在减少温室气体排放方面，钢铁行业面临巨大挑战。电弧炉作为这一转型过程中的关键设备，其主要优势在于可高效接入绿色能源。然而，电弧炉仍存在多种CO₂排放源，包括辅助燃烧器、喷煤作业和电极消耗等，这些方面不容忽视。在欧盟委员会煤炭与钢铁研究基金（RFCS）资助的“DevH₂forEAF”项目中，研究重点是通过氢气替代天然气，减少辅助燃烧器的二氧化碳排放。尽管氢气燃烧的基本机理已得到较为充分的认识，但在工业电弧炉这一复杂环境中的工程化应用，以及其对钢材性能可能产生的影响，仍有待进一步系统研究。

与天然气相比，氢气作为燃料的核心优势在于可以减少CO₂排放。但在钢铁熔化过程中使用氢气时，一个关键问题是粗钢可能吸收氢气。去除钢中溶解的氢需要通过真空脱气等复杂工艺实现。若钢液在凝固过程中残留氢气，最终产品中可能形成氢致气孔，这一现象被称为氢脆，会对材料的力学性能造成严重影响。

本文研发了一种创新型喷射燃烧器，可使用氧气、天然气以及氢气（氢气最高占比100%）作为燃料。为探究氢气燃烧器对电弧炉运行的影响，对该燃烧器进行了测试。

对研发的喷射燃烧器开展了全面的测试工作。首先在中试规模电弧炉中进行小批量试验，使用功率为50kW的燃烧器；在确认其在工业电弧炉中运行的安全性后，将4MW的燃烧器安装于两座不同的工业电弧炉中。本研究重点分析氢气燃烧器对电弧炉整体运行、废气成分及钢液化学成分的影响。

在中试规模电弧炉中安装了缩小版的燃烧器。试验过程中收集了多种钢样和炉渣样品，以全面分析钢液的化学成分及潜在氢吸收情况，同时安装了大量设备用于测量炉温及废气特性。

本文将呈现两座电弧炉的试验结果。研究重点为氢气燃烧器对废气成分和钢液化学成分的影响。在第一座工业电弧炉中，使用研发的氢气喷射燃烧器进行了20炉试验；在第二座电弧炉中额外进行了13炉试验。为评估试验效果，采用了动态电弧炉工艺模型，以分析将所有燃烧器替换为氢气燃烧器后的潜在影响。工业试验结果验证了该工艺模型中氢气燃烧器的应用可行性。

本节将讨论试验结果：首先详细分析中试规模电弧炉中缩小版燃烧器的试验数据，包括钢液化学成分和废气特性；随后分析两座电弧炉的工业试验结果，探究氢气喷射燃烧器对电弧炉运行的影响。表1列出了所研究电弧炉的关键参数，此外，还结合理论氢溶解度，对所有试验炉次的结果进行了综合分析，进一步评估钢液吸收氢气的可能性。

3.1中试规模电弧炉试验

在将50kW燃烧器安装到中试规模电弧炉之前，进行了自由火焰预试验，以验证燃料气成分从100%天然气到100%氢气范围内的火焰稳定性。结果表明，氢气的加入显著提升了火焰稳定性；所有燃料气成分对应的可见火焰长度均处于同一范围，足以满足中试规模电弧炉的使用需求。

随后，将燃烧器安装在中试规模电弧炉的炉顶，以大倾角朝向废钢和钢液燃烧。尽管该安装方式与工业电弧炉的标准配置不同，但仍可有效评估火焰对钢液表面的影响。由于燃烧器倾斜设置，火焰与钢液表面直接接触（工业配置中火焰通常位于钢液表面上方）。若钢液吸收氢气与氢气燃料的使用相关，则该安装角度可能会增加氢气吸收量，从而更易观察到对运行性能的潜在影响。但炉顶安装方式的缺点是燃烧器火焰与电极及电弧距离过近，无法完全排除火焰与电弧之间的相互干扰，这一问题仅存在于中试规模电弧炉中，工业电弧炉的尺寸更大，燃烧器从炉壁朝向钢液表面，可避免此类相互作用。中试规模电弧炉的燃烧器配置特意最大化了氢-钢相互作用的可能性，从而对氢气吸收进行严苛测试，而这种极端情况在工业环境中不太可能出现。

由于试验次数有限，所有试验中燃烧器均采用100%氢气运行，以模拟钢液吸收氢气的最坏情况。试验测试了两种燃烧器运行场景：在废钢熔化后的平熔池阶段使用燃烧器，以强化钢液吸收氢气（试验1和试验3：T1、T3）；在废钢熔化过程中使用燃烧器，模拟工业电弧炉的典型运行条件（试验2：T2）。

试验重点分析了钢液、炉渣和废气的化学成分，以确保生产的钢材性能稳定。试验过程中收集了多个钢样，对比分析使用氢气燃烧器前后的运行条件；中试规模电弧炉的运行参数在所有试验中保持一致，以保证可比性。所有试验使用的废钢包括铁路枕木螺钉和纯铁屑，因此钢样中铁含量超过99%（图1）。在平熔池阶段运行燃烧器的试验中，分别在燃烧器使用前（探针1：P1）和使用后（探针2：P2）采集钢样，以直接对比氢气燃烧器对钢液化学成分的影响；在熔化阶段使用燃烧器的试验中，仅在运行结束时采集一个钢样。同时测定了钢液中的氢含量，以探究氢气燃烧器对钢液吸氢的影响。分析结果显示，所有样品中的氢含量均处于较低级别（2-5ppm）；在平熔池阶段运行燃烧器的某一试验中（试验1），观察到氢含量显著下降，从4ppm降至2ppm。

图1 钢样分析

废气中的氢含量会影响钢液吸收氢气，因此废气分析是本研究的重要组成部分。图2和图3分别展示了试验1和试验2的废气分析结果，背景表示氢气燃烧器的运行时段。图表右侧显示CO₂和CO的含量，左侧显示H₂和O₂的含量。在第一次试验中（图2），由于运行过程中大部分时间氧气充足，CO生成量极少，且CO可进一步反应生成CO₂；废气中O₂含量的峰值和CO₂含量的谷值与电炉开盖时间相对应。在约150min时燃烧器启动出现问题，导致废气中CO₂含量急剧升高；此外，燃烧器运行期间H₂含量逐渐增加，表明氢气燃烧不完全，燃烧器运行时废气中未检测到O₂，证实了这一假设。由于燃烧器靠近电极安装，燃烧器引入的部分氧气会氧化电极，生成CO和CO₂，导致废气中CO和CO₂含量升高。此外，氢气燃烧会产生水蒸气，但现有废气分析设备无法检测到水蒸气，且湿度测量设备在电弧炉环境中无法正常工作；分析结果仅反映干废气成分，因此燃烧器运行期间的测量值因未考虑水蒸气而存在偏差。电弧炉中存在多种碳源（包括电极、废钢带入的碳，工业规模电弧炉还可能包括天然气燃烧器或喷煤枪等），这也是废气中存在CO和CO₂的原因之一。

图2 试验1废气分析结果

图3 试验2废气分析结果

在第二次试验中（图3），燃烧器在运行初期启动；启动后氢气完全燃烧，废气中未检测到H₂。运行约30min后，随着炉内温度升高，氢气无法完全反应，废气中CO和CO₂含量增加，表明电极氧化加剧。在燃烧器两次运行间隔期间，开盖观察熔化进度；由于尚未完全熔化，再次点燃燃烧器并关闭炉盖。第二次燃烧器运行时观察到与第一次相同的特征；燃烧器停止运行后，废气中仍存在低浓度H₂，这可能是由于氢气燃烧器使用后炉内残留的水蒸气在电弧高温下分解为H₂和O₂所致。

在整个中试试验过程中，电极更换了两次，且中试规模电弧炉中额外使用了一台燃烧器。这表明电极消耗增加，原因是燃烧器靠近电极安装，燃烧器的氧气射流使电极附近氧气充足；此外，试验期间电极呈现强烈的白炽状态，表明电极温度显著高于正常水平，电极温度升高也是电极冷却系统泄漏的原因。温度升高和燃烧器提供的氧气共同加剧了电极氧化生成CO和CO₂，导致废气中CO、CO₂和未完全燃烧的H₂含量增加。这一问题在工业规模电弧炉中不会出现，因为工业电弧炉的燃烧器安装位置与电极保持安全距离。因此，这一现象是中试规模电弧炉试验装置的局限性所致，而非氢气燃烧器技术本身的问题。

除化学成分分析外，还对钢样进行了微观结构观察。结果显示，所有样品均未出现可归因于氢气吸收的气孔；样品中检测到的低氢含量以及微观分析结果表明，使用氢气燃烧器不会影响所生产钢的氢吸收。微观检查未发现气体夹杂物，这一结果在燃烧器用于废钢熔化阶段和平熔池阶段的试验中均一致。

鉴于中试规模电弧炉试验中氢气燃烧器对运行动态和钢质均未产生明显不利影响，预计工业试验中同样不会出现相关问题。

3.2工业试验

中试规模氢气燃烧器试验未对钢质产生不利影响后，将4MW氢气喷射燃烧器安装于两座电弧炉。工业电弧炉中一台喷射燃烧器被替换为创新型氢气喷射燃烧器，并通过氢气拖车供应氢气。在第一座电弧炉进行了20炉试验，其中一台燃烧器（1号燃烧器）使用氢气作为燃料；前两次试验中使用天然气和氢气的混合燃料，未对运行效率和钢质产生不利影响；后续18次试验中使用纯氢气作为燃料。以下分析重点关注燃烧器的CO₂排放，以及氢气替代天然气对CO₂减排的影响，未考虑工艺相关总CO₂排放，因为总排放可能来自电弧炉中多种来源，且与运行模式相关。图4展示了氢气燃烧器试验的CO₂减排概况，其中100%CO₂排放对应的所有燃烧器均使用100%天然气且运行条件相同。1号燃烧器用氢气替代天然气后，该燃烧器的CO₂排放量降低。

图4 第一座电弧炉燃烧器的CO₂减排情况

前两次试验使用天然气和氢气混合燃料，CO₂减排量最小；后续使用纯氢气的试验中，CO₂减排效果更为显著。此外，部分炉次的CO₂减排量高于其他炉次，这在第16和17炉中尤为明显。

为进一步分析不同炉次的CO₂减排潜力，图5对比了第3炉和第16炉的燃烧器功率分配。线条分别表示1号燃烧器的天然气使用量（功率输入）、氢气使用量、电弧炉中其他使用天然气的燃烧器的总功率输入。每个炉次中燃烧器在不同运行模式下工作：加入新废钢料篮后，燃烧器以“燃烧模式”运行，产生长火焰以加速废钢熔化，避免炉壁附近出现“冷区”；平熔池阶段，燃烧器通常以“防喷溅模式”运行，仅产生小火焰以防止炉渣堵塞燃烧器。在第3炉中（燃烧器CO₂减排8.9%），1号燃烧器仅在“燃烧模式”下使用100%氢气，“防喷溅模式”仍使用天然气；而在第16炉中，“燃烧模式”和“防喷溅模式”均使用纯氢气，1号燃烧器未使用天然气；此外，电弧炉中其余燃烧器仅以“防喷溅模式”运行，功率输出和天然气消耗量降低。然而，燃烧器的主要功率输入来自电弧炉中的辅助燃烧器，这凸显了在“防喷溅模式”中使用氢气以及替换所有燃烧器的重要性，这种方式有望完全消除燃烧器运行相关的CO₂排放。

图5 第3炉（左）与第16炉（右）燃烧器的功率分配

在第二座电弧炉中，氢气喷射燃烧器替换了四台燃烧器中的一台（2号燃烧器）。该炉正常生产时燃烧器提供的化学能极少，燃烧器主要以“防喷溅模式”运行。在13次使用氢气作为燃料的试验中，喷射燃烧器的功率在2-4MW之间变化，燃料气中氢气含量为20%-50%（体积分数）。图6展示了使用氢气喷射燃烧器后的CO₂减排效果：燃料气中氢气含量为20%时，燃烧器CO₂排放量可减少约5%；氢气含量为50%时，CO₂排放量最高可减少23%。该图表中未体现不同燃烧器功率的影响，因为数据以百分比形式呈现而非绝对值，燃烧器功率越高，所需燃料气（包括天然气）越多，CO₂排放量也越高。

图6 第二座电弧炉燃烧器的CO₂减排情况

对比特定炉次的运行图表，可更清晰地看出燃烧器使用方式的差异。图7展示了第9炉和第11炉中2号燃烧器及其他燃烧器的天然气和氢气功率分配；两炉试验中燃烧器功率均为4MW，第9炉燃料气中氢气含量为20%（体积分数），第11炉为50%（体积分数）。与第一座电弧炉不同的是，该燃烧器仅在废钢熔化阶段使用；燃烧器停止运行时不消耗任何燃料气，取消了“防喷溅模式”。正如第一座电弧炉的试验所示，燃烧器的“防喷溅模式”是燃烧器CO₂排放的主要来源之一；而第二座电弧炉在燃烧器停止运行时完全关闭燃料供应，已显著降低了整体CO₂排放量。

图7 第9炉（左）与第11炉（右）燃烧器的功率分配

对氢气燃烧器试验期间采集的钢样也进行了溶解氢含量检测。第一座电弧炉的试验期间收集了25个样品，同时分析了常规生产（未使用氢气）的49个钢液样品和17个成品样品；第二座电弧炉的13次氢气试验均采集了样品，并以7个使用100%天然气的喷射燃烧器钢液样品作为对照。

结果如图8所示，使用氢气燃烧器的试验样品中氢含量与未使用氢气的样品处于同一水平：第一座电弧炉使用氢气燃烧器后，钢液中残留氢含量低于2ppm，而常规生产中两个样品的钢液氢含量最高达6ppm；第二座电弧炉中，无论使用氢气燃烧器还是天然气燃烧器，钢液中残留氢含量均较高，原因是样品采集位置不同，第一座电弧炉的样品在精炼后采集，而第二座电弧炉的样品在精炼前采集。

图8 样品中的氢含量水平

综合评估表明，使用氢气燃烧器不会对电弧炉运行产生任何不利影响。

3.3氢溶解度

钢液中氢的溶解度受多种因素影响，包括氢分压、温度、钢液成分以及气-液接触的自由熔池表面面积。文献中记载的纯铁在1600℃、1atmH₂条件下的氢溶解度范围为21.8-27.9ppm。根据前人的研究，铁中溶解氢的含量与氢分压的平方根成正比。在中试试验中，第二次试验的干废气中H₂最高含量为25%（体积分数）；考虑到废气中额外的水分，湿废气中H₂含量将低于25%（体积分数）。最坏情况下，炉内常压下废气中H₂含量为25%（体积分数），则氢分压为0.25atm；根据氢溶解度与氢分压的关系，纯铁在1600℃时的氢溶解度为10.9-14ppm。与中试试验中钢样的氢含量（2-5ppm）相比，实测值远低于理论极限，这表明该运行条件对钢质是安全的。

一般而言，氢溶解度随温度升高而增加，且存在多个变化阶段。试验中的实测温度范围为1527-1560℃，低于文献中1600℃的标准条件，因此理论氢溶解度会进一步降低。电弧炉燃烧器试验中钢液成分接近纯铁，最大限度地减少了合金元素对氢溶解度的影响。通常，钢中的合金元素对氢溶解度的影响各不相同：Al、C、O、P、S、Si和Sn会增加钢液中氢的溶解度，而Cr、Cu、Mn、Ni、Ti和V则会降·低氢溶解度。生产不同钢种时，需考虑各类元素对氢溶解度的影响；对于工业试验，需分析钢液成分以准确预测氢溶解度。

自由熔池表面是钢液从炉内气氛中吸收氢气的主要途径：熔化过程中，钢液与炉内气氛直接接触；随着熔化进行，炉渣层覆盖在钢液表面，可部分阻挡钢液与炉内气氛的接触；但在平熔池阶段，燃烧器和电弧引起的熔池搅动仍会使钢液与炉内气氛接触。

研究结果表明，氢气作为电弧炉炼钢的燃料具有巨大潜力。为此研发的创新型喷射燃烧器在中试和工业试验中均表现出良好的性能，对减少CO₂排放具有重要意义。尽管中试规模电弧炉中出现氢气燃烧不完全的情况，且废气中H₂浓度较高（最高达25%体积分数），但所有钢样中的氢含量均处于较低级别。中试试验中氢气燃烧不完全是由于燃烧器安装位置导致的，燃烧器靠近电极，使电极温度显著高于无燃烧器运行时的温度，且燃烧器增加了电极附近的氧气供应，导致燃烧器的氧气氧化电极并生成CO和CO₂。这一现象与工业试验无关，因为工业电弧炉中燃烧器与电极的距离更远。

工业规模电弧炉的试验结果表明，用氢气替代天然气不会对所生产钢的质量产生不利影响。重要的是，钢中的氢含量保持在较低水平，与正常生产相当，这表明氢吸收是可控的，且不会损害材料完整性。

本研究结果证实了将氢气燃烧器整合到现有电弧炉工艺中的可行性，为钢铁行业更可持续的生产实践具有指导意义。未来的研究应聚焦于大规模氢气供应的经济和基础设施问题，以充分利用该技术实现钢铁生产的深度降碳。