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。

 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H 2 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。

图2 高炉喷吹H 2 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H 2 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CO 2 +C→2CO（ΔHθ 298=165.3kJ/mol）； (2)水煤气反应H 2 O+C→CO+H 2 （ΔHθ 298=124.2kJ/mol）；(3)水煤气转换反应CO+H2 O↔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。

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%，H 2 /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。

图5 煤制气-富氢气基竖炉-电炉短流程（a）和高炉-转炉流程（b）工艺系统边界

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、CO 2 可分别减少60.64%和54.3%。而SO 2 、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。

图6 BF-BOF与气基竖炉短流程单一指标对比

图7 BF-BOF流程与煤制气-气基竖炉-电炉流程能耗及主要污染物排放对比

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。