江苏省钢铁行业协会

21世纪人类社会将迈入氢能社会和碳中和社会，氢能对我国能源结构和消费体系产生革命性影响，而氢冶金是高碳排放的钢铁产业实现低碳绿色化转型升级的有效途径之一。本文在概述国内外氢冶金技术研发现状的基础上，对比研究富氢还原高炉和氢气气基竖炉直接还原两种工艺的碳减排潜力，得出气基竖炉是更适宜开展氢冶金的工艺路线。进而，分析全氢气基竖炉面临的诸多难题，建议当前我国氢冶金应重点发展富氢气基竖炉。

1 前言

为了应对全球变暖，2015年世界主要国家签署《巴黎协定》，我国制定了到2030年和2040年碳排放量相对1990年分别减少40%和60%的中长期碳减排目标。据国际能源署数据，2019年全球与能源相关的二氧化碳排放量约330亿吨，其中近14%是由钢铁工业产生[1-2]。2019年我国钢铁总产量9.96亿吨，占全世界总产量的53.3%，而钢铁产业CO2排放量为22.27亿吨，约占我国碳排放总量的16%，是碳排放量最多的行业之一。钢铁工业是国民经济的基础产业，对支撑其他产业发展、保障国家安全、提升国际地位具有极其重要的作用[3-4]。因此，钢铁工业有效降低碳排放强度成为碳减排计划的重中之重，低碳绿色化是钢铁工业未来发展方向。

在应对全球气候变化和能源转型的背景下，各国都高度重视无碳和低碳能源的开发利用。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，由于具有来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等诸多优点，被多国列入国家能源战略部署。发展氢经济是21世纪世界经济新的竞争领域，中国应当审时度势，把建立取代化石能源的“氢经济”产业革命作为实现新型工业化、实现中国和平发展的重要战略目标[5-6]。将氢气用于钢铁制造的氢冶金工艺为变革性技术，是钢铁产业优化能源结构、工艺流程和产业结构，彻底实现低碳绿色化可持续发展的有效途径之一。为此，1999年徐匡迪院士提出了铁矿氢还原工艺设想，并在2002年再次提出了氢冶金的技术思想[7]。随后，国外冶金界纷纷提出氢冶金的战略规划。2018年干勇院士指出“21世纪是氢时代，氢冶金就是氢代替碳还原生成水，不但没有碳排放，而且反应速度极快”。

当前德国、日本、韩国、瑞典、奥地利等产钢国分别提出了氢冶金项目，研发热点主要有富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原。富氢还原高炉炼铁项目主要有日本COURSE50、德国“以氢代煤”、韩国COOLSTAR、奥钢联H2FUTURE等；氢气竖炉直接还原项目主要有欧盟ULCOS的ULCORED新型竖炉直接还原和氢气竖炉直接还原炼钢技术、瑞典HYBRIT、德国SALCOS、MIDREX H2?等，并且各自提出了不同的碳减排目标，有些甚至是碳近零排放的碳中和冶炼。当前我国钢铁生产以高炉-转炉长流程占绝对主力，绿色发展水平与生态环境需求不匹配已成为钢铁工业面临的主要矛盾。为了实现钢铁产业低碳绿色转型升级，我国高度关注氢冶金前沿技术的研发和应用，中国宝武、河钢和日照钢铁等企业分别提出了氢冶金规划。针对我国的资源和能源供应条件，合理选择适合于我国国情的氢冶金工艺路线对实现钢铁产业低碳绿色、可持续发展至关重要。

本文首先概述了国内外富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原技术的研发现状，然后进行了富氢高炉和氢气气基竖炉两种冶炼工艺碳减排潜力的对比研究，得出气基竖炉是开展氢冶金的主导技术。随后，剖析了发展全氢气基竖炉工艺所涉及的若干制约问题，认为在今后一段时间内我国氢冶金应重点发展富氢气基竖炉，待相关条件成熟后再逐步发展全氢竖炉。

2 国内外氢冶金工艺研发现状

2.1 高炉富氢还原炼铁技术研发现状

2.1.1 日本COURSE50项目的高炉富氢还原炼铁

日本环境和谐型炼铁工艺技术开发项目COURSE50（CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking process by innovative technology for cool Earth50）以“创新的炼铁工艺”为主要研究内容，通过开发高炉富氢还原炼铁技术和高炉炉顶煤气CO2捕集储存技术，将钢铁生产CO2排放减至最小，项目技术路线见图1[8-9]。研发目标是2050年日本钢铁工业吨钢CO2排放量减少30％，届时日本吨钢CO2排放将从1.64吨减到1.15吨。项目研发分为三个阶段：第一阶段（2008~2017年），其中第一步（2008~2013年）进行技术探索、优选，第二步（2013~2017年）进行以小型试验高炉为主体的“氢还原和CO2分离回收技术综合开发”；（2）第二阶段（2017~2030年），开展大型工业化试验，最终确定项目技术；（3）最后阶段（2050年左右），实现技术推广应用和普及。

高炉富氢还原炼铁是利用焦炉煤气或改质焦炉煤气替代部分焦炭，用来还原铁矿石，该向技术的目标是减少10%的碳排放，主要的支撑技术包括富氢还原铁矿石技术、焦炉煤气改质技术和高强度高反应性焦炭生产技术。焦炉煤气改质技术是通过催化裂解将焦炉煤气中的碳氢化合物转变为氢气，改质后的焦炉煤气中的氢气含量可达到60%以上。由于采用富氢煤气作为还原剂，焦比会相应降低，但焦炭还要承担料柱骨架、保障炉内煤气顺畅流动的作用，高强度高反应性焦炭的研发对氢还原炼铁技术起到了重要的支撑作用。

2013年，在瑞典LKAB试验高炉上完成了焦炉煤气喷吹的工业试验，目的是研究和评价使用普通焦炉煤气或改质焦炉煤气置换焦炭和降低还原剂比的潜力。富氢改质焦炉煤气通过炉身下部3个喷吹口喷进高炉，而普通焦炉煤气通过炉缸风口喷吹。研究表明，在炉身喷吹改质焦炉煤气能有效改善炉墙区域的透气性和增加间接还原度。得到了改质焦炉煤气的理想喷吹条件：改质焦炉煤气喷吹量应控制在200 m3/tHM以上，同时喷吹煤气的比例达到20％以上。为了支持氢还原试验，日本在新日铁住金君津厂建成试验高炉（12m3），试验高炉炉身上部安装有喷吹口。2016年4月进行了第一次试验操作，确立了氢还原效果最大化的操作技术，并对COURSE50项目第一阶段的试验技术的有效性进行了验证。结果表明，碳减排结果为9.4%，基本实现预定的碳减排目标。第二阶段将进行扩大试验，逐步模拟4000~5000 m3的实际高炉，同时进行富氢煤气加压喷吹和焦炉煤气改质整体装备研发。该项目计划于2030年在首座高炉实施富氢还原炼铁，2050年实现该技术在日本高炉的推广普及。

▲图1 COURSE50项目技术路线

2.1.2 德国蒂森克虏伯高炉“以氢代煤”炼铁

德国蒂森克虏伯集团与液化空气公司合作，计划到2050年投资100亿欧元，开展“以氢代煤”高炉炼铁项目[10]。“以氢代煤”目的是将H2代替煤作为还原剂，以减少钢铁生产的CO2排放。2019年11月11日，在杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂，H2被喷吹入9号高炉的一个风口（见图2），进行富氢还原炼铁试验，目的是证明喷吹纯氢低碳冶炼技术的可行性和安全性。若进展顺利，计划逐步将H2使用范围扩展到该高炉的全部28个风口。此外，蒂森克虏伯还计划从2022年开始，该地区其他三座高炉都将使用H2代替煤进行冶炼，从而降低钢铁生产CO2排放，降幅可达20%。

▲图2 蒂森克虏伯高炉喷吹氢气试验

2.1.3 韩国氢还原炼铁

韩国政府将氢还原炼铁指定为国家核心产业技术进行开发。早在2009年，韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议，开展核能制氢信息交流和技术研发。2010年5月，POSCO正式开发着手开发超高温反应堆（VHTR）和中小型核能反应堆（SMART）。韩国政府曾计划从2017年到2023年投入1500亿韩元（约合9.15亿元），以官民合作方式研发氢还原炼铁法：第一步：从2025年开始试验炉试运行；第二步：从2030年开始在2座高炉实际投入生产；第三步：到2040年12座高炉投入使用，从而完成氢还原炼铁。从预计投入资金情况来看，从技术研发到在2座高炉上实际投入生产，需要投入8000亿韩元（约合48.78亿元）的资金，可减少1.6%的二氧化碳排放，在12座高炉实际投入生产，预计需要投入4.8万亿韩元（约合292.68亿元）资金，可减少8.7%的二氧化碳排放。

2017年12月开始，韩国正式开始氢还原炼铁COOLSTAR项目[11]。作为一项政府课题，由韩国产业通商资源部主导，韩国政府和民间计划投入898亿韩元用于相关技术开发，其终极目标是减排CO2 15%，同时确保技术经济性。COOLSTAR项目主要包括“以高炉副生煤气制备氢气实现碳减排技术”和“替代型铁原料电炉炼钢技术”两项子课题。项目的第一个子课题由浦项钢铁公司主导，依据欧洲和日本的技术开发经验和今后的发展方向，以利用煤为能源的传统高炉为基础，充分利用“灰氢”，这类氢气主要通过对钢铁厂产生的副产品煤气进行改质精制而成，而非可再生能源产生的“绿氢”，由此实现氢气的大规模生产，并作为高炉和电炉的还原剂；第二个子课题是将氢气作为还原剂生产DRI，逐步替代废钢，由此减少电炉炼钢工序CO2排放，同时提高工序能效，最终目标是向韩国电炉企业全面推广。COOLSTAR项目计划2017~2020年开展实验室规模的技术研发，主要完成基础技术开发；2021~2024年开始中试规模的技术开发，完成中试技术验证，到2024年11月前完成氢还原炼铁工艺的中试开发，并对具有经济性的技术进行扩大规模的试验；2024~2030年完成商业应用的前期准备；2030年以后筛选出真正可行的技术并投入实际应用研究；2050年前后实现商用化应用。

目前，浦项钢铁公司浦项厂已将还原性副产气体作为还原剂进行应用，这类副产气体由发电站供应；现代钢铁公司利用生物质替代煤炭，由此实现炼铁工序CO2减排；浦项工科大学开发了高温固体氧化物电解电池系统，催化还原CO2，并通过间接去除技术，减少尾气中的CO2；延世大学开发的吸附工艺，从焦炉煤气中回收氢气，同时对甲烷进行浓缩；韩国科学技术院从焦炉煤气中生产氢气，并试图通过水蒸气改质工艺研究，扩大氢气的产量；釜庆大学利用炼铁副产煤气，制备高碳、高金属化率的DRI。

2.1.4 中国宝武的核能-制氢-冶金耦合技术

中国宝武的低碳冶金技术路线图[12]见图3。2019年1月15日，中国宝武与中核集团、清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，三方将合作共同打造世界领先的核氢冶金产业联盟。以世界领先的第四代高温气冷堆核电技术为基础，开展超高温气冷堆核能制氢技术的研发，并与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合，依托中国宝武产业发展需求，实现钢铁行业的二氧化碳超低排放和绿色制造。其中核能制氢是将核反应堆与采用先进制氢工艺的制氢厂耦合，进行大规模H2生产。经初步计算，一台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的需求，每年可减排约300万吨二氧化碳，减少能源消费约100万吨标准煤，将有效缓解我国钢铁生产的碳减排压力。

▲图3 中国宝武低碳冶金技术路线图

2.1.5 奥钢联H2FUTURE项目

2017年初，由奥钢联发起的H2FUTURE项目，旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术，降低钢铁生产的CO?排放，最终目标是到2050年减少80%的CO?排放[13-15]。H2FUTURE项目的成员单位包括奥钢联、西门子、Verbund（奥地利领先的电力供应商，欧洲最大的水电商）公司、奥地利电网（APG）公司、奥地利K1-MET中心组等。该项目将建设世界最大的氢还原中试工厂。西门子作为质子交换膜电解槽的技术提供方；Verbund公司作为项目协调方，将利用可再生能源发电，同时提供电网相关服务；奥地利电网公司的主要任务是确保电力平衡供应，保障电网频率稳定；奥地利K1-MET中心组将负责研发钢铁生产过程中氢气可替代碳或碳基能源的工序，定量对比研究电解槽系统与其他方案在钢铁行业应用的技术可行性和经济性，同时研究该项目在欧洲甚至是全球钢铁行业的可复制性和大规模应用的潜力。图4给出了H2FUTURE项目的产业链。

H2FUTURE项目计划在奥地利林茨的奥钢联阿尔卑斯基地建造一个6MW聚合物电解质膜（PEM）电解槽，氢气产量为1200 Nm3/h，目标电解水产氢效率为80%以上。中试装置投入使用后，电解槽将进行为期26个月的示范运行，示范期分为5个中试化和半商业化运行，用于证明PEM电解槽能够从可再生电力中生产绿色氢，并提供电网服务。随后，将在欧盟28国对钢铁行业和其他氢密集型行业进行更大规模的复制性研究。最终，提出政策和监管建议以促进在钢铁和化肥行业的部署。2019年11月11日，计划中的奥地利林茨奥钢联钢厂6 MW电解制氢装置投产，氢能冶金时代正式开启。

▲图4 H2FUTURE项目的氢能产业链

2.2 氢气竖炉直接还原工艺研发现状

2.2.1 欧洲ULCOS项目的新型竖炉直接还原和氢气竖炉直接还原炼钢

ULCOS（Ultra Low CO2 steelmaking）是由15个欧洲国家及48家企业和机构联合发起的超低CO2炼钢项目，旨在实现吨钢CO2排放量降低50%或更多[16-18]。ULCOS项目主推四条工艺路线：炉顶煤气循环氧气高炉工艺TGR-BF、直接还原工艺ULCORED、熔融还原工艺HISARNA、电解铁矿石工艺ULCOWIN/ULCOLYSIS。

ULCORED工艺（见图5）主要采用气基竖炉作为还原反应器，用煤制气或天然气取代传统的还原剂焦炭，并且通过竖炉炉顶煤气循环和预热，减少了天然气消耗，降低工艺成本。此外，天然气部分氧化技术的应用使该工艺不再需要重整设备，大幅降低设备投资。以天然气ULCORED为例，含铁炉料从气基竖炉顶部装入，净化后的竖炉炉顶煤气和天然气混合喷入气基竖炉并还原含铁炉料，而直接还原铁产品从竖炉底部排出，送入电弧炉炼钢。新工艺竖炉炉顶煤气中的CO2可通过CCS技术捕集储存。与欧洲高炉碳排放的均值相比，ULCORED工艺与CCS技术结合，将使CO2排放降低70%。

在ULCORED基础上，ULCOS提出了氢气直接还原炼钢技术（hydrogen-based steelmaking），工艺流程见图6。采用H2作为还原剂，氢气来源于电解水，还原尾气产物只有水，可大幅降低CO2排放量。在该流程中，氢气竖炉直接还原的碳排放几乎为零，若考虑电力产生的碳排放，全流程CO2排放量仅有300 kg/吨钢，与传统高炉-转炉流程1850 kg/吨钢的CO2排放相比减少84%。氢气直接还原炼钢技术促进钢铁产业的可持续发展，但该工艺的未来发展很大程度上取决于氢气大规模、经济、绿色制取与储运。

（a）煤制气ULCORED

（b）天然气ULCORED

▲图5 ULCORED富氢竖炉直接还原工艺

▲图6 ULCOS氢气竖炉直接还原炼钢新工艺

2.2.2 瑞典HYBRIT突破性氢能炼铁项目

2016年4月，瑞典钢铁公司（SSAB）、瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）和瑞典矿业公司（LKAB）联合开展突破性氢能炼铁技术HYBRIT（Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology）项目[19]，核心概念是采用可再生能源发电、电解水制氢、氢气直接还原铁矿石生产直接还原铁，不使用焦炭和煤等化石能源，达到碳减排的目的。项目2016-2017年进行初步可行性研究；2018-2024年进行全面可行性研究，建设中试厂进行试验；2025-2035年，建设示范厂并试运行；在2035年之前拥有一个无碳炼铁解决方案，以氢气气基竖炉-电炉短流程替代传统高炉-转炉流程，届时有望使瑞典CO2排放降低10%，芬兰CO2排放降低7%。

图7给出了HYBRIT新工艺和传统高炉工艺的对比。HYBRIT新工艺的能源主要来自非化石燃料和可再生能源。以氧化球团为原料，采用气基竖炉为还原反应器，还原气是由可再生电力生产的纯氢，还原产物是水。基于瑞典生产数据，以吨钢为计算单位，HYBRIT新工艺二氧化碳排放、可再生能源消耗、化石能源消耗、电力消耗分别为25 kg、560 kWh、42 kWh、3488 kWh，能源消耗总计4090 kWh（含可再生能源560 kWh）。与高炉流程相比，HYBRIT新工艺二氧化碳排放降低1575 kg，降低了98.44%；能源消耗减少1376 kWh，减少了36.19%。

▲图7 HYBRIT新工艺和高炉工艺的对比

2.2.3 德国SALCOS氢气竖炉直接还原技术

2019年4月，德国萨尔茨吉特钢铁公司与Tenova公司签署了谅解备忘录，旨在继续推进以氢气为还原剂炼铁，从而减少二氧化碳排放的SALCOS项目。该项目的设想如图8所示，旨在对钢铁生产工艺进行逐步改造，把以高炉为基础的碳密集型长流程逐步转变为氢气气基竖炉直接还原-电炉短流程，同时实现富余氢气的多用途利用。

▲图8 SALCOS项目工艺设想

萨尔茨吉特于2016年4月正式启动了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，绿色工业制氢）项目[20]，采用固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，于2018年1月完成了系统工业化环境运行，2019年2月，GrInHy1.0项目完成。之后又开展了GrInHy2.0项目，其理念是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气，用水蒸气与绿色再生能源发电，然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产，也可用于钢铁生产的后续工序。

2.2.4 MIDREX H2?工艺

富氢煤气竖炉直接还原技术早在20世纪中叶实现了工业化应用。目前世界上正在运行的以天然气或煤制合成气生产DRI的MIDREX、HYL竖炉达几十座，多数竖炉入炉煤气的氢气含量已达到55%-80%。以MIDREX工艺为例，大多数竖炉入炉还原气的H2和CO含量一般为55%和36%（H2/CO=1.50，摩尔比）；委内瑞拉FMO MIDREX工厂由于使用水蒸气重整技术，H2/CO在3.3-3.8；某些竖炉由于采用煤制气技术获取还原气，H2/CO在0.37-0.38。也即，目前已成功工业化的MIDREX气基竖炉直接还原工艺的还原气H2/CO值为0.37-3.8。在此基础上，发展MIDREX氢气竖炉（MIDREX-H2?）具有可能性。

▲图9 MIDREX-H2?工艺流程

MIDREX H2?工艺是指100%采用氢气作为入炉还原气，技术路线如图9所示[21-22]。将外部生成的氢气引入常规MIDREX生产系统，无需重整装置，利用气体加热装置将氢气加热到所需温度。但为了控制炉温和增碳，实际生产时入炉还原气中的氢气含量约为90%，其他为CO、CO2、H2O和CH4，这些成分是由于采用天然气进行炉温控制和DRI渗碳时引入的。此外，由于竖炉内存在水煤气反应，还原气中的CO2和CO可保持平衡，因此系统内不需要CO2脱除装置。根据计算，生产每吨DRI的氢气消耗量约为550 Nm3，另外还需250 Nm3的H2作为入炉煤气加热炉的燃料。与高炉流程相比，该工艺可将CO2排放量降低80%左右。

2.2.5 我国的气基竖炉直接还原探索和氢冶金项目

与煤基直接还原工艺相比，气基竖炉直接还原因产品纯净、污染物排放少、能耗低、自动化程度高、可大型化等优势，被认为是后高炉时代的首选工艺技术，一直受到我国钢铁界的关注。20世纪70年代，我国自行设计、建设了处理钒钛磁铁矿球团的5m3气基竖炉，试验顺利成功，但因天然气资源问题被迫终止。到70年代后期，在韶钢建成以水煤气为还原气，气基竖炉工业化试验生产线，进行了长达3年的试生产，但因缺乏高品位铁矿石、水煤气制气单机生产能力过小等原因未实现工业化生产。80年代，宝钢开展了BL法煤制气—竖炉生产直接还原铁半工业化试验研究，试验是成功的，但因当时的高品位铁原料及制气成本问题，未能进一步开发。自2005年，辽宁、吉林、内蒙、安徽、山西等地，均有筹建气基竖炉直接还原生产线的规划。目前，中晋太行已经建成年产30万吨DRI的焦炉煤气-竖炉直接还原项目，以干重整焦炉煤气为还原气，目标二氧化碳排放减少28%，计划于2020年9月点火运行。以上关于气基竖炉直接还原工业化试验或工程探索工作，为我国发展气基竖炉直接还原和氢冶金奠定了一定的基础。

2019年11月22日，河钢集团与意大利特诺恩集团签署谅解备忘录，商定双方在氢冶金技术方面开展深入合作，利用世界最先进的制氢和氢还原技术，并联手中冶京诚，共同研发、建设全球首例120万吨规模的氢冶金示范工程，应用于河钢宣钢转型升级项目。项目将从分布式绿色能源、低成本制氢、焦炉煤气净化、气体自重整、氢冶金、成品热送、CO2脱除等全流程进行创新研发，探索出一条钢铁工业发展低碳、甚至“零碳”经济的最佳途径。从改变能源消耗结构入手，彻底解决钢铁生产的环境污染和碳排放问题，从而引领钢铁生产工艺变革。

2020年5月8日，京华日钢控股集团有限公司与中国钢研签订了《年产50万吨氢冶金及高端钢材制造项目合作协议》。本项目以氢冶金全新工艺-装备-品种-用户应用为目标，进行系统性、全链条的创新开发，通过现代化工、冶金联产循环经济的方式，建设具有我国自主知识产权的首台套年产50万吨氢冶金及高端钢材制造产线。

3 富氢还原高炉与富氢气基竖炉的碳减排潜力对比

纵观国内外近年来氢冶金前沿技术的研发热点，主要的工艺路线有富氢还原高炉和气基直接还原竖炉。下面通过对比分析两者的碳减排潜力，分析讨论我国发展氢冶金的适宜工艺路线。

3.1高炉富氢还原炼铁的碳减排潜力

高炉实现富氢还原冶炼的主要途径是喷吹H2和天然气、焦炉煤气等含氢介质。利用多流体高炉数学模型，分别对高炉喷吹H2、天然气、焦炉煤气冶炼进行了数值模拟研究，部分研究结果见图10-图12。

在正常喷煤的高炉喷吹常温H2或富氢气体时，可通过增大鼓风富氧率进行热补偿，以维持稳定的风口回旋区理论燃烧温度和高炉下部良好的热量条件。在同时喷煤的条件下，喷吹富氢气体后，高炉生铁产量增加，焦比和总还原剂比降低，碳排放量减少。模拟研究结果表明，当不同高炉分别喷吹120 Nm3/tHM氢气（煤比不变，氢代焦）、100 Nm3/tHM天然气（氢同时代煤和焦）、50 Nm3/tHM焦炉煤气（煤比不变，氢代焦）时，焦比分别降低12.87%、17.27%、14.53%，高炉碳排放分别降低10.58%、20.84%、8.05%。虽然这些高炉炉容、操作条件和富氢方案不同，贡献的技术经济指标改善幅度也不同，但有一个变化趋势是共同的，也即：随着高炉喷吹富氢气体量的不断增大，炉顶煤气CO利用率增加，但H2利用率逐渐降低。以高炉喷吹H2为例，炉顶煤气气体利用率以及碳排放的变化趋势见图10（b）。当高炉氢气喷吹量由0增至120 Nm3/tHM，炉顶煤气H2利用率由41.30%降至29.26%，昂贵的氢气未得到有效利用。这主要是因为高炉内CO和H2除了参与铁氧化物的间接还原反应之外，主要参与如下三个反应：（1）碳气化溶损反应CO2+C→2CO（ΔHθ 298=165.3 kJ/mol）；（2）水煤气反应H2O+C→CO+H2（ΔHθ 298=124.2 kJ/mol）；（3）水煤气转换反应CO+H2O?CO2+H2（ΔHθ 298= -41.2 kJ/mol）。反应（3）在高炉内属于可逆反应，当反应向右进行时，CO利用增大，H2利用率降低；当反应向左进行时，CO利用降低，H2利用率增大。随着高炉氢气喷吹量的增加，氢参与间接还原反应比例增加，向炉上部上升的煤气流中水蒸气分压增大，而且炉内温度大于1000℃的高温区和软熔带下移，也即中上部中低温区域变大，因此反应（3）将更多地向右进行，导致炉顶煤气H2利用率降低。通过数学模拟计算还发现，当喷吹120 Nm3/tHM H2时，高炉炉顶煤气中近70%的CO2由反应（3）产生，这进一步说明喷吹更多氢气时炉内中上部反应（3）向右进行，这将导致炉顶煤气H2利用率降低，从而影响高炉喷吹H2或富氢气体冶炼的综合经济效益。综合考虑成本效益、增产效益、碳税效益，在同时喷吹煤粉而且炉顶煤气不循环利用的情况下，焦炉煤气的适宜喷吹量为50 Nm3/tHM左右，而天然气的适宜喷吹量为100 Nm3/tHM左右。H2同样也有一个适宜的喷吹量，相关研究正在开展。

综上，高炉喷吹H2或富氢气体有助于增加生铁产量，并在一定程度上实现节焦或节煤，降低碳排放。但由于喷吹H2或富氢气体后，炉顶煤气H2利用率不断降低，喷入的清洁能源H2未能高效利用，而且在炉内掺杂入N2等杂质成分（由于鼓风使炉内煤气含有50%左右的N2），增加了炉顶煤气分离难度，导致顶煤气循环成本高；同时，富氧、H2或富氢气体的成本增加将制约高炉喷吹富氢气体的综合经济效益；另外，由于高炉的冶炼特性，焦炭的骨架作用无法被完全替代，H2喷吹量存在极限值。因此，高炉通过喷吹含氢介质富氢还原实现碳减排的潜力受到限制，一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度可达10%-20%，难以经济地实现更大幅度的碳减排以及碳中和的目标。

▲图10 高炉喷吹H2的还原剂消耗、气体利用率和碳排放

▲图11 高炉喷吹天然气的还原剂消耗、气体利用率和碳排放

▲图12 高炉喷吹焦炉煤气的综合经济效益、气体利用率和碳排放

3.2 富氢气基竖炉-电炉短流程的环境负荷

基于GaBi7.3软件和CML2001方法，对煤制气（入炉煤气中H2 57%，CO 38%，H2/CO=1.5）-富氢气基竖炉-电炉短流程以及常规高炉-转炉长流程进行生命周期评价，对比分析环境影响。选择1吨钢水作为功能单位（FU），长短流程系统边界如图13所示。以30%DRI+70%废钢入电炉冶炼为基准条件，编制生命周期清单。选取资源消耗潜值（ADP）、酸化潜值（AP）、富营养化潜值（EP）、全球变暖潜值（GWP100）、人体健康毒害潜值（HTP）、光化学臭氧合成潜值（POCP）六种影响类型进行生命周期环境影响评价。

▲图13 煤制气-富氢气基竖炉-电炉短流程

（a）和高炉-转炉流程（b）工艺系统边界

长短流程的环境影响单一指标对比见图14。可见，煤制气-气基竖炉短流程免除了高污染、高能耗的烧结、焦化、高炉等工序，ADP、AP、EP、GWP100、HTP和POCP分别是高炉-转炉工艺的75.5%、3.51%、1.53%、50.54%、58.3%和53.19%，具有显著的低环境负荷优势。此外，长流程和短流程吨钢能耗及主要污染物排放对比见图15。可见，煤制气-气基竖炉短流程吨钢能耗仅为263.67 kgce，碳排放量为859.55 kg，相比BF-BOF流程，吨钢能耗、CO2可分别减少60.64%和54.3%。而SO2、NOx和粉尘排放量可减少74.0%、22.7%和15.9%。综合可知，煤制气-气基竖炉-电炉短流程工艺对环境影响更小，可在更大程度上实现CO2减排。若在煤制气-富氢气基竖炉的基础上，进一步发展全氢气基竖炉，碳减排效果将进一步强化。

▲图14 BF-BOF与气基竖炉短流程单一指标对比

▲图15 BF-BOF流程与煤制气-气基竖炉-电炉流程能耗及主要污染物排放对比

综上所述，高炉通过喷吹富氢气体实现碳减排的潜力有限，而气基竖炉短流程大幅降低碳排放和环境负荷，实现节能减排。可见，气基竖炉直接还原更适用于发展氢冶金，甚至实现碳中和炼钢。针对可能的全氢竖炉或富氢竖炉氢冶金工艺，含氢的竖炉炉顶煤气通过净化和循环可实现氢气高效利用（竖炉炉顶煤气无N2等杂质成分掺杂，气体捕集分离难度和循环利用成本远低于高炉），从而降低能耗和生产成本。

4 气基竖炉直接还原使用纯氢还是富氢煤气

4.1 制约全氢气基竖炉的若干问题

目前世界上正在运行的MIDREX和HYL竖炉装置，为了保证加热炉高温合金炉管不被腐蚀、减少铁矿石球团粘结问题的发生，多数竖炉入炉煤气中氢气的含量已达到55%-80%。因此，大型富氢竖炉直接还原铁生产技术早已实现了工业化应用。20世纪80年代西欧工业国家进行了全氢气基竖炉直接还原工业生产的探索实践，使用100% H2大型气基竖炉生产直接还原铁在技术上是可行的，入炉H2量均在3000 Nm3/tDRI以上。国内权威的冶金专家曾在多次会议上强调了氢冶金的诸多好处，但是目前100%纯氢炼铁的技术经济合理性和存在的关键制约问题，仍是需要认真研究和思考的课题。

（1）氢还原的强吸热效应导致全氢竖炉煤气量大幅增加，生产成本上升

纯氢还原竖炉内没有碳源，还原气全为H2，系统内部无法实现热量互补变换和参与反应的物质循环。纯氢竖炉内，发生反应（2）、（3）两个强吸热反应，导致整个氢还原过程的强吸热效应。

因此，在入炉煤气温度不变的条件下，纯氢气还原铁矿石会大量吸热，导致竖炉中散料层内的温度场急剧向凉，延缓了需要消耗大量热量的后续氢气还原氧化铁的化学反应，煤气利用率大幅下降。若要维持预定的生产率，必须增加作为载热体的入炉氢气量（见图16），如炉顶压力0.4 MPa，900℃条件下，全氢竖炉的入炉氢气量至少要达到2201 Nm3/tDRI，才能满足竖炉还原的热量需求；而当入炉还原气H2/CO为2:5时，入炉还原气量仅为1228 Nm3/tDRI。若采用相同的入炉煤气量，纯氢气基竖炉的DRI产量将大幅减少，单位DRI生产成本大幅提高。

▲图16 炉顶压力0.4MPa、900℃条件下气基竖炉入炉还原气需要量

另一方面，对于纯氢竖炉直接还原，为了使生产率不降低，有人提出提高氢气温度而不必提高入炉氢气量。但提高入炉氢气温度需要有效解决如下技术难题，包括：（1）提高氢气的目标加热温度受限于加热炉炉管材质的耐高温氢蚀性能，采用耐更高温度氢蚀的材料必然增加加热炉制造成本；（2）氢气极易泄漏，氢气加热时对加热系统和输送管道的防泄漏能力要求极高，更高的加热温度则会大幅增加系统设备造价和生产安全隐患；（3）由于氢气密度小，逃逸速度快，若需将氢气加热至更高的目标温度，必须控制氢气在加热炉管内流速，将进一步增加加热炉的设计难度。

（2）全氢操作将致使H2还原速率下降

气基竖炉直接还原过程中，在入炉煤气温度一定的条件下，H2还原速度并非随H2含量呈线性增加，这主要是因为H2还原能力受反应器内部温度场的制约。当H2含量不高时，增加H2含量会加快还原进程并达到还原速率的最大值，最大值时的氢含量是该条件下的最佳比例。但是，当H2含量进一步增加后，H2还原铁矿石吸热将使铁矿石床层温度降低，而且这一效应逐渐占据主导地位，铁矿石还原速率将持续受到阻碍。这是移动床中温度场派生效应相互消长的结果。这时，若想提高还原反应的速率和保证产能，必须通过增加入炉H2流量，或者用其他物理方法向床层补充热量保持高温，才能达到氢气快速还原的效果。

（3）全氢操作对气基竖炉设备及操作压力要求高

H2密度小，导致H2进入竖炉就会急剧向炉顶逃逸。与混合气体相比，氢气在炉内的路径、方向迅速改变，使H2不能很好地停留在竖炉下部的高温带完成含铁炉料还原的任务。从理论上讲，采用1 MPa以上的入炉H2压力、H2加热到1000℃以上入炉，产品也可以达到工艺产品的设计指标。鉴于H2是一种极其易燃易爆的气体，竖炉需要高效率长期稳定生产，若让竖炉反应器系统设备在高温、高压极限条件下长期工作，很难保障反应器设备和员工的安全，则不符合冶金工艺设计的目标。

（4）全氢竖炉DRI产品无渗碳，反应活性大

纯H2还原生产的DRI反应活性大。若在竖炉内无渗碳，则极易发生再氧化，钝化特别困难，难以安全储存、运输和使用。而且，全氢无渗碳生产的DRI熔点高，送至电炉炼钢时电耗增加。实际上，炼钢生产不可避免地需要配碳。因此，在竖炉内对DRI进行部分渗碳，除了可以解决DRI再氧化和安全储运等问题以及降低电炉熔炼电耗之外，还有利于电炉不配碳或少配碳，同时提高钢水纯净度。

（5）H2生产成本高，储存困难

制氢方法主要有化石能源制氢、焦化和石化副产尾气制氢、电解水制氢以及光解水制氢等。化石能源制氢是我国的主要制氢方式，虽然技术成熟、成本相对低，但这种方式制氢的同时导致大量碳排放，不利于碳减排，属于灰氢；利用太阳能、风能等可再生能源发电继而电解水制取氢气（电转气）技术立足于未来碳中性，属于绿氢，为当前国内外研发的主导方向，但目前电解水制氢的转化效率有待提高，氢气仍然是成本较高的二次能源（常见制氢工艺成本对比见表1）。据报道，按照2017年底的电力、焦炭价格和二氧化碳排放交易价格，瑞典HYBRIT全氢气基竖炉短流程吨钢成本比高炉流程高20%~30%，其中电解制氢的高成本是主要因素。

储氢技术是氢能利用的关键环节，是限制氢能大规模产业化发展的重要瓶颈，因而成为目前氢能产业化发展的重点和难点之一。目前研究和应用中的氢气储存方式主要包括：高压气态储氢、深冷液化储氢、有机液体储氢、多孔材料及金属合金等物理类固态储氢等。对于氢能的大规模化储存，工业上最可行的只有高压气态储氢和深冷液化储氢技术。采用固态氢化金属等新型储氢材料是氢能安全储运的发展方向，但非磺化膜、高储氢率的储氢材料和新型储氢装置等核心技术仍在开发中。

4.2 发挥富氢气基竖炉的优势

在目前实际生产的MIDREX、HYL、PERED等竖炉中，入炉煤气中除了氢气，还含有35%-20%CO，属于富氢竖炉（H2/CO大于1.5）。因此，反应器内除了反应（1）-（3），还有反应（4）、（5）、（7）3个放热反应在散料层内不同部位同时发生。放热反应与吸热反应同时进行，使得料层内不同部位均在发生热交换，并进行复杂的物质循环变换，大大改善了竖炉内的供热、传热及传质等还原反应热力学、动力学条件。

影响气基竖炉直接还原速率和生产效率的因素有很多，包括入炉还原气的H2/CO比、温度、压力、煤气利用率、铁矿石停留时间、气体传热传质动力学条件、竖炉设计，等等。按照逆流还原竖炉的规律，在安全可靠、稳定顺行、高效节能的操作方针指导下，充分发挥H2高温还原反应速率快、产物纯净的优势，充分利用现有工业化竖炉的成熟设计和生产操作经验，适度改进完善竖炉的关键工艺设备，综合运用和优化选择竖炉还原的各种工艺参数，将富氢竖炉的优势发挥到极致，使竖炉直接还原达到最佳的产能和最低的能耗，预期比使用纯氢竖炉直接还原遇到的困难要小得多，有望达到事半功倍的效果。

因此，考虑到全氢气基竖炉的技术难点和我国能源供应条件，今后一段时间我国氢冶金的发展重点应为富氢气基竖炉直接还原。

5 富氢气基竖炉直接还原-电炉短流程工程示范

2018年4月18日，东北大学与辽宁华信钢铁集团公司签订协议，共建辽宁钢铁共性技术创新中心，筹建年产1万吨DRI和10万吨精品钢的煤制气-富氢气基竖炉-电炉短流程示范工程项目，目标是在氢冶金低碳冶炼、高端精品钢生产、钢铁冶炼短流程等重大工艺和装备技术取得重大突破和形成示范应用。煤制气-富氢气基竖炉直接还原短流程的工艺流程如图17所示。将铁矿物晶体颗粒粗大且可磨的普通磁铁精矿经细磨精选，获得品位70%左右的高品位铁精矿，生产优质高品位氧化球团作为竖炉炉料；利用东北地区储量丰富、廉价的低阶褐煤，通过流化床法煤制气装置制备合成气，经净化处理生成含氢65%-85%的还原气，利用自主设计的富氢煤气加热炉加热至930℃；再通过具有自主知识产权的气基竖炉，生产纯净的DRI，连续热装入新型电炉冶炼，生产高纯净钢，用于高端精品钢生产和重大装备制造。因此，可以说这是一项符合中国国情的、也是国内急需的氢冶金短流程新技术，具有广阔的应用前景和显著的节能减排优势。项目实施和成果转化应用对氢冶金短流程在钢铁行业的推广和实现钢铁产业低碳绿色化创新发展具有重要意义。

▲图17 东北大学-华信钢铁的煤制气-富氢气基竖炉短流程示范工程

6 结论

（1）氢能应用于钢铁冶金是钢铁产业低碳绿色化转型升级的有效途径之一，目前研发热点主要有富氢还原高炉炼铁和氢气气基竖炉直接还原工艺。

（2）高炉通过喷吹含氢介质富氢还原冶炼实现碳减排的潜力受到限制，碳减排幅度可达10%-20%，而气基竖炉直接还原环境负荷小，更适宜氢冶金。

（3）综合考虑纯氢气基竖炉存在吸热效应强、入炉H2气量增大、生产成本升高、H2还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题，再加上目前制氢储氢技术尚待完善和降低成本，认为在今后一段时间我国开展氢冶金的重点应是富氢气基竖炉。

（4）国内钢铁企业和院校应协同开展符合国情的富氢气基竖炉研发和工程示范，推进氢冶金关键技术成熟和产业化应用，助力我国钢铁产业低碳绿色化创新发展。

参考文献：

[1] Tang J, Chu M S, Li F, et al. Development and progress on hydrogen metallurgy[J]. Int. J. Miner. Metall. Mater., 2020, 27(6): 1.

[2] Zhang Q, Li Y, Xu J, et al. Carbon element flow analysis and CO2 emission reduction in iron and steel works [J]. J. Clean. Prod., 2018, 172: 709.

[3] 干勇，仇圣桃. 先进钢铁生产流程进展及先进钢铁材料生产制造技术[J].中国有色金属学报，2004，14（1）：25.

[4] 沙高原，刘颖昊，殷瑞钰，等. 钢铁工业节能与CO2排放的现状及对策分析[J].冶金能源，2008，（1）: 3-5.

[5] 景春梅，何七香，欧训民. 从日韩氢能产业看我国氢能发展[J]. 能源，2019（12）：25.

[6] 张景新，胡红梅. 新能源“风口”下的中国氢经济之路[J]. 新材料产业，2019（02）：40.

[7] 郑少波.氢冶金基础研究及新工艺探索[J]. 中国冶金，2012，22（7）：1.

[8] 张京萍. 拥抱氢经济时代全球氢冶金技术研发亮点纷呈[N]. 世界金属导报，2019-11-26（01）.

[9] 魏侦凯，郭瑞，谢全安. 日本环保炼铁工艺COURSE50新技术[J]. 华北理工大学学报（自然科学版），2018，40（3）：26.

[10] 符冠云，熊华文. 日本、德国、美国氢能发展模式及其启示[J]. 宏观经济管理，2020（06）：84-90.

[11] 日韩钢铁界推进氢还原炼铁工艺技术开发[N]. 世界金属导报，2020-02-04（F01）.

[12] 毛晓明. 宝钢低碳冶炼技术路线[A].第十二届中国钢铁年会炼铁与原料分会场报告[C]. 北京：中国金属学会，2019.

[13] Quader A M, Ahmed S, Dawal S Z, et al. Present needs, recent progress and future trends of energy-efficient ultra-low carbon dioxide Steelmaking (ULCOS) program[J]. Renew. Sust. Energ. Rev., 2016, 55: 537.

[14] Birat J P. 超低CO2炼钢项目与其他减排项目及减排新理念[J]. 世界钢铁，2014，5：22.

[15] 严珺洁. 超低二氧化碳排放炼钢项目的进展与未来[J]. 中国冶金，2017，27（2）：6-11.

[16] Kushnir D, Hansen T, Vogl V, et al. Adopting hydrogen direct reduction for the Swedish steel industry: A technological innovation system (TIS) study[J]. J. Clean. Prod., 2020, 242: 1.

[17] Ranzani da Costa A，Wagner D，Patisson F. Modelling a new, low CO2 emissions, hydrogen steelmaking process[J]. J.Clean. Prod.，2013，46：27-35.

[18] H2future. H2future technology[EB/OL]. https://www.h2future-project.eu/technology/.

[19] Vogl V，?hman M，Nilsson L J. Assessment of hydrogen direct reduction for fossil-free steelmaking[J]. J. Clean. Prod.，2018，203：736-745.

[20] Salzgitter Flachstahl, Linde in steel industry clean hydrogen project[J]. Fuel Cells Bulletin, 2018, 2018(12): 12.

[21] Sohn H Y. Suspension ironmaking technology with greatly reduced energy requirement and CO2 emissions[J]. Steel Times Int.，2007，31(4)：68.

[22] Chevrier V, 钱良丰. MIDREX H2?超低CO2排放炼铁技术及MIDREX过渡到氢经济工艺[A]. 全国冶金还原冶炼新工艺论坛暨2019年非高炉冶炼年会论文集[C]. 保山：中国废钢铁应用协会，2019: 91.

[23] 沈威，杨炜樱. 考虑碳排放的化石能源和电解水制氢成本[J]. 煤气与热力，2020，40（03）：30.

[24] 单彤文，宋鹏飞，李又武，等. 制氢、储运和加注全产业链氢气成本分析[J]. 天然气化工（C1化学与化工），2020，45（01）：85.

[25] 王金兰，赵建炜，李刚，等. 渣油加氢裂化未转化油气化制氢经济性研究[J].炼油技术与工程，2020，50（01）：57-59.