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。 图1 中国宝武低碳冶金技术路线图
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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硫铁矿制硫酸
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。
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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。 偏振分束器
图2 高炉喷吹H2的还原剂消耗、气体利用率和碳排放
图3 高炉喷吹天然气的还原剂消耗、气体利用率和碳排放
图4 高炉喷吹焦炉煤气的综合经济效益、气体利用率和碳排放
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，H弹簧鞋2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针织加工利用率降低，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。
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