昆钢科技. Kungang Keji 20215
20212
林安川1朱羽2赵红全2
（1.武钢集团昆明钢铁股份有限公司技术中心；2.昆钢科技创新中心） 摘要据国内外相关钢铁流程专业技术文献资料，概述高炉一转炉传统流程和近年来 国内外非高炉一电炉短流程的科研、技术开发及工业生产应用状况。氢能是一种绿、
高效、清洁的新能源，相关研究资料表明，无论是将氢能应用于传统长流程还是非高炉
工艺流程，氢冶金在过程优化、节能减排、生产效率、指标提升方面均表现了显著的优势。本文重点概述了氢冶金的分类及特（，一定程度上为钢铁企业即将或正在实施钢铁新流程在技术选择、方向上提供了较为全面的借鉴。 关键词钢铁传统流程非高炉工艺氢冶金
1概述
熔融还原工艺属于高温冶金流程，生产工艺存在反应热高、配碳高、热效率低（典型熔融还原高温还原废烟气带走热量约50%，综合热利用效率＜30%）、冶炼控制难度大（如HOmeSt工艺还原、熔化分别需要还原、氧化气氛）、预还原竖炉吨铁耗气量高、金属化率低（50~70%居多）等不足。这集中表现为目前开发、应用的各种熔融还原炼铁一次煤耗太高，整体上难以超越现代高炉炼铁流程。此外，高温粉尘会自发的黏壁，影响换热；金属化球团、粉体膨胀粉化引起的结圈黏结、堵塞或及离开反应器（HOmelt、转底炉）的高温烟尘利用都是设备长期稳定运行的不确定因素因此，开发低能耗、环境负荷轻的低成本绿钢铁冶炼新工艺、新流程、新技术得到越来越多的关注和研究⑷。在炼铁领域，用氢作为还原剂得到生铁的氢冶金工艺是一种根本上实现低能耗、低碳（甚至无碳）排放的冶金新技术。中国钢铁行业引领者一中国宝武拟大规模投入绿创新资源，组建低碳冶金创新研究中丿卜⑸。2019年1月，中国宝武与清华大学、中核集团签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，宣告了正式开展技术、规模、效益全方位引领的全球钢铁业引领者的具体实践。随着近日中国宝武低碳冶金创新中心富氢冶金示范线的顺利投入运行，标志着中国正式拉开了氢冶金进程序幕[6]o本文重点概述了氢冶金的背景、特点及分类应用。 夜光标牌
2氢能开发利用的国内外背景
氢燃烧的热值为汽油的3倍，液化石油气的2.5倍，氢燃烧生成水，生产过程不产生污染并且燃烧产物（HO）可实现循环利用，是一种高燃烧价值、绿、清洁、高效的新能源’3〕。《巴黎协定》要求：在1990年碳排放基础上，到2030年、2040年需完成减排40%、60%目标。作为空
-40-昆钢科技2021年第2期气质量影响主源之一的钢铁工业流程（尤其是炼
铁工序）需要从碳输入层面实现大幅度降低碳
（甚至无碳）排放量、提高能量利用的研究及其应
用成为重要途径。瑞典钢铁公司（SSAB）、德国萨
尔茨吉特公司（Salzgitter）（奥钢联（Voestalpine）等欧洲钢铁企业分别提出HYBRIT、SALCOS、H2Future等项目，作出利用氢能取代碳还原炼铁的冶金新工艺的有益探索⑼（图1~3）。HYBRIT 项目：清洁能源发电*电解水产氢*高炉流程（用氢气取代煤和焦炭）。结合电解水产氢*直接还原铁工艺*直接还原海绵铁（排放水及多余氢气）一电弧炉冶炼；SALCOS项目：绿电力一电解制氢（+天然气）*炼铁工艺（氢替代碳，高炉流程逐步转化为DRI流程）*炼钢（炼钢流程逐步转化为EAF流程）；H2Future项目：采用研发突破性的H替代焦炭冶炼技术实现氢气直接还原铁工艺，并将氢气应用于钢铁生产流程中的的退火炉等其他环节，实现到2050年减少80%碳排放的最终目标⑼。
河道生态护坡
图1传统工艺和HYBRIT工艺流程比较⑼图2萨尔茨吉特氢利用流程与传统工艺流程'9（
图3奥钢联H2Future项目流程构想'9（
结合我国钢铁工业技术发展和碳排放现状，兼顾钢铁工业流程资源配置、环境影响、能源利用、经济性等要素，中国中冶赛迪公司提岀了以“氢能制备*氢能冶炼*碳捕集利用技术（CCUS）”为主线，通过低碳富氢高炉喷吹、氢基竖炉直接还原、基于高效预还原的氢基熔融还原等三大创新技术路线实现我国绿低碳氢冶金的技术方案[10]（4），：2030，氢低碳高炉实现减少碳排放$35%，氢基竖炉直接还原实现减少碳排放$60%；再进一步通过CCUS技术初步实现零碳冶炼。目前，已联合有关高校、钢企就高炉喷吹氢气炉内行为机制及氢基竖炉、氢冶金从冶炼基础理论到关键工艺、核心装备的成套技术研发。
图4中冶赛迪氢冶金技术路线图[10]
CCTS
转炉底吹CO
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保沪'（
化工合成（甲醇等）
城市.农业
生物质固碳徐匡迪院士⑴指岀，钢铁冶炼流程要真正实现低碳、高效，必须改变以碳为主要载体的铁冶金过程。目前世界各国钢铁工业发展的主要应对举措应为高炉一转炉长流程持续节能减排+逐步扩大以电炉炼钢为核心的短流程。同时结合开展高炉炉气循环、部分以氢能源替代碳还原技术的研发，利用富含h+co气体的焦炉煤气重整后从高炉炉身喷入促进间接还原，进一步降低碳排放10~20%；在核能（可再生能源）成为一次能源主流前以加强氢冶金的理论基础研究和前瞻性布局为研究重
20212钢铁工艺流程概述及发展方向初探（下篇）-41-点。以减少碳排放为目标，传统高炉、非高炉炼铁
流程工艺路线选择的共同融合点是提高氢气的应用
比例。包括：含氢物质（焦炉煤气重整、天然气）
喷吹的低碳高炉前沿技术；氢基竖炉直接还原制备
高级洁净钢、基于氢冶金的熔融还原直接炼钢等减
排低碳的非高炉炼铁技术［11］o朱仁良-12.认为，围
绕氢冶金技术路线及目标开展富氢（纯氢）冶炼
相关研究应实行低碳冶金、零碳排放冶金、无碳冶
金三步走战略：第1阶段为“高温堆制氢+高炉
富氢冶炼+核电取代燃煤自备电站”技术路线；
第2阶段为“1阶段技术路线+冶金气加氢制化工
原料”技术路线，即在1阶段基础上结合煤化工
技术，将排放气转化为化工原料实现零碳排放；第
3阶段为“高温堆制氢+纯氢还原气基竖炉+核电
+电炉炼钢”，完全摆脱对煤、天然气等化石燃料
的依赖，实现无碳冶金。
natr-241
与国外同行相比，数据表明，我国宝钢高炉在
焦比、燃料比、煤气利用率等主要能耗指标方面已
经处于领先地位，高炉有效热量利用率（KT）已
达93.5%，由于不能利用炉顶煤气带走的4.6GJ
化学能，吨铁碳素消耗很难再进一步降低；同时,
因原燃料条件限制，高炉难以继续大型化和显著提
高生产率。在分析业界主流技术方向并结合未来发
展需要的基础上，以实现减碳15%的目标，宝钢
正围绕实现第1阶段目标开展研发。同时也在开展
第二、第三阶段的预研究，设想的核氢冶金技术耦
合的总体技术路线如图6所示［12］。
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图5宝钢高炉主要指标比对［12］
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工位管理系统
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图6核氢冶金技术路线设想［12］
13炉
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3氢能利用、氢冶金的分类及特（
氢冶金通常是指利用氢作为还原剂部分（全部）代替碳还原剂，减少C02排放，实现钢铁工
业可持续发展的冶金新工艺［13］，包括利用氢气生
产海绵铁的气基直接还原工艺或其它富氢冶金技
，氢冶金技术有：烧结喷吹含氢技
；高炉喷吹焦炉、天然、和轮胎
；炉制气（）生产DRI
［14］
'即含应用氢氢还原（U 含量不应低于55%）将铁矿石中各类氧化铁还原
为金属铁的冶炼过程。煤还原铁矿过程由于使用高
挥发份产生的部分氢气，归氢冶金。
3.1氢能（富氢燃料）在高炉流程的应用
在高炉一炼钢流程，炼铁工作者通过各种技术措施，尽可能减少过程的燃料比（焦比+喷煤、
喷油比），我国宝钢的燃料比已经＜495kg/tFe
（429.892kg（C）/tFe）（图5），已接近理论计算
最低碳比（414kg（C）/tFe）。尽管如此，高炉碳
排放量仍达约1-5t（CO2）/tFe，全流程钢铁生产
总的碳排放量仍可达2.0~ 2.5t（CO2）/t
（钢）-12〕。这也表明采用氢冶金的迫切性。
2000，金工即开氢能源的应用并提出应用焦炉量产制氢还原气的
正确切入点。同时，国外制订的氢还原研究内容和
目标包括：焦炉煤气重整及还原气喷入风口反应行
为研究；铁矿石用U+C0还原气进行高温还原的
研究及其应用技术经济评价；铁氢还原的动力学研究及高炉内焦炭和氢反应研究。研
究中进行了200m3/t重整后焦炉煤气从高炉炉身
usb存储器及风口喷吹还原的模拟计算（图7）
及模型试验验
・42・昆钢科技2021年第2期
证。 明，从炉身喷吹效 ，燃料比可从
588 kg/t 降至486 kg/t ⑴。韩国浦项研究院分别进 行了不同氢气浓度（H : 0 ~ 100 % $还原氧化球 团反应常数测定和
还原FeO1. 05样本的时间
比较等试验研究，结果均表明H 的有无、浓度大
小对还原速度、还原时间有显
（图8 ~图
9）
[1]0
2019年11月，德国蒂森克虏伯公司在全球
首次将氢 入杜伊斯堡厂9号高炉， 启动以
氢代煤炼铁试验，预计在2022年完全使用氢气后
降低碳排放20 % [15] o
■利用
H ：还原铁矿石技术丿I ：发
•基于高H.
操作的已往知识冋顾、课题整理 和减碳效果实绩的定量化
•根据热宰衡模型.开发使用重整 后焦炉煤气时的操作设计模型
•提示预热煤气喷吹条件.
抑制比促进还原而引起的 还原粉化增加
・H，共存下风口冋旋区的
燃烧模拟
*翳關製蠶龍贏
•明确重整后焦 炉煤气喷吹方 法的最佳条件
.模型蹿
.模拟
•钢铁厂内能蜀.CO,
平衡的评价
焦石定
•对应重整后焦炉煤气喷吹. 开发高强度反应性焦炭
孔令兵、郭培民等
-16.
对高炉喷吹氢气入炉后
其在炉内各个区域的还原行为进行了研究。其过程 为：从风口喷入的氢气在吸收热量后随着煤气流升
至炉内1 000 Y 以上区域时，将热量传给物料并还 原氧化铁；另一方面可在低于水煤气反应平衡温度 时催化焦炭与多价氧化铁的还原反应。综合看，氢
气在风口高温区吸收的热量，可以通过上部炉料间
接还原的增加及氢气释放的热量得到补偿，其节碳
效果近似为△C =0.287 +0. 137 V （V ：吨铁氢量
m 3/t ）；东北大学唐珏、储满生等-17.进行了基于梅
钢原燃料条件下利用富余焦炉煤气进行高炉风口喷
吹的数值模拟研究，结果表明，与未喷吹焦炉煤气
比， 喷吹 高炉炉 还原 和炉 炉 还原
速度明显加快，效果反映为：焦比降低14. 43 %，
碳排放减少& 61 % ；毕传光等
-18.
在用多流体高炉
学模 对 钢原 件 高炉喷吹 炉
行数值模拟研究，并在此基础上分析了高炉喷吹焦 炉煤气的综合经济效益。结果表明，当考虑煤气富 余量、富氧能力等因素对高炉进行适宜数量的焦炉
煤气（50m 3/t （ Fe ））喷吹时，不仅取得显著的
增产、节焦、减排效果，也获得了显著的经济效
益：当期吨铁成本降低20.14元（当期焦炭价格 1607元/t ，焦炉煤气0. 7749元/m 3），年可节约焦
炭7.79万t ，创效5 115万元。
3.2氢能（富氢燃料）在直接还原流程的应用
氢是高化学能还原剂，H 的还原潜能、在铁 矿石中的穿透力分别是CO 的11倍、5倍，这有助
于提高还原反应速度，降低反应温度，是进行直接
还原铁生产的理想还原剂。此外，在氢还原过程中
铁矿石不与焦炭接触，直接还原铁产品为高纯铁,
这有利于电炉生产出高纯净#[19]o DR —EAF 短流
程在天然气储量丰富的国家和地区得到了实质性地
发展，我国天然气资源短缺，钢铁工业流程以传统 长流程为主，一般高炉一转炉流程钢厂配套相
烟气道应规模的焦化厂，炼焦过程大量产生的焦炉煤
气（320 m 3/T 煤）是满足直接还原生产的高质量
2021年第2期钢铁工艺流程概述及发展方向初探（下篇）-43-
还原气源，这成为我国发展DR-EAF短流程的最
大优势［20］0国外气基竖炉直接还原工艺流程中,
天然气中CH4（90-95%）经高温热裂解成富含
H+CO的还原气（70%H2+30%CO）；焦炉煤
气中CH4为24〜26%,H为56~62%，不需裂
解耗能直接适用于气基还原工艺-20］'
气基竖炉生产DRI工艺具有生产规模大、生
产成本低、环境友好等优点，HYL-ZR（希尔）
工艺因可在其技术装备设备无需改动情况下使用焦
炉煤气（煤气化）作为还原气体而成为首选［20］，其工艺流程基本原理是通过在自身还原段中生成还原气体（现场重整）来实现最佳的铁矿石还原效率，即通过碳氢化合物（天然气或焦炉煤气）经过不完全燃烧及还原反应器内的金属铁的催化作用在现场重整生成还原气（图10），无需对焦炉煤气进行特殊处理［川。传统高炉一转炉流程综合性钢厂（配置有焦化）中能源使用为：低热值的高炉煤气作为焦炉和高炉热风炉燃料，高热值焦炉煤气作为轧钢厂和发电厂燃料’有必要指出的是，焦炉煤气作为还原剂比作为燃料更为适宜-20.o用循环经济的观点，在配置有焦化的综合钢厂设置直接还原厂（H
YL-ZR（希尔）工艺）合理利用钢铁流程中产生的大量焦炉煤气进行直接还原铁的生产（图11）［21］，其生产出的直接还原铁（冷态、热态）可就近用于钢铁厂：直接加入冶炼设备（电炉或转炉）用于炼钢；热压成块作为转炉冷却剂；用于高炉增产节焦。从而形成我国特有的长流程与短流程并存的钢铁冶金新流程-20］'
图10HYL-ZR（希尔工艺）流程图'20（
图11钢铁长、短流程并存生产模式
（在联合钢厂设置直接还原厂）［21］
东北大学唐珏、储满生-17.等重点对DR-EAF 短流程中应用煤制气-气基竖炉直接还原工艺流程（图12）建设年产1万tDRI中试装置关键共性前沿技术进行了研发和测算。该流程煤制气采用恩德法技术，以灰分＜25%、灰熔点高＞1250Y、低化学性的（）性原制得H、CO含量分别为57%、38%的净煤气，再 通过还原加热和竖炉炉技
$930Y满足气基竖炉要求的还原气和实现煤气循环。并以该DR-EAF流程（30%DRI+70%废钢）生产1t电炉钢水为单位对生产进行了综合评价，结果表明，对环境影响最大的关键工序是煤制气、加热和电炉，该条件下吨钢总能耗为263.67kgce，吨钢CO2排放量为829-89kg，优传高炉-炉流程0
1.煤气化粗煤气；
2.脱硫后粗煤气;
3.加压炉顶煤气;
4.净化工艺煤气;
5.换热工艺煤气;
6.入炉工艺煤气;
7.炉顶热煤气；
&除尘脱水炉顶煤气;9.加热炉燃料气；10.冷却用天然气;11•氧气;12.氮气;13.PSA脱碳排气;14.燃烧废气;15•助燃空气图12煤制气-气基竖炉直接还原工艺流程'17（
如前所述（上篇），相比传统高炉一转炉流程，DRI（废钢）一电炉短流程由于其在节能减排、环保的优势逐渐得到重视，
随着我国煤制气技
