煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展關鍵技術與戰略思考

一、前言

鋼鐵行業是化石能源消耗密集型行業，相關溫室氣體排放約占世界總排放量的 7% [1]；全球近 75% 的鋼鐵生産采用高爐（煉鐵）、轉爐（煉鋼）工藝，生産過程會向環境排放大量的 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産國與消費國，形成了規模龐大的煤炭、焦化、鋼鐵等能源消耗産業。相關産業為經濟社會發展作出了積極貢獻，但也伴生了環境、生态、能源安全等問題。全面推進能源生産消費革命與生态文明建設，實現能源與環境綠色和諧發展已成為重大任務。

直接還原鐵（DRI）工藝具有低硫、低磷、密度大、熱能高、尺寸規則等特點，生産環境友好，符合清潔化生産的需要；與高爐 – 轉爐工藝相比，采用氣基 DRI– 電爐煉鋼工藝後，生産每噸鋼可減排 CO2 約 0.83 t [2]。然而我國鋼鐵生産以高能耗、高排放的高爐 – 轉爐長流程煉鋼為主（占比高達 90%），電爐煉鋼占比明顯偏低。相應地，我國鋼鐵行業的能源消耗以煤炭和焦炭為主（占比高達 92%），行業煤炭消耗約占我國煤炭消費總量的 18%，碳排放約占全國總量的 15% [3]。我國煤炭、焦化、鋼鐵等行業的長遠發展，必然面臨資源、環境、生态等的約束，特别是随着碳達峰、碳中和目标的提出，鋼鐵行業很難維持當前高爐 – 轉爐煉鋼工藝的市場存量規模。DRI 工藝是我國鋼鐵行業轉型發展的重要方向，應加速發展 DRI– 電爐短流程煉鋼。DRI 産品有害元素含量低、鐵的純度高，在電爐煉鋼時可顯著降低鋼水中的雜質元素，是冶煉優質鋼、特殊鋼的理想純淨鐵料；有利于拓寬潔淨鋼、優質鋼的生産規模，改善鋼鐵産品結構，為高端鑄造、鐵合金、粉末冶金等工業過程提供主要原料。

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行生産，在俄羅斯、伊朗、委内瑞拉等天然氣豐富的國家生産成本很低，具有明顯優勢。在我國，基于“富煤、貧氣、少油”的資源禀賦特征，選擇以煤基氣源代替天然氣作為 DRI 的還原劑，可改善鋼鐵行業的能源供給結構，擺脫對煉焦煤資源短缺的羁絆，實現短流程或緊湊流程（廢鋼 – 電爐煉鋼流程）煉鋼，由此促進鋼鐵工業清潔化生産及可持續發展。廢鋼質量的持續降低是制約電爐煉鋼發展的主要因素，而 DRI 生産的鋼鐵雜質少，使用後産生的廢鋼品質高，将是電爐冶煉純淨鋼的必備鐵源，如相關原料一般是 50%~70% 的廢鋼配加 30%~50% 的 DRI。2019 年，我國粗鋼産量為 9.96×108 t，約占世界總産量的 53.12% [4]；作為短流程或緊湊流程煉鋼的主要原料，DRI 産量僅為 1×106 t，約占世界總産量的 0.9% [5]。這表明，我國發展 DRI 勢在必行。

持續推動高端化、智能化、綠色化、集群化、規範化，是我國鋼鐵行業高質量發展的應有之義。我國焦爐煤氣、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 提供可靠廉價的氫源，構成煤炭、焦化、鋼鐵行業升級轉型的基礎保障。積極發展氣基 DRI 技術，增加鋼鐵新品種（優質鋼、特殊鋼），增強高端冶煉産業的核心競争力；構建新型綠色冶金等新興産業集群及産業鍊，減少關聯行業的能源消耗與碳排放，有利于形成全球綠色鋼鐵行業的中國示範。本文系統梳理國内外DRI技術與産業的發展現狀，剖析我國煤–焦– 氫 – 鐵産業鍊涉及的關鍵技術路徑與發展潛力；以資源大省山西為例，分析煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展的技術路徑選擇，進而針對性提出我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業高質量發展的對策建議，以期為我國乃至其他國家的煤炭、焦化、鋼鐵行業發展提供基礎性參考。

二、直接還原鐵技術的發展現狀

（一）直接還原鐵發展态勢

根據還原劑的不同，DRI 工藝分為氣基 DRI、煤基（固 – 固）DRI 兩大類，相應的經濟 – 技術性能對比見表 1。與傳統高爐煉鐵方法相比，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、單套設備産量、碳排放等方面優勢更為明顯。近年來，世界 DRI 産量增長迅速，主要國家的産量情況見圖 1。印度 DRI 産量居世界首位，因天然氣匮乏并最大限度減少對天然氣的依賴，積極發展以煤基氣源（焦爐煤氣、煤制氣、頁岩氣等）為還原劑的 DRI（産量占比近 1/3）。

表 1  DRI 工藝的設計能力、能耗、碳排放對比 [6~12]

注：帶 * 數據根據生産單位 DRI 消耗合成氣 / 塊煤 / 焦炭估算。

圖 1 主要國家 DRI 産量分布

我國的 DRI 工藝技術研究始于 20 世紀 50 年代， 1992 年實現了 DRI 工藝投産；2010 年 DRI 生産能力達到曆史最高的 1.08×106 t，約占當年世界總産量的 0.15%；DRI 生産規模小、工藝不夠先進，以回轉窯煤基直接還原工藝應用為主；2010 年以來，為加快鋼鐵行業轉型升級、推動鋼鐵行業綠色可持續發展，生産工藝能耗大、污染嚴重的 DRI 工廠相繼關停，全國 DRI 産量下降明顯。2019 年，我國電爐鋼産量為 1.032×108 t [5]，約占我國鋼鐵總産量的 10%（世界相應比例為 27.9%）。

從長遠看，我國廢鋼資源的不斷積蓄（供應增加），短流程新型工藝、低碳冶金、清潔能源等的拓展應用，将為鋼鐵行業的節能低碳注入新動力。為改善鋼鐵産品生産結構與能源消費結構、擺脫焦煤資源對鋼鐵生産發展的制約，發展 DRI 是我國鋼鐵産業轉型升級的重要方向。根據國家行業性規劃，我國還原鐵的需求量高達 9×107 t/a，而目前電爐鋼産量占比過低導緻廢鋼短缺且質量不高，DRI 基本依賴進口；2019 年進口量為 2.73×106 t，可能不利于高端鑄造及行業安全。

（二）我國直接還原鐵産業的具體進展

我國陸續建成了天津鋼管制造有限公司 3×105 t/a、北京密雲冶金礦山公司 6.2×104 t/a 等 6 條回轉窯 DRI 生産線，總産能近 6.0×105 t，但不少企業因市場競争力、生産成本、環境保護等方面存在問題而停産。回轉窯 DRI 法對原燃料的要求苛刻，能耗大（煤耗約 950 kg/t）、投資和運行費用高、穩定運行難度大、生産規模難以擴大（1.5×105 t/座），因此在資源條件适宜的地區、中小規模的 DRI 生産方面可以較好運用，但難以成為 DRI 發展的主體技術。中東地區、印度的 DRI 發展經驗表明，利用氣基豎爐法生産 DRI 是迅速擴大産能的有效途徑。随着我國天然氣資源開發、焦炭行業的改造整合，國内部分地區具備了發展氣基 DRI 的條件；煤制氣（包括焦爐煤氣，以工業氧、水蒸氣為氧化劑的煤制氣，地下煤氣化等）技術為發展煤制氣 – 豎爐直接還原鐵工藝提供了必要條件，氣基豎爐還原鐵将是我國行業發展的重要方向。

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 技術研發并取得突破。山西中晉太行礦業有限公司以焦爐煤氣制合成氣作為還原氣，建設了 DRI 試驗裝置（産能為 3×105 t/a）及其配套裝置（氧化球團裝置、焦爐煤氣制合成氣裝置、豎爐裝置），2020 年年底順利開車運行。該裝置采用了中晉還原鐵（CSDRI）技術方案，涵蓋自主研發的焦爐煤氣制還原氣工藝、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、世界首套以焦爐煤氣為氣源的氣基還原鐵裝置；實現了我國氣基豎爐生産 DRI 的突破，為鋼鐵行業産品結構調整、提高鋼鐵品質探索了新途徑。

三、煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展技術路徑對比分析

氫氣按照制氫來源不同分為藍氫（化石能源制氫）、灰氫（工業副産品制氫）、綠氫（可再生能源制氫）。考慮富氫氣源的差異，結合我國能源供給與消費結構、資源禀賦、煤 / 焦 / 氫 / 鐵産業基礎，煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊的技術路徑主要有 5 條：煤直接氣化制氫耦合還原鐵、焦爐煤氣制氫耦合還原鐵、多能協同互補制氫耦合還原鐵、非常規天然氣制氫耦合還原鐵、低階煤改性結焦氣化一體化富氫燃料氣耦合還原鐵。

（一）不同關鍵技術路徑的特性分析

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方向，煤氣化制氫也是當前我國最主要的制氫方式 [13]，煤氣化生産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、煤氣淨化、CO 變換、氫氣提純、豎爐煉鐵（DRI）等生産環節（見圖 2）。我國發展此類技術路徑具有資源禀賦優勢，工藝成熟、成本較低，但對環境影響較大，存在嚴重的碳排放問題。

圖 2  煤直接氣化制氫耦合還原鐵工藝路線圖

2. 焦爐煤氣制氫耦合還原鐵

焦爐煤氣是焦爐幹餾煤時産生的揮發性氣體，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 %）；從焦爐煤氣中提取氫氣 [14]，作為還原氣體進入豎爐來還原鐵礦石。焦爐煤氣制氫耦合還原鐵工藝流程一般包括焦爐煤氣淨化、氫氣提純、豎爐煉鐵（DRI）等（見圖 3）。此類技術路徑可充分利用焦化行業副産的焦爐煤氣富氫資源優勢，為焦爐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，焦爐煤氣與 DRI 的協同生産，能夠有效提高能源整體利用效率并減少碳排放；但對照長遠期的碳中和目标來看，焦爐煤氣仍存在碳排放問題，焦化産能将逐步削減，使得焦爐煤氣 – 灰氫 DRI 路徑逐步過渡到可再生能源 – 綠氫 DRI 路徑。

圖 3  焦爐煤氣制氫耦合還原鐵工藝路線圖

3. 多能協同互補制氫耦合還原鐵

多能協同互補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産氫能；氫氣作為還原氣體進入豎爐來還原鐵礦石（見圖 4）。可再生能源的不穩定性、電力輸配限制造成“棄能”現象，通過耦合來源穩定、低成本的灰氫或藍氫，實現“棄能”的就地轉換利用，形成低碳、高效、穩定、低成本的氫源供給。此類技術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度，發展潛力大；但存在地區性多種能源資源的空間分布不匹配現象，儲能、多能耦合集成技術尚不成熟，需持續開展技術攻關并實施工程示範。

圖 4  多能協同互補制氫耦合還原鐵工藝路線圖

4. 非常規天然氣制氫耦合還原鐵

非常規天然氣資源主要有煤層氣、頁岩氣、砂岩氣 [15]。相應技術路徑細分為兩種：非常規天然氣經钼基催化制氫氣及苯等副産品 [16]，氫氣經過淨化等過程後直接進入豎爐，生産還原鐵；經水蒸氣重整轉化、變壓吸附等過程得到氫氣，然後進入豎爐生産還原鐵（見圖 5）。在我國，煤炭開采過程中伴生了大量的非常規天然氣，低濃度瓦斯氣體的分離提濃技術是非常規天然氣利用的重要前提，但能耗高、成本高。盡管此類技術路徑有助于減少溫室氣體排放，但非常規天然氣屬于碳基能源，在碳中和目标的約束下，需要考慮非常規天然氣能源利用行業的整體布局優化。

圖 5  非常規天然氣制氫耦合還原鐵工藝路線圖

5. 低階煤改性結焦氣化一體化富氫燃料氣耦合還原鐵

低階煤用于發電，效率低、污染物排放大。開發低階煤改性結焦氣化一體化技術，是滿足冶金、機械、化工等行業的焦炭需求，減輕環境污染的有效途徑。此類技術路徑是對低階煤改性結焦的延伸（見圖 6）：将低階煤洗選獲得精煤，将不粘結的部分精煤與粘結性的煤進行配煤改性，制備具有一定粘結性的改性煤；與原精煤進行配煤高溫熱解，生成改性熱解炭與揮發性氣體；改性熱解炭經氣化後産生的氣化煤氣與富氫的揮發性氣體耦合形成富氫氣體，進入氣基豎爐中還原鐵礦石；另一部分氣化煤氣用于發電或經水煤氣變換制氫還原鐵。我國低階煤炭資源較為豐富，采用相關技術可減少高品質煤炭資源消耗、緩解優質煉焦煤短缺現象，但是碳排放系數依然較高。目前，此類技術路徑處于技術研發到工程示範的過渡階段，待技術成熟後将快速推動焦化 – 鋼鐵行業的融合發展。

圖 6  低階煤改性結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 – 鐵産業鍊技術路徑性能對比分析

在制氫還原鐵的整個生産過程中，鐵礦石價格是影響生産成本最大的因素；以上 5 種技術路徑的最大區别在于制氫方式的差異。①從能耗水平看，多能協同互補制氫的原料基本來源于風、光、生物質等可再生能源，采用電解水或生物質熱解 / 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；焦爐煤氣制氫生産流程簡單，能耗（34.3~139.7 MJ/kg H2）略高于多能協同互補制氫；煤氣化制氫的能耗（200~240 MJ/kg H2）水平最高。②從經濟性看，原料費用或當地基礎能源價格決定了化石能源制氫 / 電解制氫等工藝的氫氣生産成本；焦爐煤氣制氫的成本（0.3~1.5 元 /m3 ）最低；多能協同互補制氫的成本（0.4~5.0 元 /m3 ）浮動較大，這是由可再生能源制氫的不穩定性導緻的。③從溫室氣體減排的角度看，多能協同制氫 [17] 的碳排放量（1.2~2.0 kg CO2eq/kg H2）最小，焦爐煤氣制氫 [18]（11.68~15.8 kg CO2eq/kg H2）、非常規天然氣制氫 [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 – 鐵産業鍊技術路徑的特性分析。在近期，鑒于我國能源轉型發展的迫切性，不推薦采用煤氣化制氫還原鐵技術，建議推廣技術成熟、經濟性良好的焦爐煤氣方案；非常規天然氣制氫還原鐵适宜在資源聚集區局部推廣，以低品質的非常規天然氣利用為主；低階煤改性結焦氣化一體化富氫燃料氣還原鐵的優缺點均較突出，可作為重要儲備技術開展研究與示範。着眼長遠，焦爐煤氣制氫量受限于焦煤 / 焦炭的産能，必然面臨原料産能的瓶頸問題；多能協同互補制氫耦合還原鐵的環境友好特性突出，在實現技術突破後有望後來居上成為供氫還原鐵的主要來源（見表 3）。

表 2  不同制氫技術耦合直接還原鐵技術路徑的特性分析

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

按照生産噸鋼需要消耗 0.4 t DRI 計算，對應消耗 240 N·m3 （21.36 kg）氫氣；結合電爐煉鋼工藝過程，對不同制氫技術耦合 DRI– 電爐生産鋼鐵的綜合性能（能耗、碳排放、經濟性）進行評價（見表 4）[20~24]。從能耗角度看，轉爐煉鋼的能耗普遍高于 DRI 電爐煉鋼；從碳排放角度看，轉爐煉鋼碳排放高于 DRI 電爐煉鋼；從成本角度看，DRI 電爐煉鋼的成本高于轉爐煉鋼。整體而言，DRI 電爐煉鋼更具優勢。

表 4  高爐 – 轉爐技術與電爐煉鋼技術綜合性能對比分析

四、煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展技術路徑案例分析

山西省是全國首個能源革命綜合改革試點地區，資源禀賦和産業基礎具備發展煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業的巨大潛力。煤炭、焦化、鋼鐵三大傳統産業與氫能這一新興能源類型的深度結合，将積極驅動山西省綠色低碳轉型，同時為我國資源型地區高質量發展提供路徑借鑒。

（一）山西省能源資源禀賦與産業發展可行性

山西省制氫氣源豐富（見表 5），可利用的焦爐煤氣約為 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，晉南的運城市等地，風電、水電、光電儲能優勢明顯；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  山西省焦爐煤氣、煤成氣、可再生能源裝機量（2019 年）

注：表中數據來自山西省各地市統計局、《山西省煤成氣增儲上産三年行動計劃（2020—2022 年）》。

按照生産 1 t DRI 消耗 618 N·m3 焦爐煤氣 [26] 來估算，山西省焦爐煤氣可生産 DRI 3.138×107 t/a。可再生電力（運行時間為 6000 h/a）用于電解水制氫，每生産 1 N·m3 的氫氣需消耗 3.5~5 kW·h 電力，每生産 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産 DRI 5.124×107 t/a。每生産 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 生産的煤成氣産量為 4×109 m3 ，即 DRI 生産潛力約為 1.25×107 t/a。

2019 年，山西省粗鋼總産量為 6.028×107 t，産能利用率為 81.7%，集中于晉中、晉南片區（見表 6），其中運城市、太原市、臨汾市産量超過 1×107 t，晉中市、呂梁市、晉城市、長治市産量約為 3×106 ~6×106 t。山西省焦炭産量為 9.696×107 t，其中呂梁市産量為 2.575×107 t，臨汾市、長治市、晉中市、運城市産量超過 1×107 t。焦爐煤氣的産量與焦炭産量成正比，目前山西省的焦爐煤氣主要用于制甲醇，但甲醇市場存在産能過剩情況；富餘的焦爐煤氣用于制氫，在緩解産能過剩問題的同時，可拓寬焦爐煤氣資源化利用的途徑。基于山西省能源發展規劃，在短期内焦爐煤氣可生産氫氣用于 DRI，未來可用于發展氫能。

表 6  山西省粗鋼産量及各類 DRI 生産潛力測算

注：表中數據來自山西省各地市統計局、不同技術路徑原料消耗量計算結果。

山西省焦爐煤氣制氫耦合 DRI 生産與鋼鐵企業空間布局最為匹配，集中在晉中、晉南地區；煤成氣耦合 DRI 生産與鋼鐵企業空間布局基本吻合。可再生能源制氫耦合 DRI 生産與鋼鐵企業呈逆分布，未來的規模化利用需構建氫氣運輸網絡、匹配鋼鐵企業現有格局。按電爐生産噸鋼消耗 40% DRI （一般為 50%~70% 廢鋼、30%~50% DRI [7]）估算，焦爐煤氣制氫耦合 DRI 技術路徑可生産粗鋼總量為 7.845×107 t，基本滿足現階段山西省對 DRI 的需求（粗鋼産能規劃為 7.38×107 t）。煤成氣制氫耦合 DRI 技術路徑可生産粗鋼總量為 3.334×107 t，在臨汾市、晉城市等焦爐煤氣資源相對不足的地區作為補充路徑。可再生能源制氫氣耦合 DRI 可生産粗鋼總量為 1281×108 t。因此，在短期内焦爐煤氣制氫耦合 DRI 技術路徑是山西省發展煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊的适宜選擇，在中長期可采用可再生能源制氫生産 DRI。

（二）山西省産業技術路徑選擇

山西省各市不同路徑的制氫潛能見圖 7。晉北地區（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、風電為主；晉中南地區（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（呂梁市、晉中市、臨汾市、長治市、運城市）的焦爐煤氣制氫潛力較大。在全國冶金行業綠色低碳發展、鋼鐵行業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 作為主要生産路徑。山西省非常規天然氣資源豐富，相應分布與鋼鐵産業分布基本吻合，加之非常規天然氣制氫路線的經濟性、能耗、碳排放優于煤氣化制氫，因此非常規天然氣制氫耦合 DRI 是山西省近期可用的推廣方案。山西省焦化産能高達 9×107 t，焦爐煤氣産量豐富，與鋼鐵産能布局基本吻合，因此焦爐煤氣制氫耦合 DRI 路徑可有效解決焦爐煤氣低值利用問題，是山西省近期 DRI 生産的主要方式。

山西省各市不同路徑的制氫潛能見圖 7。晉北地區（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、風電為主；晉中南地區（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（呂梁市、晉中市、臨汾市、長治市、運城市）的焦爐煤氣制氫潛力較大。在全國冶金行業綠色低碳發展、鋼鐵行業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 作為主要生産路徑。山西省非常規天然氣資源豐富，相應分布與鋼鐵産業分布基本吻合，加之非常規天然氣制氫路線的經濟性、能耗、碳排放優于煤氣化制氫，因此非常規天然氣制氫耦合 DRI 是山西省近期可用的推廣方案。山西省焦化産能高達 9×107 t，焦爐煤氣産量豐富，與鋼鐵産能布局基本吻合，因此焦爐煤氣制氫耦合 DRI 路徑可有效解決焦爐煤氣低值利用問題，是山西省近期 DRI 生産的主要方式。

山西省可再生能源裝機量具有明顯優勢，但與鋼鐵産能分布不匹配，在成本、儲氫、運氫等方面存在技術瓶頸，開展大規模應用尚有距離。低階煤改性結焦氣化一體化技術富氫燃料耦合 DRI 技術路徑，将焦化行業和鋼鐵行業進行科學串聯，可在解決煉焦煤資源短缺的同時實現焦化企業轉型發展，達到整體性的節能減排效果，在山西省部分地區或企業中宜率先推廣和示範應用。

圖 7 山西省可再生能源分布情況

（三）山西省産業發展目标與布局

1. 發展目标

對标碳達峰、碳中和目标，山西省能源結構轉型和産業升級亟需加速推進。煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊能夠促進山西省煤炭、焦化、鋼鐵三大傳統産業，氫能這一新興能源産業進行深度融合，高效帶動山西省戰略新興産業協同發展、綠色低碳轉型。

近期（2021—2035 年）以灰氫煉鋼為主。在焦化集聚區、鋼焦聯合企業或園區，積極推廣焦爐煤氣制氫 DRI；在非焦化集聚區（如晉北地區），優先推廣化石能源耦合可再生能源多能互補制氫DRI；其他區域穩步推廣非常規天然氣制氫 DRI。立足鋼焦聯合的産業發展趨勢，近期以鋼焦聯合園區焦爐煤氣制氫 DRI 為主，藍氫耦合綠氫煉鋼逐步實施項目示範。

中期（2035—2050 年）以灰氫向綠氫煉鋼過渡為主。随着能源結構轉型的深入，山西省焦炭産量逐漸降低，而可再生能源發電比重不斷增加，煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業将形成以化石能源耦合可再生能源多能互補制氫 DRI、非常規天然氣制氫耦合 DRI 為主的産業格局。其中，晉北地區以化石能源耦合可再生能源多能互補制氫 DRI 為主，晉南地區以非常規天然氣制氫 DRI、焦爐煤氣 DRI 并存的格局為主，逐步實現灰氫煉鋼向綠氫煉鋼轉換。

遠期（2050 年以後）以綠氫煉鋼為主。山西省加速發展灰氫、藍氫（非常規天然氣）煉鋼向綠氫煉鋼轉換，到 2060 年，煤 – 焦 – 氫 – 鐵路徑将以可再生能源為主，以帶有 CCUS 的非常規天然氣制氫技術為輔，形成以綠氫為主的煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊格局。

2. 産業布局

山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊布局建議如下：以朔州市為核心區域的晉北地區戰略儲備基地，以太原市、長治市、運城市為核心區域的産業集聚區；推進“太 – 長 – 運”三角發展布局，打造“1+3” 頂層發展格局。①晉北地區以化石能源耦合可再生能源多能互補制氫 DRI 為主，以低階煤改性結焦氣化一體化富氫燃料氣 DRI 為輔，開展低階煤改性結焦氣化一體化富氫燃料氣 DRI 項目示範，提高先進技術和設備應用水平。②在焦化集聚區、鋼焦聯合企業或園區，推廣焦爐煤氣制氫 DRI。③在瓦斯抽采利用園區及長治市、晉城市、臨汾市、運城市，推廣非常規天然氣制氫 DRI，優先探索煤礦瓦斯 DRI。④晉北三市（忻州、朔州、大同）和陽泉市的鋼鐵企業較少，可根據當地産業優勢開展先進技術研發示範與儲備，而不作為煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業布局的主要區域。

“京津冀”周邊地區協同發展的重要内容即建設世界級的清潔高效綠色低碳高端制造産業集群，高端制造是鋼鐵行業轉型升級的核心驅動力。山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展，将為“京津冀”周邊地區高端制造産業集群提供優質高端特種鋼原材料，也是推進“京津冀”周邊地區能源、經濟、環境協同發展的重要舉措。山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展主要分為以下三個階段。

在示範項目建設階段，晉城市優先布局非常規天然氣制氫耦合 DRI 示範項目，運城市優先布局可再生能源多能耦合制氫 DRI 項目；依托左權縣焦爐煤氣制氫耦合 DRI 示範項目的發展經驗，太原市、臨汾市、呂梁市優先推廣焦爐煤氣制氫耦合 DRI 示範項目；朔州市、長治市開展低階煤改性結焦氣化一體化富氫燃料氣耦合 DRI 儲備示範項目。非常規天然氣制氫耦合 DRI、可再生能源多能耦合制氫 DRI、低階煤改性結焦氣化一體化富氫燃料氣耦合 DRI 等技術路徑在 2025 年前進入項目中試、初期示範試驗階段，2030 年前各建成示範項目。

在快速發展階段，到 2035 年，初步形成以朔州市為核心的晉北地區儲備基地，以太原市、長治市、運城市為核心區域的産業集聚區，煤 – 焦 – 氫 – 鐵三角發展布局初具規模；在山西省鋼鐵企業中建設一批有特色、有市場的煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊項目；山西省煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業規模（DRI 産量）超過 1×107 t，成為京津冀晉區域最大的煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業發展區。到 2050 年，“太 – 長 – 運” 煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業集群規模（DRI 産量）達到 2.5×107 t ，成為國内規模第一。

在穩定鞏固期，到2060年，灰氫煉鋼基本退出，綠氫煉鋼蓬勃開展；“太 – 長 – 運”煤 – 焦 – 氫 – 鐵三角産業集群規模保持穩定，産業發展質量顯著提升，代表我國行業發展水平。

五、我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展建議

（一）樹立清潔低碳發展理念，以理念創新驅動能源革命

完整、準确、全面地貫徹落實新發展理念，對标碳達峰、碳中和目标開展能源革命和生态文明建設。結合煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊不同技術路徑的能源資源轉化特點，統籌能源生産消費革命、能源科技革命、産業結構調整、戰略性低碳清潔産業的戰略發展目标；将煤炭清潔高效利用、化解焦化行業過剩産能、氫能産業發展規劃、鋼鐵行業減量 / 調整 / 升級作為推動能源革命的重點内容，力求實現煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊的清潔高效綠色低碳發展并與國家能源轉型戰略相銜接，全方位保障生态文明建設。

（二）推進能源轉型發展，将能源資源優勢轉化為發展優勢

準确把握清潔低碳的能源發展态勢，制定煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊涉及領域的能源轉型戰略，更好落實煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展戰略。發揮煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊在連通傳統産業和新興産業、融合傳統産業與新興産業方面的紐帶作用，促進新舊動能轉換。作為産業鍊上遊的煤、焦将逐漸減産并弱化，其角色逐步由供氫載體向輔助、儲備過渡；煤 – 焦 –氫 – 鐵産業鍊應保持必要的動态調整，着眼長遠制定灰氫應用的過渡與退出機制。合理延伸煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊條，有效聯合并協同推進能源生産與消費革命涉及的諸多産業，積極融合碳基 / 碳合成材料、高端鑄造等産業方向，提高産業附加值以建立發展優勢。将氫、鐵作為産業核心，煤、焦作為産業助推器，推動焦爐煤氣制氫耦合 DRI 等焦爐煤氣綜合利用，避免出現為發展煤 – 焦 – 氫 – 鐵而增加焦化産能的現象。

（三）注重頂層設計，制定産業集群整體發展規劃

建議加強頂層設計，協調山西、河北、山東等重點省份的煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊集群建設工作，論證出台“我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業集群開發總體規劃”。突破行政區域和關聯行業的界限壁壘，科學分工并合理安排煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊的上下遊産品布局，消除重複建設、盲目投資、惡性競争、産能過剩，實現區域資源互補，拓展經濟社會發展新局面。綜合考慮地理區位、生産要素、産業關聯等因素，因地制宜推廣多元化的煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊技術，完善産業集群規劃；以鋼鐵産業調整為目标，以産業整合協同為抓手，以技術創新為關鍵，合理确定産業結構并配置産能，不走“先建設、後調整”的老路。

（四）完善政策、科技、人才要素，支撐産業高質量發展

加強政策引導與支持，科學構建我國煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊發展政策體系。在示範項目審批、立項、運營等方面，給予必要的政策支持，落實規範的審批程序，營造優良的新型産業政策環境，形成政府引導、企業為主、社會參與的煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業多元化格局。針對高校、科研院所、企業的用人特點，優化人才培育機制，合理設置煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊研究課題；在國家級科技計劃（專項）層面積極部署，攻克基礎理論、關鍵共性技術，尤其是“卡脖子”技術與裝備，搶占技術制高點并培養優秀人才和創新團隊。以企業為主要平台，培養煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業亟需、兼具工程和管理經驗的複合型人才，同步開展煤 – 焦 – 氫 – 鐵産業鍊關鍵技術領域高端人才引進工作。