鋼總量為 1281×108 t。因此，在短期內(nèi)焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 技術(shù)路徑是山西省發(fā)展煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈的適宜選擇，在中長期可采用可再生能源制氫生產(chǎn) DRI。

（二）山西省產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑選擇

山西省各市不同路徑的制氫潛能見圖 7。晉北地區(qū)（大同市、朔州市、忻州市）可再生能源制氫潛能較好，可再生能源以光電、風(fēng)電為主；晉中南地區(qū)（晉城市、臨汾市、長治市等）氫能潛力以煤成氣制氫為主；晉中南地區(qū)（呂梁市、晉中市、臨汾市、長治市、運(yùn)城市）的焦?fàn)t煤氣制氫潛力較大。在全國冶金行業(yè)綠色低碳發(fā)展、鋼鐵行業(yè)控制化石能源消耗的背景下，因煤氣化制氫的能耗與碳排放較大，不推薦煤氣化制氫耦合 DRI 作為主要生產(chǎn)路徑。山西省非常規(guī)天然氣資源豐富，相應(yīng)分布與鋼鐵產(chǎn)業(yè)分布基本吻合，加之非常規(guī)天然氣制氫路線的經(jīng)濟(jì)性、能耗、碳排放優(yōu)于煤氣化制氫，因此非常規(guī)天然氣制氫耦合 DRI 是山西省近期可用的推廣方案。山西省焦化產(chǎn)能高達(dá) 9×107 t，焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量豐富，與鋼鐵產(chǎn)能布局基本吻合，因此焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 路徑可有效解決焦?fàn)t煤氣低值利用問題，是山西省近期 DRI 生產(chǎn)的主要方式。

山西省各市不同路徑的制氫潛能見圖 7。晉北地區(qū)（大同市、朔州市、忻州市）可再生能源制氫潛能較好，可再生能源以光電、風(fēng)電為主；晉中南地區(qū)（晉城市、臨汾市、長治市等）氫能潛力以煤成氣制氫為主；晉中南地區(qū)（呂梁市、晉中市、臨汾市、長治市、運(yùn)城市）的焦?fàn)t煤氣制氫潛力較大。在全國冶金行業(yè)綠色低碳發(fā)展、鋼鐵行業(yè)控制化石能源消耗的背景下，因煤氣化制氫的能耗與碳排放較大，不推薦煤氣化制氫耦合 DRI 作為主要生產(chǎn)路徑。山西省非常規(guī)天然氣資源豐富，相應(yīng)分布與鋼鐵產(chǎn)業(yè)分布基本吻合，加之非常規(guī)天然氣制氫路線的經(jīng)濟(jì)性、能耗、碳排放優(yōu)于煤氣化制氫，因此非常規(guī)天然氣制氫耦合 DRI 是山西省近期可用的推廣方案。山西省焦化產(chǎn)能高達(dá) 9×107 t，焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量豐富，與鋼鐵產(chǎn)能布局基本吻合，因此焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 路徑可有效解決焦?fàn)t煤氣低值利用問題，是山西省近期 DRI 生產(chǎn)的主要方式。

山西省可再生能源裝機(jī)量具有明顯優(yōu)勢(shì)，但與鋼鐵產(chǎn)能分布不匹配，在成本、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫等方面存在技術(shù)瓶頸，開展大規(guī)模應(yīng)用尚有距離。低階煤改性結(jié)焦氣化一體化技術(shù)富氫燃料耦合 DRI 技術(shù)路徑，將焦化行業(yè)和鋼鐵行業(yè)進(jìn)行科學(xué)串聯(lián)，可在解決煉焦煤資源短缺的同時(shí)實(shí)現(xiàn)焦化企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，達(dá)到整體性的節(jié)能減排效果，在山西省部分地區(qū)或企業(yè)中宜率先推廣和示范應(yīng)用。

圖 7 山西省可再生能源分布情況

（三）山西省產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)與布局

1. 發(fā)展目標(biāo)

對(duì)標(biāo)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，山西省能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)亟需加速推進(jìn)。煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈能夠促進(jìn)山西省煤炭、焦化、鋼鐵三大傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，氫能這一新興能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深度融合，高效帶動(dòng)山西省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展、綠色低碳轉(zhuǎn)型。

近期（2021—2035 年）以灰氫煉鋼為主。在焦化集聚區(qū)、鋼焦聯(lián)合企業(yè)或園區(qū)，積極推廣焦?fàn)t煤氣制氫 DRI；在非焦化集聚區(qū)（如晉北地區(qū)），優(yōu)先推廣化石能源耦合可再生能源多能互補(bǔ)制氫DRI；其他區(qū)域穩(wěn)步推廣非常規(guī)天然氣制氫 DRI。立足鋼焦聯(lián)合的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，近期以鋼焦聯(lián)合園區(qū)焦?fàn)t煤氣制氫 DRI 為主，藍(lán)氫耦合綠氫煉鋼逐步實(shí)施項(xiàng)目示范。

中期（2035—2050 年）以灰氫向綠氫煉鋼過渡為主。隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的深入，山西省焦炭產(chǎn)量逐漸降低，而可再生能源發(fā)電比重不斷增加，煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)將形成以化石能源耦合可再生能源多能互補(bǔ)制氫 DRI、非常規(guī)天然氣制氫耦合 DRI 為主的產(chǎn)業(yè)格局。其中，晉北地區(qū)以化石能源耦合可再生能源多能互補(bǔ)制氫 DRI 為主，晉南地區(qū)以非常規(guī)天然氣制氫 DRI、焦?fàn)t煤氣 DRI 并存的格局為主，逐步實(shí)現(xiàn)灰氫煉鋼向綠氫煉鋼轉(zhuǎn)換。

遠(yuǎn)期（2050 年以后）以綠氫煉鋼為主。山西省加速發(fā)展灰氫、藍(lán)氫（非常規(guī)天然氣）煉鋼向綠氫煉鋼轉(zhuǎn)換，到 2060 年，煤 – 焦 – 氫 – 鐵路徑將以可再生能源為主，以帶有 CCUS 的非常規(guī)天然氣制氫技術(shù)為輔，形成以綠氫為主的煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈格局。

2. 產(chǎn)業(yè)布局

山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈布局建議如下：以朔州市為核心區(qū)域的晉北地區(qū)戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地，以太原市、長治市、運(yùn)城市為核心區(qū)域的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)；推進(jìn)“太 – 長 – 運(yùn)”三角發(fā)展布局，打造“1+3” 頂層發(fā)展格局。①晉北地區(qū)以化石能源耦合可再生能源多能互補(bǔ)制氫 DRI 為主，以低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣 DRI 為輔，開展低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣 DRI 項(xiàng)目示范，提高先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用水平。②在焦化集聚區(qū)、鋼焦聯(lián)合企業(yè)或園區(qū)，推廣焦?fàn)t煤氣制氫 DRI。③在瓦斯抽采利用園區(qū)及長治市、晉城市、臨汾市、運(yùn)城市，推廣非常規(guī)天然氣制氫 DRI，優(yōu)先探索煤礦瓦斯 DRI。④晉北三市（忻州、朔州、大同）和陽泉市的鋼鐵企業(yè)較少，可根據(jù)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)開展先進(jìn)技術(shù)研發(fā)示范與儲(chǔ)備，而不作為煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)布局的主要區(qū)域。

“京津冀”周邊地區(qū)協(xié)同發(fā)展的重要內(nèi)容即建設(shè)世界級(jí)的清潔高效綠色低碳高端制造產(chǎn)業(yè)集群，高端制造是鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力。山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，將為“京津冀”周邊地區(qū)高端制造產(chǎn)業(yè)集群提供優(yōu)質(zhì)高端特種鋼原材料，也是推進(jìn)“京津冀”周邊地區(qū)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)同發(fā)展的重要舉措。山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展主要分為以下三個(gè)階段。

在示范項(xiàng)目建設(shè)階段，晉城市優(yōu)先布局非常規(guī)天然氣制氫耦合 DRI 示范項(xiàng)目，運(yùn)城市優(yōu)先布局可再生能源多能耦合制氫 DRI 項(xiàng)目；依托左權(quán)縣焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 示范項(xiàng)目的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，太原市、臨汾市、呂梁市優(yōu)先推廣焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 示范項(xiàng)目；朔州市、長治市開展低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣耦合 DRI 儲(chǔ)備示范項(xiàng)目。非常規(guī)天然氣制氫耦合 DRI、可再生能源多能耦合制氫 DRI、低階煤改性結(jié)焦氣化一體化富氫燃料氣耦合 DRI 等技術(shù)路徑在 2025 年前進(jìn)入項(xiàng)目中試、初期示范試驗(yàn)階段，2030 年前各建成示范項(xiàng)目。

在快速發(fā)展階段，到 2035 年，初步形成以朔州市為核心的晉北地區(qū)儲(chǔ)備基地，以太原市、長治市、運(yùn)城市為核心區(qū)域的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，煤 – 焦 – 氫 – 鐵三角發(fā)展布局初具規(guī)模；在山西省鋼鐵企業(yè)中建設(shè)一批有特色、有市場(chǎng)的煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈項(xiàng)目；山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)規(guī)模（DRI 產(chǎn)量）超過 1×107 t，成為京津冀晉區(qū)域最大的煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)。到 2050 年，“太 – 長 – 運(yùn)” 煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)集群規(guī)模（DRI 產(chǎn)量）達(dá)到 2.5×107 t ，成為國內(nèi)規(guī)模第一。

在穩(wěn)定鞏固期，到2060年，灰氫煉鋼基本退出，綠氫煉鋼蓬勃開展；“太 – 長 – 運(yùn)”煤 – 焦 – 氫 – 鐵三角產(chǎn)業(yè)集群規(guī)模保持穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量顯著提升，代表我國行業(yè)發(fā)展水平。

五、我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展建議

（一）樹立清潔低碳發(fā)展理念，以理念創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)能源革命

完整、準(zhǔn)確、全面地貫徹落實(shí)新發(fā)展理念，對(duì)標(biāo)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)開展能源革命和生態(tài)文明建設(shè)。結(jié)合煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈不同技術(shù)路徑的能源資源轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，統(tǒng)籌能源生產(chǎn)消費(fèi)革命、能源科技革命、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、戰(zhàn)略性低碳清潔產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)；將煤炭清潔高效利用、化解焦化行業(yè)過剩產(chǎn)能、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、鋼鐵行業(yè)減量 / 調(diào)整 / 升級(jí)作為推動(dòng)能源革命的重點(diǎn)內(nèi)容，力求實(shí)現(xiàn)煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈的清潔高效綠色低碳發(fā)展并與國家能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略相銜接，全方位保障生態(tài)文明建設(shè)。

（二）推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展，將能源資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢(shì)

準(zhǔn)確把握清潔低碳的能源發(fā)展態(tài)勢(shì)，制定煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈涉及領(lǐng)域的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，更好落實(shí)煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展戰(zhàn)略。發(fā)揮煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈在連通傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)、融合傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)方面的紐帶作用，促進(jìn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換。作為產(chǎn)業(yè)鏈上游的煤、焦將逐漸減產(chǎn)并弱化，其角色逐步由供氫載體向輔助、儲(chǔ)備過渡；煤 – 焦 –氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)保持必要的動(dòng)態(tài)調(diào)整，著眼長遠(yuǎn)制定灰氫應(yīng)用的過渡與退出機(jī)制。合理延伸煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈條，有效聯(lián)合并協(xié)同推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命涉及的諸多產(chǎn)業(yè)，積極融合碳基 / 碳合成材料、高端鑄造等產(chǎn)業(yè)方向，提高產(chǎn)業(yè)附加值以建立發(fā)展優(yōu)勢(shì)。將氫、鐵作為產(chǎn)業(yè)核心，煤、焦作為產(chǎn)業(yè)助推器，推動(dòng)焦?fàn)t煤氣制氫耦合 DRI 等焦?fàn)t煤氣綜合利用，避免出現(xiàn)為發(fā)展煤 – 焦 – 氫 – 鐵而增加焦化產(chǎn)能的現(xiàn)象。

（三）注重頂層設(shè)計(jì)，制定產(chǎn)業(yè)集群整體發(fā)展規(guī)劃

建議加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)山西、河北、山東等重點(diǎn)省份的煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈集群建設(shè)工作，論證出臺(tái)“我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)集群開發(fā)總體規(guī)劃”。突破行政區(qū)域和關(guān)聯(lián)行業(yè)的界限壁壘，科學(xué)分工并合理安排煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈的上下游產(chǎn)品布局，消除重復(fù)建設(shè)、盲目投資、惡性競(jìng)爭、產(chǎn)能過剩，實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源互補(bǔ)，拓展經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新局面。綜合考慮地理區(qū)位、生產(chǎn)要素、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)等因素，因地制宜推廣多元化的煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)，完善產(chǎn)業(yè)集群規(guī)劃；以鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整為目標(biāo)，以產(chǎn)業(yè)整合協(xié)同為抓手，以技術(shù)創(chuàng)新為關(guān)鍵，合理確定產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)并配置產(chǎn)能，不走“先建設(shè)、后調(diào)整”的老路。

（四）完善政策、科技、人才要素，支撐產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

加強(qiáng)政策引導(dǎo)與支持，科學(xué)構(gòu)建我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展政策體系。在示范項(xiàng)目審批、立項(xiàng)、運(yùn)營等方面，給予必要的政策支持，落實(shí)規(guī)范的審批程序，營造優(yōu)良的新型產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境，形成政府引導(dǎo)、企業(yè)為主、社會(huì)參與的煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)多元化格局。針對(duì)高校、科研院所、企業(yè)的用人特點(diǎn)，優(yōu)化人才培育機(jī)制，合理設(shè)置煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈研究課題；在國家級(jí)科技計(jì)劃（專項(xiàng)）層面積極部署，攻克基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵共性技術(shù)，尤其是“卡脖子”技術(shù)與裝備，搶占技術(shù)制高點(diǎn)并培養(yǎng)優(yōu)秀人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。以企業(yè)為主要平臺(tái)，培養(yǎng)煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)亟需、兼具工程和管理經(jīng)驗(yàn)的復(fù)合型人才，同步開展煤 – 焦 – 氫 – 鐵產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域高端人才引進(jìn)工作。