高炉喷吹富氢燃气技术进展-冶金工业出版社

引言

氢能因其清洁低碳、还原速度快、来源广泛和安全可控的特点，逐渐成为全球能源技术创新和产业变革的推动力。氢能是可再生能源，无污染排放，应用前景非常广阔。

钢铁工业是能源资源消耗密集型产业，2020年全球吨钢碳排放强度约为1.89t，碳排放量占全球能源系统排放量的7%左右。已知高炉-转炉长流程吨钢CO₂排放强度约为2.0t，电炉短流程吨钢CO₂排放强度约为0.6t，全球电炉钢产量平均占比在30%左右，高炉-转炉长流程为主的钢铁制造流程，决定了煤焦是钢铁企业的主要能源介质，这也很大程度上是造成钢铁碳排放现状的主要原因。在全球严格的资源和环保政策约束大背景下，尤其在中国“双碳”目标下，高炉炼铁面临着前所未有的环保压力。过去十年间，世界主要产钢国开始致力于开发能够显著降低CO₂排放的突破性低碳冶金技术，其中氢冶金应运而生，以氢代替碳是当前低碳发展、能源变革的重要方向，也是钢铁行业重塑绿色低碳能源结构、高质量发展的重要保障。

高炉富氢冶金技术发展现状

高炉实现富氢还原冶炼的主要途径是喷吹氢气和天然气、焦炉煤气等纯氢或富氢气体。焦炉煤气和天然气的典型组成是H₂和CH₄，以及其他碳氢化合物等，在高炉风口回旋区，CH₄转化为H₂和CO，H₂促进了铁的间接还原反应，降低了铁的直接还原度，从而可降低焦比及煤比。据相关资料和研究，吨铁喷吹天然气100～120Nm³时，铁的直接还原度可降低到23%～30%，从而减少了碳素燃料的消耗量，降低了碳排放。

国内外多家钢铁企业对氢冶金进行了深度布局，尤其是高炉喷吹富氢气体项目大都进入了建设或者试验阶段。

德国蒂森克虏伯纯氢炼铁技术

蒂森克虏伯集团与液化气公司合作，计划到2050年投资100亿欧元开发将氢气大量喷入高炉的氢炼铁技术。2019年11月11日，蒂森克虏伯正式将氢气注入杜伊斯堡厂9号高炉进行氢炼铁试验。氢气通过其中一个风口注入了9号高炉，并计划逐步将氢气的使用范围扩展到9号高炉全部的28个风口。蒂森克虏伯从2022年开始，将该厂其他三座高炉都使用氢气进行钢铁冶炼以降低生产中的CO₂排放，降幅可高达20%。此外，液化气公司将通过其位于莱茵-鲁尔区全长200公里的管道确保稳定的氢气供应。

日本“COURSE50”低碳炼铁项目

2008年日本启动“COURSE50”低碳炼铁项目，其关键核心技术是氢还原炼铁法，即用氢置换部分煤粉和焦炭，以减少高炉CO₂排放，以及使用化学吸收法和物理吸附法将高炉煤气中的CO₂进行分离和回收的技术。项目目标是：使用氢还原炼铁法减排10%，通过从高炉煤气中分离回收CO₂技术减排20%，从而达到整体减排30%的目标。该技术在日本制铁、JFE、神户制钢、日新制钢、新日铁工程公司等5家公司进行实验，预计2030年实现1号机组工业生产，2050年普及到日本国内所有高炉。

宝钢高炉喷吹天然气项目

宝钢股份在宝山基地1号高炉新增一套天然气喷吹系统，2020年9月30日投入运行，10月1日~11月17日进行了复合喷吹生产试验。天然气喷吹量达到60~65Nm³/tHM，固体燃料比由492kg/tFe下降至440kg/tFe，降低10%左右。富氧率5.8%，CO利用率保持49%，H₂利用率43%。

宝钢八钢富氢碳循环试验高炉项目

宝钢八钢正在进行“富氢碳循环试验高炉”的减碳路径试验，目的是通过回用高炉脱碳煤气，减少原燃料消耗，从而降低碳排放。同时，通过使用含氢量较高的燃料，如焦炉煤气、天然气等，用氢能替代一部分碳源作为还原剂。

“富氢碳循环高炉”的低碳冶炼试验分三个阶段：

一阶段工业试验：2020年7月启动后，高炉鼓风含氧量成功突破了传统高炉的极限，鼓风氧含量稳定在35%（富氧14%）。

二阶段试验工程：2021年7月30日工程引入欧冶炉脱除二氧化碳的还原煤气和富氢焦炉煤气，打通煤气循环工艺流程，实现鼓风氧含量50%（富氧29%）的高富氧冶炼目标，燃料比较上个阶段降低70kg/tFe。

三阶段试验工程：将利用还原煤气加热循环技术，最终实现全氧和富氢冶炼。

突破关键技术，助力低碳冶金发展

国内高炉富氢喷吹技术当前还处于探索阶段，某些钢铁企业也在尝试喷吹天然气或焦炉煤气，一方面由于经济性问题，另一方面对于高炉喷吹富氢燃气置换含碳燃料后反应机理、操作技术没有完全掌握，并没有达到理想的效果。

中冶京诚氢冶金项目团队联合中冶焦耐、北京科技大学、辽宁科技大学等单位从基础理论、应用技术、关键装备等方面通过试验研究、数值模拟、扩大试验等手段寻求突破进行关键性技术攻关。

a) 基于Fe-C-H-O体系的能质平衡，通过对理论燃烧温度、直接还原度、鼓风含氧量、炉腹煤气量、煤气利用率、炉顶煤气温度等多因素耦合分析，构建了富氢低碳高炉炼铁流程，确定了不同富氢燃气喷吹条件下的最佳工艺参数。

b) 通过对不同C-H气氛下炉料、燃料和渣铁反应行为的研究，掌握了不同H₂气氛下炉料的软熔特性及炉内软熔带的分布规律，为探索富氢低碳高炉的极限焦比创造条件。

c) 研究了焦炭在富氢高炉环境下的初步溶损性能，为获得富氢低碳高炉所需焦炭的强度、反应性指标等关键参数提供了支撑。

d) 构建了煤枪-气枪-直吹管-风口-回旋区的三维燃烧模型，解析了不同喷吹参数条件下，富氢燃气与煤粉共喷吹的燃烧行为及回旋区热状态，获得了炉缸风口喷吹燃烧强化方法，并为后续研究炉缸活跃性及炉内气流分布调控提供条件。

典型富氢耦合煤气循环低碳高炉炼铁流程

高炉喷吹富氢燃气的碳排放

根据某钢铁企业的数据经初步计算，不考虑炉顶煤气循环和脱除CO₂时，高炉喷吹80Nm³/tHM天然气（氢同时代煤和焦），置换比按0.75考虑（同时考虑理论燃烧温度和炉顶煤气温度的限制），吨铁燃料比降低约60kg，高炉系统CO₂减排8%左右，综合考虑铁前系统CO₂减排6%。

虽然高炉原料条件、操作条件和富氢方式不同，碳减排的数据也略有不同，但总体变化趋势是基本一致的，随着高炉喷吹富氢气体量的增大，置换比逐渐降低，富氢气体的利用率也逐渐降低。由于高炉存在极限焦比，喷吹富氢气体存在适宜的喷吹量，这些要综合考虑高炉的操作条件、经济性等问题，业内普遍认为降碳的比例在5%~15%之间，因此要实现更大幅度的碳减排以及碳中和的目标，必须同时考虑炉顶煤气循环、CO₂脱除、高富氧等因素。

前景展望

氢冶金技术在我国钢铁行业的应用起步较晚，在近几年出现高潮，但仍然存在诸多问题尚未解决，例如高炉喷吹富氢气体比例、氢碳耦合反应机制、高炉操作制度变化规律、低成本富氢气体制取等技术问题。要实现“碳中和”的目标，目前应从喷吹焦炉煤气、煤层气、天然气等富氢燃气着手，逐渐从降低长流程高炉炼铁过程碳排放模式，向短流程气基竖炉氢冶金模式过渡。

随着我国氢能产业的发展，低成本制取“绿氢”、储氢和加氢等关键技术有所突破，氢能大规模使用以及成本的快速下降，将会是我国大规模发展氢冶金工艺的最佳时期。同时，未来碳税标准的实行，将会使得碳冶金的成本提高，而氢冶金的成本相对下降，届时氢冶金会比碳冶金更有竞争力。