氢基竖炉直接还原铁冶金工艺的低碳化探索

引言：

钢铁工业是国民经济的基础产业，也是能源消耗和碳排放大户。据统计，全世界钢铁企业二氧化碳排放量在排放总量中的占比为 7.9% ，国内钢铁业碳排放量占全国碳排放总量的比例约为 15% 。高炉-转炉长流程炼钢工艺以焦炭为还原剂和燃料，在炼焦、炼铁等多个工序中产生大量二氧化碳排放，不利于行业绿色可持续发展。“双碳”目标的提出，使钢铁行业低碳转型势在必行。氢基竖炉直接还原铁工艺以氢气为还原剂，在还原过程中不产生二氧化碳，只生成水，是一种公认的钢铁行业低碳、绿色的冶金工艺。本文针对氢基竖炉直接还原铁冶金工艺低碳化进行研究，为钢铁行业的绿色发展贡献力量。

一、氢基竖炉直接还原铁冶金工艺原理与技术特点

（一）工艺原理

氢基竖炉直接还原铁工艺采用氢气作为直接还原气体，以铁矿石（球团矿或块矿）作为直接还原原料，在竖炉内完成铁矿石还原反应过程，其主要反应为氢气与铁矿石中的铁氧化物发生还原反应将铁从铁氧化物中还原出来。在竖炉中从上到下加入铁矿石，氢气从竖炉下部进入，与铁矿石逆向接触。氢气在适当的温度和压力下（一般为 800-1000℃），与铁矿石进行反应，逐渐还原铁氧化物形成金属铁，从而得到直接还原铁产品[1]。

（二）技术特点

1.低碳环保

相较于焦炭还原的高炉炼铁产生大量二氧化碳，氢基竖炉直接还原铁是以氢气作为还原剂，产物只有水，从源头避免了焦炭还原的高炉炼铁产生大量二氧化碳，显著降低钢铁生产的碳排放强度，是钢铁行业深度降碳的重要技术。

2.产品质量高

直接还原铁（DRI）具有金属化率高且杂质含量低的特点，可当作优质炼钢原料来使用，用于电弧炉炼钢时能够有效提升钢材质量，还可改善钢材性能从而满足高端钢材生产需求。

3.流程灵活性强

氢基竖炉直接还原铁工艺能和可再生能源制氢技术相结合，达成能源供应的灵活调配，此工艺生产规模可根据情况有大有小，能适应不同地区和企业发展需求，利于推广应用。

4.能源利用效率有待提升

目前氢基竖炉工艺在能源转化利用方面仍存在一定问题，氢气的制备运输和储存过程需要消耗大量能源，竖炉内部的热量回收以及利用效率还有待进一步提高，这在一定程度上对工艺整体能源利用效率形成了限制。

二、氢基竖炉直接还原铁冶金工艺低碳化的挑战与优化路径

（一）面临的挑战

1.氢气供应难题

目前我国发展氢气主要来源是化石能重整制氢，会产生大量的二氧化碳，不能真正实现低碳，而可再生能源电解水制氢，成本高、技术不成熟、规模小，无法支撑氢基竖炉直接还原铁工艺大量氢气的需求，氢气运输储存技术不成熟，长途运输成本高，高压气态储运和低温液态储运面临技术不成熟和安全等问题，不利于氢气的稳定供应[2]。

2.设备与技术瓶颈

氢基竖炉直接还原铁工艺尚存在设备以及工艺方面的技术瓶颈，如竖炉内气-固两相流的均匀分布程度难以把控，影响着铁矿石的还原效率和还原质量；氢气高温高压腐蚀较为严重，对材料和密封要求较高，增加了设备的建造成本和维护成本；自动化控制水平不足，难以实现精准调控，给生产带来不便。

3.经济成本压力

相较于传统高炉炼铁工艺，氢基竖炉直接还原铁工艺在投资成本与运行成本方面面临更大压力。在设备投资方面，竖炉、氢气制备及存储设备等基础设施投资较大；在运行成本方面，氢气成本较高，能源利用率低，生产成本高。企业采用该工艺，若无政策补贴和较完善的碳交易市场机制，经济成本压力较大，制约了该工艺的应用推广。

4.标准与规范缺失

目前氢基竖炉直接还原铁工艺相关行业标准、规范缺失，设备设计、建设、生产、产品质量缺乏相关标准和规范，导致企业缺乏技术研究和开发、项目建设、生产管理的技术标准，增加了企业技术推广和产业化使用的难度。

（二）优化路径

1.完善氢气供应链体系

加大可再生能源电解水制氢技术研发投入，重点攻关高效电解槽、催化剂优化等核心技术，通过扩大设备产能与工艺迭代提升制氢能力；同步推动光伏、风电等配套能源基地建设，以规模化效应降低设备投资与运维成本，走集约化发展路径。在氢气运输与存储领域，加速推进高压气态管道运输网络规划，开展大口径管道材料与压力调控技术研究，同时探索甲基环己烷等液态有机储氢介质的工业化应用，突破低温液化与脱氢催化关键技术。开发金属有机框架（MOF）、固态合金等安全高效储氢材料，配套智能化储氢装置研发，构建覆盖制氢、运输、存储的全链条供应体系，为氢基竖炉直接还原铁工艺提供稳定、低成本的氢气来源保障[3]。

2.突破技术与设备瓶颈

依托中科院金属所、东北大学等科研院所，联合钢铁企业构建产学研协同创新体系，重点攻关竖炉内气固两相流精准控制技术，通过 CFD 仿真与物理实验相结合的方式优化气流分布模型；同步开展高温合金、陶瓷基复合材料的耐高温腐蚀涂层研发，突破炉壁衬里材料的寿命瓶颈。基于多物理场耦合分析优化竖炉梯度温区结构设计，集成翅片式换热器与多孔介质分布器强化气固传质传热效率。深度融合人工智能与工业大数据技术，搭建炉温预测、压力调控的智能决策系统，实现炉内工况的自动化闭环控制，通过机器学习算法持续优化生产参数，构建“动态感知-智能调控-能效优化”的精准化生产模式，全面提升竖炉直接还原铁的生产稳定性与能源利用效率。

3.降低经济成本

首先，政府需要加强对氢基竖炉直接还原型铁工艺技术的政策扶持与补贴力度，从税收和补贴等方面降低企业生产运行成本。完善碳交易市场体系，加大对传统高碳炼铁技术工艺的碳排放成本，提升低碳氢基技术的竞争力。其次，作为企业自身，应积极提升自身的技术创新和管理水平，强化节约增效，降低企业成本。

4.健全标准与规范体系

尽快研究制定氢基竖炉直接还原铁工艺设备设计标准、施工建设、运行操作、产品质量等标准，为技术研发、项目建设、生产管理提供统一的标准和技术支持，推动产业规范化、标准化，加速推广应用。

三、结语

氢基竖炉直接还原铁冶金技术作为钢铁行业实现节能减排的重要途径之一，具有广阔的应用前景。当前氢基竖炉直接还原铁冶金技术尽管遇到氢气来源、设备与技术、经济成本、标准规范等方面难题，但随着氢气供应体系的完善，技术的攻关突破，成本问题的解决，标准规范的完善等，氢基竖炉直接还原铁冶金技术具有大规模应用的潜力。随着科学技术的进步与突破，加之政策的引领与助力，氢基竖炉直接还原铁冶金技术将为钢铁行业“双碳”目标的实现作出重要贡献，成为行业绿色低碳发展的助推器。

参考文献：

[1]路鹏.氢基竖炉直接还原提产降耗生产实践[J].河北冶金,2024,(06):47-51.

[2]王莹,何志军,陈妍,等.氢基竖炉直接还原工艺发展现状及思考[J].矿冶工程,2024,44(04):212-216..

[3]王小艾,郄亚娜,李娜,等.气基竖炉直接还原过程及性能的研究进展与展望[J].中国冶金,2024,34(11):1-9+21.