趙英杰 ，易群 ，王濤，韓建超，崔陽，劉倩，任忠凱，劉元銘，黃慶學(xué)

（1. 省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；2. 太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024； 3. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024）

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。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9.96×108t，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1×106t，約占世界總產(chǎn)量的0.9% [5]。這表明，我國發(fā)展DRI勢在必行。

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Γ灰再Y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)而針對性提出我國煤–焦–氫–鐵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的對策建議，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

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）。

圖1 主要國家DRI產(chǎn)量分布

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

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1.08×106t，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、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1.032×108t [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)9×107t/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2.73×106t，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3×105t/a、北京密云冶金礦山公司6.2×104t/a等6 條回轉(zhuǎn)窯DRI生產(chǎn)線，總產(chǎn)能近6.0×105t，但不少企業(yè)因市場競爭力、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（1.5×105t/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3×105t/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，工藝成熟、成本較低，但對環(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，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)峤猓筛男詿峤馓颗c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

表3 不同制氫技術(shù)耦合直接還原鐵技術(shù)發(fā)展?jié)摿εc戰(zhàn)略選擇

按照生產(chǎn)噸鋼需要消耗0.4 t DRI計(jì)算，對應(yīng)消耗240 N·m3（21.36 kg）氫氣；結(jié)合電爐煉鋼工藝過程，對不同制氫技術(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。

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

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1.94×1010N·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)勢明顯；全省煤成氣資源總量約為8.31×1012m3（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）

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 3.138×107t/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 5.124×107t/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4×109m3，即DRI生產(chǎn)潛力約為1.25×107t/a。

2019年，山西省粗鋼總產(chǎn)量為6.028×107t，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1×107t，晉中市、呂梁市、晉城市、長治市產(chǎn)量約為3×106~6×106t。山西省焦炭產(chǎn)量為9.696×107t，其中呂梁市產(chǎn)量為2.575×107t，臨汾市、長治市、晉中市、運(yùn)城市產(chǎn)量超過1×107t。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)潛力測算

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?？稍偕茉粗茪漶詈螪RI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7.845×107t，基本滿足現(xiàn)階段山西省對DRI的需求（粗鋼產(chǎn)能規(guī)劃為7.38×107t）。煤成氣制氫耦合DRI技術(shù)路徑可生產(chǎn)粗鋼總量為3.334×107t，在臨汾市、晉城市等焦?fàn)t煤氣資源相對不足的地區(qū)作為補(bǔ)充路徑?？稍偕茉粗茪錃怦詈螪RI可生產(chǎn)粗鋼總量為1281×108t。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)9×107t，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。

圖7 山西省可再生能源分布情況

山西省可再生能源裝機(jī)量具有明顯優(yōu)勢，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。

（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，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1×107t，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 2.5×107t ，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)勢轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢

準(zhǔn)確把握清潔低碳的能源發(fā)展態(tài)勢，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。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。