DOI:10.14186/j.cnki.1671－6620.2026.04.002
中图分类号:TF554
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焦炉煤气零重整竖炉氢冶金—电炉短流程技术创新
中国作为全球最大的粗钢生产国，2024 年粗钢产量达10.05 亿t，其碳排放量约占全国总排放量的15%，绿色低碳转型已成为行业生存与发展的紧迫任务[1-2].当前，高炉—转炉长流程仍占据绝对主导地位，而高炉炼铁环节的能耗与碳排放占全流程的70%，是减排的关键突破口[3].非高炉炼铁技术，特别是以氢气为主要还原剂的氢冶金工艺，被视为实现深度脱碳的重要方向[4-5].然而，国际上成熟的气基竖炉氢冶金工艺普遍依赖天然气重整制氢，该路线在中国受限于天然气资源匮乏、价格高昂及供应安全等问题，难以大规模推广[6].
相比之下，中国焦炭产量巨大，钢铁企业副产的焦炉煤气富含氢气(H2)和甲烷(CH4)，是一种潜在的低成本氢源[7].若能将焦炉煤气直接用于氢冶金，既可省去昂贵的外部重整环节，又能实现资源的循环利用，是一条符合中国资源禀赋的可行路径.但此技术路线面临焦炉煤气组分波动大，杂质含量高，与竖炉还原工艺匹配性差等一系列技术挑战.河钢集团有限公司(以下简称“河钢”)基于其绿色发展战略，成功建设并运行了全球首套采用焦炉煤气零重整工艺的氢冶金示范装置，并在此基础上集成了电炉短流程生产线，形成了完整的“氢冶金—DRI—电炉”绿色化生产体系.本文旨在系统总结该创新技术路线的研发背景、技术原理、关键技术的突破、工业化运行效果及综合效益，并对未来提出了展望.
1 低碳炼铁技术主要实施路径
实现低碳炼铁的技术路线主要分为两大类：一是对现有高炉工艺进行绿色化改造，例如提高能源效率、喷吹富氢气体(如焦炉煤气、天然气)等；二是彻底变革工艺流程，发展非高炉炼铁技术，如气基竖炉直接还原、熔融还原等[8].高炉工艺经过长期发展，具有技术成熟、规模效应显著、能源利用率高等优点，但其冶炼原理本质上依赖碳素的还原作用，即使大比例喷吹氢气，其碳减排潜力也存在理论上的“天花板”.相比之下，非高炉炼铁工艺，特别是以氢气(H2)为主要还原剂的气基竖炉直接还原(即氢冶金)技术，可以从源头避免化石燃料的使用，实现以“氢”代“碳”的还原过程，理论上具有近零碳排放的潜力，因而被广泛认为是实现钢铁生产深度脱碳的颠覆性方向之一[9-10].
国际上成熟的气基竖炉直接还原工艺(如MIDREX、HYL/Energiron)通常以天然气为原料制备还原气.然而，该技术在中国规模应用面临诸多挑战：天然气资源匮乏，依赖进口，成本居高，供应稳定性不足[11]；配套转化装置投资巨大，推高运营成本；全球地缘政治因素加剧供应风险.直接引进该技术将使中国钢铁行业面临技术依赖与成本压力的双重困境[12].中国作为最大的焦炭生产国，钢铁企业副产大量焦炉煤气(coke oven gas，COG)，其成分(体积分数，下同)为H2(55% ~60%)、CH4(23%~27%)、CO(5%~8%)及少量其他组分，具备作为氢冶金还原剂的物质基础[13].利用焦炉煤气具有显著优势：适配性强，可实现副产资源高效利用；无需建设外部天然气转化装置，降低投资与运行成本；有助于优化能源结构，提升能效.因此，发展基于焦炉煤气的氢冶金技术，是中国低碳炼铁战略的理性选择[14].当前，中国非高炉炼铁技术呈现多元化发展格局，技术路线各具特色，如表1 所列.
表1 国内非高炉炼铁工艺发展现状
Table 1 Current development status of domestic non-blast furnace ironmaking process
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将焦炉煤气直接用于竖炉氢冶金并非易事，面临着诸多技术挑战：其一，焦炉煤气中含有H2S、有机硫(如COS、CS2)、NH3、焦油、苯、萘等多种杂质，这些杂质不仅会毒化还原催化剂(如果使用)，还会影响还原反应效率和产品DRI 的质量；其二，焦炉煤气的产量和组分随焦炉生产工况波动，如何实现还原气体组分的稳定控制是关键；其三，传统的氧化球团矿是为高炉还原环境设计的，其与焦炉煤气氢还原特性的匹配性需要重新评估和优化；其四，竖炉氢冶金是一个多参数耦合的复杂系统，需要建立全新的智能控制策略，以确保生产稳定顺行.
2 焦炉煤气零重整竖炉氢冶金技术
河钢集团张宣科技“焦炉煤气零重整竖炉氢冶金示范工程”投产后，针对焦炉煤气零重整和竖炉氢还原高效调控，国产球团矿一体化制备，全流程工艺完善等重大关键技术，形成多项自主知识产权.
2.1 技术原理与总体思路
“零重整”(zero-reforming)是本技术的核心创新点.其基本思路是：绕过传统气基竖炉工艺中不可或缺的将碳氢化合物(如天然气)转化为合成气(syngas，H2＋CO)的外部重整装置，将经过深度净化处理后的焦炉煤气直接送入竖炉作为还原气体使用.其理论依据如下：焦炉煤气本身已含有高达55%~60%的H2，这部分H2 可以直接作为还原剂；同时，其中23%~27%的CH4 在竖炉下部高温区(>800 ℃)可与炉料中的氧化铁或上升的CO2发生重整反应(
)和裂解反应，间接生成CO 和H2 参与还原，并析出碳(C)，这部分碳恰好可以用于控制DRI 的碳含量，以满足电炉炼钢的需要[15]，如图1 所示.
图1 焦炉煤气零重整工艺的氢冶金示范装置
Fig. 1 Demonstration plant of hydrogen metallurgy process with zero-reforming coke oven gas
2.2 关键技术创新与突破
2.2.1 焦炉煤气低成本深度净化
焦炉煤气的高效净化是保障后续反应稳定运行的关键前提.焦炉煤气组分多元、复杂且硫含量高，直接影响钢铁产品洁净度与环保排放指标；其中苯、萘等芳烃类物质含量过高会导致设备堵塞及腐蚀，威胁系统运行安全[16].针对焦炉煤气中复杂的杂质体系，本研究创新性地提出低成本精准吸附理念，开发了“预处理—精细脱硫—深度净化”三级组合式净化工艺链，如图2 所示.
图2 焦炉煤气深度净化工艺流程
Fig. 2 Deep purification process of coke oven gas
预处理阶段：采用高效物理分离技术(如旋风分离、静电捕焦)，脱除焦油雾滴与粉尘颗粒.
精细脱硫阶段：基于专用催化剂，实施有机硫水解转化，将难脱除的COS、CS2 等转化为易处理的H2S，耦合湿法脱硫(栲胶法、PDS 法)或干法脱硫(氧化铁、活性炭)工艺，使硫的总质量浓度降至≤1 mg/m3 的痕量水平.
深度净化阶段：利用吸附法或低温分离技术，高效脱除NH3、苯、萘等微量杂质.
该工艺链在确保净化效能的同时，实现H2S、COS、SO2 及芳烃杂质的脱除率分别达98%、85%、80%及80%以上的行业领先水平，且净化成本显著降低至0.1 元/m3，机理如图3 所示.
图3 吸附材料和机理
Fig. 3 Adsorption materials and mechanism
通过工艺参数优化与吸附剂再生周期调控，净化成本最终控制在传统天然气重整路线的30%以下，具体参数见表2 所列.
表2 焦炉煤气净化前后的成分
Table 2 Composition of coke oven gas before and after purification
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2.2.2 适配氢还原特性的球团矿一体化制备技术
直接还原铁(DRI)的质量优劣，很大程度上取决于原料球团矿的冶金性能[6].研究结果表明，适用于焦炉煤气氢还原工艺的球团矿，需具备高还原性、优良的高温强度及适宜的软熔特性.针对不同铁矿石原料，张宣科技开展了脉石对微观结构的影响规律，焙烧过程物相转变机制，还原过程微观结构演化，球团强度与微观结构的关联机制，还原过程铁晶须生长规律及中低品位矿协同增效机制等系列研究.
同时，开发了专用球团矿制备技术：构建多源铁矿数据库，系统分析不同产地铁矿粉(涵盖国产矿与进口矿、磁铁矿与赤铁矿)的化学成分、粒度组成、还原膨胀性等特性；研发矿源优化配比模型，基于成本与质量目标确定最佳混合方案，充分发挥不同矿种的协同效应；优化造球、焙烧工艺参数，如调控适宜的碱度[R ＝w(CaO)/w(SiO2)]，加入特定添加剂改善微观结构(确保球团矿常温抗压强度均大于2 500 N/个，还原膨胀率小于20%)，满足竖炉高强度还原及顺行要求.具体指标如表3 所列.
表3 氧化球团主要指标
Table 3 Key indicators of oxidized pellets
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2.2.3 竖炉工艺还原气体组分动态调质技术
传统气基竖炉工艺采用固定组分的还原气体，而焦炉煤气零重整工艺需处理组分波动的焦炉煤气，这对气体调控提出了更高的要求[7].为此，张宣科技研发了动态调质技术，实现了多项创新(见图4~6)：构建了气体组分在线监测系统，实时监控还原气体成分；开发了智能调控算法，实现工艺参数的自动调节；设计了气体混合系统，精准控制还原气体中H2和CO 体积分数之比；优化了竖炉温度场分布，适配不同气体组分的还原特性；建立了工艺还原气体加湿及局部喷氧的动态控制模型，实现了入炉工艺气体温度动态稳定在1 050 ℃、φ(H2)/φ(CO)>8 的技术指标；构建了氢冶金竖炉多场耦合数值模型，深入探究并掌握了气体温度、流量等参数对金属化率及渗碳率等关键指标的影响规律；确定了还原气温度控制在1 030~ 1 050 ℃、工艺气循环量最低维持在12×104 m3/h 等最佳工艺条件，可满足最低能耗下实现金属化率≥94%、渗碳率2%~4%的直接还原铁高效生产.同时，建立了故障诊断与预警系统，显著提升了生产的稳定性与安全性.
图4 温度对还原气体成分转化的影响(不同大气压下)
Fig. 4 Influence of temperature on conversion of reducing gas composition (under different atmospheric pressures)
图5 温度对还原气体成分转化的影响(标准大气压下)
Fig. 5 Influence of temperature on conversion of reducing gas composition (at standard atmospheric pressure)
图6 温度及喷氧量对气体成分的影响
Fig. 6 Effect of temperature and oxygen injection rate on gas composition
上述技术创新实现了竖炉生产过程的智能化控制，不仅提高了产品质量与生产效率，而且显著降低了能耗与原料消耗.该技术成功解决了焦炉煤气组分波动对还原过程的负面影响，确保了还原效果的稳定性.即使焦炉煤气组分发生显著波动，系统仍可快速响应，维持稳定的生产状态.
2.2.4 全流程智能协同调控技术
在冶金流程工程学思想的指导下[17]，基于“流”、“流程网络”与“运行程序”三要素理论框架，运用整体性、开放性、动态性、结构性、网络化、程序化及耗散性等系统分析方法，开展全流程整体设计与优化研究.其核心在于构建氢冶金竖炉生产过程的多参数耦合模型，建立多物理场耦合数值仿真体系，进而揭示还原气体温度、流量等关键参数对金属化率及渗碳率的定量影响规律.研究确定的最佳工艺条件如下：还原气温度控制区间为1 030~1 050 ℃，工艺气循环量下限维持在12×104 m3/h.据此，可在最低能耗条件下实现金属化率≥94%、渗碳率2%~4%的直接还原铁高效生产.该系统可协同优化产品质量(金属化率、碳含量)、能耗(煤气单耗、电耗)、产量及设备寿命等多目标参数，通过实时计算，生成最优调控指令并自动执行；基于大数据分析构建的故障诊断与预警模型，可提前识别黏结、悬料等潜在运行风险并生成处置策略，显著提升生产稳定性和安全性；通过深度融合建筑信息模型(BIM)技术、设备仿真与流程模拟(见图7)，突破氢冶金工厂全流程标准化设计与数据集成技术瓶颈，实现工厂布局与资源配置优化，较传统方案节约用地约10%、管道约20%、电缆约20%，工程投资降低逾20%.
图7 氢冶金数字化设计平台
Fig. 7 Digital design platform for hydrogen metallurgy
2.2.5 全流程绿色低碳创新体系
该项目的技术创新不仅涵盖核心工艺，更扩展至整个生产系统的绿色化进程.构建了“工艺过程捕碳与纯化”一体化体系，创新开发了低浓度(体积分数)二氧化碳捕集技术，生产纯度达99.98%的液态食品级二氧化碳；开发了高压水气变压分离循环技术及配套装备，实现了气水分离的零成本运行，确保了水处理过程的安全稳定运行，如图8 所示；研发了氨氮污染物协同控制与减量工艺，使出水氨氮含量(质量浓度) 降至15 mg/L以下，实现100%循环利用；充分利用焦炉煤气等副产品资源，实现资源的循环利用；采用先进的零重整氢冶金技术，显著降低碳排放；优化能源结构，提升可再生能源使用比例；生产高品质洁净钢，满足高端制造业的需求.项目实现了超低排放，并建立了全生命周期评价体系，与传统高炉工艺相比，碳排放减少70%以上，污染物排放削减80%以上.
图8 CO2 捕集、分离、提纯工艺
Fig. 8 CO2 capture，separation，and purification process
经过近3 年的工业化运行与持续优化，氢冶金已实现高质量生产与低消耗运行.产品完全满足各类钢种的冶炼要求，能耗较传统工艺降低20%以上，矿耗与原料气消耗均达世界领先水平，资源利用效率显著提升.同时，设备运行稳定可靠，维护成本显著降低.其他指标详见表4.
表4 氢冶金竖炉主要指标(标准状态下)
Table 4 Key indicators of hydrogen metallurgy shaft furnace (at standard condition)
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3 竖炉氢冶金—电炉短流程协同创新技术
氢冶金工艺生产的DRI 最终需要用于炼钢环节，方能实现其价值[18].将DRI 与电炉结合，形成竖炉氢冶金—电炉短流程，是实现全流程低碳化的关键[19-20].然而，DRI 的物理化学特性(如密度小，熔化吸热多，含有脉石等)给电炉冶炼带来了新的挑战，如熔化速度慢、冶炼周期延长、电耗增加、渣量大且FeO 高导致金属收得率低等[21-22].为此，张宣科技研发了系列协同创新技术.
3.1 DRI 快速熔化及渣铁高效分离
为解决DRI 熔化慢、熔池搅拌弱的问题，开发了基于强动力搅拌的DRI 快速熔化技术.建立了电炉冶炼过程的计算流体动力学(CFD)数值模型，精确模拟了底吹气体、氧枪射流、电极电弧这三相动力源对熔池搅拌能的影响规律，如图9 所示.优化了底吹元件布置和喷吹参数，开发了分阶段底吹控制策略：在熔化期，采用强搅拌以加快DRI 熔化并促进传热；在精炼期，减弱搅拌以利于脱磷和减少喷溅.优化氧枪操作，利用化学能辅助熔化.应用该技术后，电炉内死区面积减少30%以上，平均冶炼周期缩短约4 min.同时，针对DRI 带入的脉石形成的高FeO 炉渣，研发了全程炉渣成分和性质在线监测与调控技术，通过实时监测渣中FeO 含量和炉渣碱度，精确判断最佳排渣时机，成功攻克了高氧化亚铁炉渣的顺畅外排技术瓶颈，将DRI 的金属收得率从早期的76%提升并稳定在82%以上的国际领先水平.
图9 DRI 含粉率及加入量对金属收得率的影响
Fig. 9 Effect of DRI powder content and addition amount on metal yield
3.2 电炉钢水残余元素分级管控
根据下游用户对钢材质量的不同要求，建立了基于DRI 配加的残余元素分级管控技术体系(见表5).例如，对于要求极高的汽车外板(O5 板)，DRI 配加比例设定在25%~30%；对于轴承钢、齿轮钢等高端特钢，配加比例设为20%~25%；对于普通商用钢材，则可适当降低配加比例以控制成本.同时，优化冶炼模型和合金化工序，确保不同DRI 配比下工艺的稳定性和终点成分的精确命中，实现了残余元素控制合格率100%.
表5 电炉钢水残余元素(质量分数)分级管控
Table 5 Graded control of residual elements in EAF molten steel(mass fraction) %
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3.3 基于DRI 碳源的电炉钢水降氮提质
DRI 中碳含量(质量分数)约为3%，且其存在的形态(部分以Fe3C 形式存在)赋予其在熔池内较高的反应活性.基于DRI 这一特性，开发了相应的降氮技术，主要是优化DRI 加入方式与速率(采用匀速加入技术)，以确保熔池中碳源的平稳持续供应；通过控制吹氧及造渣制度，促进DRI中的碳与渣中的FeO 发生反应(
CO)，生成大量弥散的CO 气泡，从而形成厚度适中、持续时间长的优质泡沫渣[23-24].该泡沫渣不仅能有效包裹电弧、提高热效率，更能严密覆盖钢液，显著降低钢水与空气的接触概率，进而将终点氮含量(质量分数)稳定控制在≤0.004%的较低水平，见图10 和表6.
图10 钢水氮含量调控技术参数
Fig. 10 Technical parameters for controlling N content in molten steel
表6 工艺优化方案相关参数和效果(标准状态下)
Table 6 Parameters and effects of the process optimization scheme (at standard condition)
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3.4 冶炼配加DRI 的成本－质量经济优化
长期生产实践表明，随着电炉中DRI 配加比例的增加，其熔化所需的电耗和辅助材料消耗会相应上升，可能推高冶炼成本.为此，建立了基于成本－质量平衡的经济性优化模型，通过工艺操作优化(如上述的强化供能、泡沫渣控制等)，尽可能降低单位DRI 熔化带来的能耗、物耗增加.根据所炼钢种的附加值，设定最优的DRI 配加比例.对于高端钢种，使用DRI带来的质量提升和品牌溢价足以覆盖增加的成本；对于普通钢种，则在满足质量要求的前提下，寻求成本最低的炉料结构.经系统优化，最终形成了一套针对不同产品大纲的DRI 使用技术规范，确保了从氢冶金到DRI 再到电炉钢的整个价值链的经济可行性.具体指标如表7~8 所列.
表7 电炉用DRI 关键技术指标(标准状态下)
Table 7 Key technical indicators of DRI for electric arc furnace(at standard condition)
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表8 电炉终点成分
Table 8 End-point composition of molten steel in electric arc furnace %
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3.5 竖炉氢冶金—电炉短流程工艺经济效益和降碳指标
从表9 中可以看出：2023—2024 年，相关项目累计销货289. 293 万t，新增产值约108.63 亿元，新增利润约6.0 亿元.这些效益的取得源于以下多维度优势：一是高品质洁净钢获得了市场溢价；二是先进的工艺技术降低了生产成本；三是低碳产品符合绿色发展趋势，市场前景广阔；四是自主知识产权技术形成了核心竞争力.同时，该工艺的减碳优势尤为突出，其核心的“竖炉氢冶金”工艺相较于传统“高炉工艺”，减碳比例超70%；而完整的竖炉氢冶金—电炉短流程中，电炉原料仅部分为DRI，其余为废钢，因此在生产同类型铸坯时，该工艺与传统“高炉—转炉”长流程工艺相比，减碳比例仍可达50%以上.
表9 经济效益分析
Table 9 Economic benefit analysis
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4 结论与展望
本文系统论述了河钢集团张宣科技研发和实施的“焦炉煤气零重整竖炉氢冶金—电炉短流程”创新技术.该技术被行业共识为“现阶段最具推广价值的低碳炼铁路径”.
(1)技术成熟，减排显著：该技术已在中国实现工业化运行，金属化率超94%，吨铁碳排放较传统高炉流程下降约70%，SO2、NOx 和粉尘含量同步大幅削减.
(2)资源适配，成本可行：依托国内丰富的焦炉煤气，无需外购天然气或深重整装置，投资与运行成本均优于长流程，为大规模推广奠定经济根基.
(3)产品高端，市场广阔：产出高纯直接还原铁，可替代优质废钢，满足汽车、家电等下游“绿钢”认证需求，提升中国钢铁产品附加值和国际竞争力.
(4)绿氢衔接，未来零碳：项目预留绿氢接口，配套风光电制氢后，可进一步将碳减排幅度提升至近100%，形成“绿电—绿氢—绿钢”零碳产业链，助力行业实现2060 年“碳中和”目标.
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Technological innovation of hydrogen metallurgy in shaft furnace with zero-reforming coke oven gas and electric arc furnace short process
