日本首试绿色氢气炼铁，产铁15kg/h中试线投产

日本JFE钢铁公司联合新能源产业技术综合开发机构（NEDO）、山梨县企业局、山梨氢能公司（YHC）、巴商会及卡纳德维亚公司（Kanadevia），于2024年6月29日至7月1日在千叶县东日本制铁所完成日本首例绿色氢气直接还原铁试制，产出约1吨还原铁。该试验依托NEDO资助建设的15kg/h级小型直接氢还原中试装置，使用山梨县米仓山基地通过1.5MW PEM电解槽生产的绿色氢气，验证了低品位铁矿石在纯氢气氛下稳定还原的可行性，标志着日本水素製鉄（氢冶金）技术从实验室迈向工程实证阶段。

此次试制所用绿色氢气来自山梨县米仓山电力储能技术研究基地——该基地由山梨县企业局主导建设，是NEDO‘CO₂零排放氢能社会构建’Power-to-Gas（P2G）项目成果。基地配备卡纳德维亚公司制造的1.5MW质子交换膜（PEM）水电解设备，利用当地可再生电力将水分解为氢气，经压缩后以高压气态形式装入专用运输拖车，运抵千叶制铁所。整个供氢链条实现全环节零碳：制氢端无CO₂排放，运输端采用高压气态而非液氢，规避了-253℃深冷能耗与蒸发损失，更适合中短途区域氢能配送。山梨县地处日本本州中部，风电与水电资源相对丰富，但电网消纳能力有限，P2G系统实质上将富余绿电转化为可储存、可运输的氢能载体，形成‘就地制氢—区域输配—工业直用’闭环。

JFE钢铁在东日本制铁所（千叶地区）建设的直接氢还原中试装置为竖炉结构（shaft furnace），设计产能15kg/h，属小型连续式试验平台。该装置不依赖焦炭或天然气，仅以纯氢为还原剂，在约800–1000℃下将铁矿石（主要成分为Fe₂O₃或Fe₃O₄）中的氧元素脱除，生成金属铁颗粒即还原铁（Direct Reduced Iron, DRI）。与传统高炉相比，该工艺省去焦化、烧结工序，理论上可消除全部过程CO₂排放；与电炉+废钢路线相比，它能处理低品位矿石和非废钢原料，提升资源利用弹性。本次试制确认了反应温度窗口、氢气流速、矿石粒度匹配等关键工艺参数的稳定性，尤其验证了在无碳还原气氛下，铁矿石还原速率与金属化率（metalization rate）达到工业可用水平——这是判断氢还原能否替代高炉的核心指标之一。

该项目隶属NEDO绿色创新基金‘炼铁工艺中氢能应用’专项，执行期为2021至2030财年，由水素製鉄コンソーシアム（GREINS）统筹推进。GREINS由日本制铁、JFE钢铁、神户制钢及金属系材料研发中心（JRCM）于2022年联合成立，旨在整合产学研资源突破氢冶金技术瓶颈。当前阶段聚焦两大方向：一是开发适用于不同品位铁矿石的直接氢还原技术，二是构建低成本、大规模绿色氢气供应体系。山梨‘P2G模型’正是后者的关键落点——其1.5MW电解槽并非孤立设备，而是作为标准化模块，未来可复制至北海道风电富集区或九州光伏集群区，形成区域性绿氢供应网络。对中国供应链企业而言，该模式提示两点：第一，PEM电解槽核心部件如钛基双极板、贵金属催化剂（铂/铱）、全氟磺酸质子交换膜仍高度依赖进口，国内厂商在兆瓦级系统集成与长周期运行稳定性方面尚处追赶阶段；第二，高压氢气运输拖车需满足JIS B8233压力容器标准及日本国土交通省《高压气体保安法》要求，其密封结构、泄压阀响应时间、车载监测系统与国内GB/T 37124标准存在差异，出口需针对性认证。

还原铁作为电炉炼钢的优质原料，其杂质含量（尤其是磷、硫、铜）显著低于废钢，可生产更高品质的汽车板、电工钢等特种钢材。日本钢铁业废钢回收率已超98%，但高端产品对原料纯净度要求持续提高，单纯依赖废钢难以满足。氢基还原铁为此提供新路径，且与日本‘2050碳中和’目标深度绑定：JFE钢铁计划在2035年前确立碳中和技术体系，其中氢直接还原是超革新技术主线之一。值得注意的是，本次试制未采用海外进口绿氢，而是依托本土可再生能源与国产电解设备，凸显日本对氢能供应链自主可控的重视。对中国钢铁厂及工程公司而言，该案例释放明确信号：氢冶金中试线已进入可复制阶段，但关键制约不在反应器本体，而在绿氢成本与稳定供应——当前山梨基地绿氢成本估算约1200–1500日元/kg（约合人民币60–75元/kg），远高于中国西北风光制氢试点项目的30–40元/k平。因此，国内项目若引入类似技术，需优先评估本地绿电资源禀赋与电网接入条件，而非简单采购设备。

此次日本首例绿氢还原铁试制，暴露出一个具体落地障碍：高压氢气运输拖车与中试装置之间的快速接驳与安全联锁系统尚未形成统一接口标准。现场照片显示，操作人员需手动完成多道阀门切换与气密检测，单次换料耗时超过40分钟，制约连续化运行效率。这对国内氢能装备制造商提出明确需求——开发兼容JIS与GB标准的模块化快插接头、集成压力/温度/泄漏实时监测的智能软管组件，以及适配中小规模中试装置的撬装式氢气缓冲罐系统，而非仅聚焦大型化工级储运设施。