氢能煅烧

一、基本概述

氢能煅烧（hydrogen-based Calcination）是一种革新性的工业热加工技术，它将氢气作为主燃料或辅助燃料，替代煤炭、天然气等传统化石燃料，在工业高温窑炉中对矿物原料进行热分解反应。该技术利用氢气燃烧产生的高温环境，使原料发生脱水、分解和矿物相重构等一系列复杂的物理化学反应。

二、分类信息

三、详细解释​

“氢能”是深度脱碳的全球共识技术，尤其对钢铁、水泥等高耗能产业至关重要。传统化石燃料燃烧产生大量二氧化碳，而氢气燃烧的化学方程式为：，产物只有水。氢能煅烧的核心特点是利用氢气高热值（142MJ/kg，约为煤炭的4-7倍）和零碳排放燃烧特性，推动高耗能行业低碳转型。

依据氢气的制备来源与技术路径，氢能煅烧可分为绿氢煅烧与蓝氢煅烧两大技术路线。绿氢煅烧采用可再生能源电解水制氢，全生命周期内可实现近零碳排放；蓝氢煅烧通过化石能源制氢并耦合碳捕获与封存技术（CCS），达成低碳排放目标。

图1 氢能分类

在不同领域的工业应用中，氢能煅烧体现出以下核心优势：

一是具有深度减排潜力。在水泥、冶金等高耗能行业，碳排放主要来自化石燃料煅烧过程，采用氢能煅烧可以减少这部分碳排放。在水泥、钢铁行业，可用绿氢替代焦炭作为还原剂，推动流程转型，助力行业深度脱碳，支撑国家“双碳”目标。

图2 双供氢系统水泥熟料煅烧窑炉工艺流程布置

二是具备工艺兼容性与能效提升优势。氢能煅烧能够与现有工业装备兼容。氢气燃烧火焰温度可达2100℃，比天然气高出170℃，且火焰长度缩短，可有效提升热效率，但氢气火焰辐射较弱，仍需优化燃烧器设计来进一步提升热效率。试验表明，当氢替代率达到一定标准时，窑内热辐射强度增加，有助于提升熟料品质，缩短产业化周期。

三是可实现多领域协同应用。在储能领域，可利用风光弃电（因电网消纳能力不足、系统调节受限或市场机制不完善等原因，被迫放弃部分风力发电和光伏发电）制绿氢，解决间歇性能源消纳问题，提升电网灵活性。

四、应用领域及发展前景

从不同方面看，氢能煅烧技术均体现出显著应用价值和潜力。

第一，从技术演进和产业渗透看，氢能煅烧技术在水泥行业、钢铁冶金领域、建筑供热系统等多领域有显著应用潜力。

第二，从综合效益评估，氢能煅烧技术对高碳排放工业减排效果显著，可改善区域空气质量，为实现《巴黎协定》温控目标提供技术支持。

第三，在国际贸易方面，该技术可降低欧盟碳边境调节机制（CBAM）对国内产业的冲击，催生万亿级氢能装备制造市场，增强国家产业竞争力。

第四，在能源安全方面，构建“风光发电-绿氢制备-工业应用”闭环能源体系，可降低对进口化石能源的依赖，强化国家能源自主可控能力。

中国政府高度重视氢能煅烧技术发展。2022年2月，国家发展和改革委员会发布的《水泥行业节能降碳改造升级实施指南》明确提出需加快研发该技术。2022年11月，工业和信息化部等四部门联合发布的《建材行业碳达峰实施方案》（工信部联原〔2022〕149号）也明确要求研发氢能煅烧技术。

当前，氢能煅烧技术已完成从实验室研究到工程示范的跨越，在水泥熟料煅烧、钢铁直接还原等应用场景中，其碳减排效果已经得到工程验证。

受制于绿氢制备成本、耐高温抗氢脆材料耐久性，以及氢储运加注基础设施等关键瓶颈，大规模商业化应用仍面临挑战。但随着政策激励机制的不断完善，以及全产业链协同创新的深化推进，预计在2030年前，氢能煅烧技术将实现规模化应用，为全球高耗能产业的低碳转型提供具有中国特色的技术解决方案。

目前，与氢能煅烧相关的产业链布局正逐步完善。在上游制氢环节，电解水制氢项目已在全国大规模规划建设。截至2024年底，全国各地累计规划超600个，主要集中在西北和华北地区。在中游储运环节，虽仍面临挑战，但企业与科研机构积极探索高压气态、固态储氢等技术，部分项目已取得阶段性成果。在下游应用领域，工业窑炉改造、燃烧器设计等相关企业不断加大研发投入，以适配氢能燃烧特性，促进氢能煅烧技术在各行业落地。

未来，氢能煅烧可从多方面开展技术创新:

第一，在降低制氢成本方面，可结合风力、太阳能发电与电解水制氢，充分利用自然能源，同时研发不依赖贵金属的新型催化剂，使氢气制备更经济。

第二，在技术融合方面，推进氢能与碳捕集技术结合，在水泥生产中用氢气替代传统燃料减少碳排放，并通过碳捕获与封存（CCS）收集剩余二氧化碳，实现近乎零排放，提升环保效益。值得注意的是，目前CCS能耗约占工厂总能耗15%–25%，需统筹优化能效。

第三，在提升材料性能方面，针对氢脆和高温对材料影响的问题，科学家将优化管道和耐火材料，使其更抗“氢腐蚀”、耐高温，保障生产稳定，为氢能煅烧技术广泛应用奠定基础。

五、绿色应用难点​

目前，氢能煅烧技术的广泛应用还面临诸多挑战。

第一，在经济性方面，绿氢制取成本高于传统化石能源，尤其是电解槽里的一些关键材料，如质子交换膜（PEM）技术所需的铂催化剂，成本居高不下。

第二，在氢气储存和运输方面，高压气态储氢常用20MPa的高压，对安全性要求极高，而固态储氢技术尚未成熟，这也使得成本难以降低。

第三，在材料与装备适配性方面：氢气易引发“氢脆”问题，氢原子钻进金属会削弱金属结构强度，因此需要研发抗氢脆的新材料，如Ni-Mo合金（镍钼合金），或采用陶瓷涂层或复合材料缓解氢脆。此外，氢气燃烧时火焰辐射弱、流速快，与传统燃料燃烧差别大，这意味着水泥回转窑、玻璃熔窑等工业窑炉的传热结构和燃烧器需要针对性设计和改造。另外，氢能煅烧的基础设施建设相对滞后，加氢站数量少，输氢管网覆盖范围小，跨区域的氢气储运网络几乎未成型，不利于大量运输氢气。

第四，相关技术标准在行业内尚未统一规范，安全操作标准和规范也有待完善，这些问题也亟待解决。

本词条贡献者：

吴吉明 中国工程师联合体学术委员会委员、中国土木工程学会科普专家委员会特邀专家，北京土木建筑学会常务副秘书长，高级工程师

本词条审核专家：

刘 东 中冶京诚工程技术有限公司首席专家，教授级高工，亚太工程组织联合会青委，北京工程师学会青委

董文钧 北京科技大学材料科学与工程学院教授

参考来源：

[1]国家发展和改革委员会.《水泥行业节能降碳改造升级实施指南》.2022.

[2]中华人民共和国工业和信息化部，国家发展和改革委员会，生态环境部，住房和城乡建设部.《建材行业碳达峰实施方案》（工信部联原〔2022〕149号）.2022.

[3]《中国氢能技术发展研究报告2024》（中国产业发展促进会氢能分会联合30余家氢能产业龙头企业和科研院校共同编写）

[4]汪澜.绿氢煅烧水泥熟料关键技术初探[J].中国水泥,2022(04)：46-48.

[5]Taylor Energy Syngas Process[EB/OL]．Sustainable Energy Research & Development，[2025-07-03]. https://taylorenergy.org/fischer-tropsch-alliance/

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