氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，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。

1 氢冶金工艺研发现状

1.1 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见图1。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。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。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。

1.2 我国的气基竖炉直接还原探索和氢冶金项目

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。

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。

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。

2 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。

2.1 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2-图4。

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120Nm³/tHM氢气（煤比不变，氢代焦）、100Nm³/tHM天然气（氢同时代煤和焦）、50Nm³/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2（b）。当高炉氢气喷吹量由0增至120Nm³/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=165.3kJ/mol）；（2）水煤气反应H2O+C→CO+H2（ΔHθ 298=124.2kJ/mol）；（3）水煤气转换反应CO+H2O↔CO2+H2（ΔHθ 298=-41.2kJ/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1,000℃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120Nm³/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50Nm³/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。

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。

2.2 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H257%，CO38%，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5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。

长短流程的环境影响单一指标对比见图6。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7。可见，煤制气-气基竖炉短流程吨钢能耗仅为263.67kgce，碳排放量为859.55kg，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。

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。

3 气基竖炉直接还原使用纯氢还是富氢煤气

3.1 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3,000Nm³/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。

3.1.1 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8），如炉顶压力0.4MPa，900℃条件下，全氢竖炉的入炉氢气量至少要达到2,201Nm³/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1,228Nm³/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。

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。

3.1.2 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。

3.1.3 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1MPa以上的入炉H2压力、H2加热到1,000℃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。

3.1.4 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。

3.1.5 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，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。

3.2 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）三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。

4 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9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。

5 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。