DOI:10.14186/j.cnki.1671－6620.2026.04.003
中图分类号:TF554
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纯氢竖炉直接还原关键技术研究与应用
氢能是一种清洁、高效、可再生的能源，正逐步成为全球能源结构中的重要组成部分.广泛的应用场景和巨大的发展潜力，使得氢能成为全球能源领域的研究热点.氢能在交通领域的应用正以前所未有的速度发展，特别是在汽车、铁路、航空和水运等方面展现出巨大的潜力和广阔的市场[1-3].
在工业领域，特别是在冶金、化工和发电等方面，氢能展现出巨大的应用潜力.氢能在冶金工业中的应用，主要体现在以H2 作为还原剂替代传统碳基材料的氢冶金技术上.该技术可显著降低钢铁生产过程中的碳排放，是实现冶金行业低碳转型的重要途径.中国作为钢铁生产大国，正积极布局氢冶金技术的研发与产业化，以推动钢铁工业的绿色低碳发展[4-11].
中国是全球最大的钢铁生产国和消费国，正面临着日益严峻的绿色低碳转型挑战.钢铁工业是国民经济重要的原材料工业，现阶段能源消费量约占全国总能耗11%，CO2 排放量约占全国的15%，是制造业31 个门类中碳排放量最大的行业[12].尽管当前钢铁行业的绿色低碳转型已取得积极成效，但减污降碳任务艰巨、形势复杂，为进一步推动钢铁行业绿色低碳高质量发展，推动钢铁行业向绿色化、低碳化发展转型已成为共识.
我国钢铁工业CO2 排放量占世界钢铁工业排放总量的51%[13].我国高炉流程占比90%，仅高炉炼铁工艺就占整个钢铁行业碳排放量的70%[14].发展低碳炼铁工艺，不仅是高炉炼铁低碳技术的应用，更是替代传统高炉炼铁的非高炉炼铁工艺的应用[15-16].
在目前发展的各种低碳炼铁技术中，以高炉富氢喷吹和氢基直接还原技术最具代表性，是有希望在近期实施的减碳技术[17-18].尤其是以风、光、生物质等可再生能源，利用电解水制氢或裂解制氢，取代传统煤、焦等碳质能源作为冶金能源与还原剂的氢冶金技术，可以实现绿电—绿氢—氢冶金的直连使用，大幅度降低炼铁碳排放，甚至可实现近零排放，同时也降低了氢冶金成本.
基于此，本文针对纯氢冶金技术的发展现状进行总结归纳，并着重对纯氢竖炉直接还原的关键技术进行研究，系统分析纯氢竖炉还原对原料的要求，以及纯氢竖炉还原工艺对直接还原铁(DRI)的影响，为纯氢冶金技术的应用提供有益的参考.
1 纯氢冶金技术的发展现状
氢基直接还原是以富氢/全氢还原气为能源和还原剂，在温度还未达到铁矿石软化温度时，将铁矿石直接还原成固态还原铁的生产工艺.根据反应器的不同，该工艺主要分为氢基竖炉和氢基流化床直接还原工艺，其中氢基竖炉直接还原工艺占主导地位[19].
1.1 纯氢竖炉还原技术
瑞典钢铁公司(SSAB)、瑞典国有铁矿石公司(LKAB)和瑞典大瀑布电力公司共同发起突破性氢能炼铁技术项目(HYBRIT)[20]，采用氢与球团矿直接还原生产DRI，氢由非化石能源制备.HYBRIT 的主要特点为：无化石燃料用于球团生产；采用无化石电力电解水制氢；特别设计的储氢单元用作缓冲电网；采用竖炉还原；还原气体或气体混合物在注入竖炉前预热；产品可以是直接还原铁或热压块，没有碳或渗碳；直接还原铁或热压块与回收的废钢一起在电炉中炼钢.
2020 年，中国钢研科技集团有限公司(下文简称中国钢研)率先在国内提出建设5 万t 级纯氢冶金示范线，完全采用自主知识产权的纯氢竖炉工艺技术，并100%采用自主研发装备. 2024 年1 月，该线正式投入运行，纯氢竖炉采用纯度(体积分数)为99.5%的H2 作为还原剂，通过几年来不同矿种试验，金属化率稳定在96%以上，熔分铁纯度达到99.93%~99.98%.中国钢研设计建造的30 万t 级和60 万t 级绿电—绿氢竖炉还原—电炉短流程全绿钢生产线也正在建设中.
MIDREX 和HYL 公司正在研究开发全氢气竖炉直接还原技术[21]，MIDREX-H2®工艺流程如图1 所示[22].将H2 直接混入除尘、加压后的炉顶循环煤气中，炉顶煤气无需脱除CO2，工艺气体也无需CH4重整，仅需通过预热炉、加热炉将H2 加热到目标温度.但为了补充竖炉内还原所需热量和对DRI 增碳，入炉还原气中的H2 含量(体积分数)控制在90%以下.根据计算，1 t DRI 的还原用H2 消耗量(标准态)约为550 m3，加热炉燃料用的H2 量(标准态)约为250 m3，还需向竖炉过渡段加入50 m3 的天然气.与高炉流程相比，该工艺可将CO2 排放量降低80%左右.
图1 MIDREX-H2®工艺流程
Fig. 1 MIDREX-H2®process flow
1.2 粉矿流化床纯氢还原技术
2019 年6 月，普锐特冶金技术有限公司(Primetals)宣布正在开发一种不需要烧结或球团等任何预处理工序即可使用铁精矿的直接还原工艺(普锐特HYFOR 技术).该工艺借鉴了FINMET工艺开发和设备安装的经验，可采用所有类型的精矿，甚至是粒径小于0.15 mm 的粉矿.新工艺使用H2 作为主要还原剂，可显著减少CO2 排放量，甚至减少到零排放.采用模块化设计直接还原设备，每个模块的设计产能为25 万t/a，可适用于所有规模的钢厂. 2021 年4 月，普锐特冶金技术有限公司对奥地利奥钢联多纳维茨钢厂建设的氢基粉矿还原(HYFOR)试验厂进行了调试，首批测试获得成功. 2025 年9 月，普锐特冶金技术有限公司与其项目合作伙伴力拓集团(Rio Tinto)以及奥钢联集团(Voestalpine)宣布，在欧盟和奥地利政府资金支持下，三家企业将在奥地利林茨(Linz)联合建造一座新的绿色炼铁厂——Hy4Smelt 示范厂.该厂结合了普锐特的HYFOR 氢基直接还原技术和电炉熔炼技术，目标是代替传统高炉生产铁水、热压铁(HBI)和生铁. 该工艺能够处理各种品位(包括中低品位)的铁矿石，设计产能为3 t/h，计划于2027 年年底投产.
2021 年7 月，鞍钢集团、鞍山钢铁与中国科学院过程工程研究所(负责流化床工艺)、大连化学物理研究所(负责光伏发电和电解水)以及上海大学合作建设了万吨级流化床氢气炼铁示范工程. 2025 年8 月28 日，鞍钢绿电绿氢流化床氢冶金中试线实现全流程工艺贯通，稳定产出金属化率达到95%的绿色近零碳直接还原铁产品.鞍钢计划筹建年产50 万t 直接还原铁的氢炼铁成套工艺.
随着可再生能源制取氢技术的发展，绿电—绿氢直接还原工艺可实现减碳95%以上的近零碳排放.因此，在规模化绿氢制备及供应体系建成后，纯氢直接还原工艺是我国钢铁企业优化工艺结构，实现炼铁工序深度降碳、绿色低碳发展的主要技术路径.
2 纯氢竖炉还原对含铁原料的要求
2.1 氧化球团制备对铁精矿原料的要求
对于纯氢竖炉还原，球团制备是一个重要环节.要先了解所用铁精矿原料的基础特性，研究焙烧温度和时间对铁精矿球团氧化焙烧过程的影响，分析不同条件下球团抗压强度的变化规律，探索Fe 等元素在球团氧化过程中的迁移规律，掌握铁精矿球团氧化固结机理.纯氢竖炉用氧化球团，其制备用铁精矿按TFe 含量的不同，分为3 个牌号，化学成分应符合表1 中的要求.
表1 纯氢竖炉铁精矿化学成分(质量分数)
Table 1 Chemical composition of pure hydrogen shaft furnace iron concentrate(mass fraction) %
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注：牌号中字母H 表示氢基竖炉，C 表示铁精矿.
对于纯氢竖炉用铁精矿氧化球团，制备工艺是以铁粉矿、铁精矿及其他含铁物料等为原料，通过配料计算，添加膨润土、生石灰、消石灰或有机物等作为黏结剂，改善混合料成球性能.混合料加水，经造球机制备出8~16 mm 的生球，然后采用带式焙烧或链篦机—回转窑等焙烧工艺进行高温焙烧，制备出符合铁品位、碱度及机械强度等指标要求的氧化球团，以满足纯氢竖炉使用需求.
2.2 氧化球团制备工艺
检测各种原料，并根据检测结果进行配料计算.原料中的水分含量(质量分数，下同)宜小于10%，当原料中水分含量大于10%时，应设置干燥系统.干燥后，原料的水分含量应低于生球合格水分含量1 个百分点，当后续生产工艺设有高压辊磨机时，原料干燥后的水分含量宜为8%.原料的比表面积和粒径应根据铁精矿的性质和造球工艺确定，圆盘造球比表面积宜为1 800~2 000 cm2/g，圆筒造球比表面积宜为2 000~2 200 cm2/g.当原料的比表面积和粒径不能满足造球的要求时，应设磨矿工序.磨矿工序应根据原料原始粒径的粗细和性能确定采用湿球磨、高压辊磨、润磨等工艺.纯氢竖炉氧化球团制备工艺参见图2.
图2 纯氢竖炉用氧化球团制备工艺流程
Fig. 2 Process flow for preparing oxidized pellets for pure hydrogen shaft furnace
各种原料从料仓下端口输出，通过电子秤自动称重计量进行配料.
将配好的混合料经电子秤自动称重计量后送入造球机.同时，按比例加适量的水，将润磨后的物料经过输送机输送到圆盘造球机缓冲仓.
物料通过缓冲仓的给料机定量输送至圆盘造球机进行造球，当球团粒径在8~16 mm 时，球团自动排出，通过输送机输送至球团大小辊筛，合格的球团进入氧化焙烧设备中进行焙烧，粒径大于16 mm 和小于8 mm 的球团经过粉碎后返回圆盘造球机继续造球.
生球在强氧化性气氛中经历干燥(200 ~550 ℃)、预热(600~1 150 ℃)、焙烧(1 200~1 350 ℃)过程.在不同的焙烧制度(时间、温度、气氛等)下，生球内部的颗粒之间发生不同的固相反应，以保证氧化球团的冶金性能.
当采用链篦机—回转窑生产工艺时，宜采用环冷机或竖冷窑冷却工艺.当采用带式焙烧生产工艺时，应合理制定冷却制度，以控制氧化球团的冷却速度和组织结构，确保其质量符合要求.
氧化球团的物理和冶金性能应符合表2 中的要求.
表2 纯氢竖炉入炉炉料的性能
Table 2 Performance of raw materials for pure hydrogen shaft furnace
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注：表中的金属化率指入炉炉料还原后的金属化率.
3 纯氢竖炉还原关键工艺技术
3.1 纯氢竖炉直接还原工艺
含铁氧化球团经原料准备系统处理后，分批次由炉顶装料装置装入竖炉，向下运动，如图3 所示.具有一定压力(0.3~0.5 MPa)的纯氢气(体积分数≥99%)作为单一还原气，经加热系统加热至950~1 050 ℃后，由竖炉中部喷吹口喷入，向上运动.
图3 纯氢竖炉直接还原工艺流程
Fig. 3 Process flow of direct reduction in pure hydrogen shaft furnace
在气－固逆流过程中，主要发生传热和还原反应，炉料中铁氧化物的氧元素被还原脱除，生成一定金属化率的纯氢直接还原铁(H2-DRI，也称还原铁).纯氢直接还原铁被冷却气冷却后，根据不同的排料温度，分为热态纯氢直接还原铁和冷态纯氢直接还原铁，由炉底排料装置排出.一般在竖炉下部锥段被冷却气冷却后排出炉外生产的冷态直接还原铁(CDRI)，进入氮气保护成品料仓，也可经过压块(或压球)送至电炉熔炼；也可不冷却而经热压处理为热压块(HBI)，直接热送至电炉熔炼；或经过磁选得到铁粉或压块送至电炉.还原后的炉顶气由竖炉顶部排出，经除尘、换热、脱水、脱氮、加压、氢气加热后循环利用.与传统高炉炼铁或富氢冶金相比，该技术可大幅减少碳排放，实现工艺过程近零排放.
纯氢直接还原铁后续处理一般包括两种主要工艺.一是破碎磁选：纯氢直接还原铁经破碎磁选，将铁和渣分离.二是电炉熔分：纯氢直接还原铁经压球/压块制成密度较大的块状炉料，经电炉熔分，将铁和渣分离.
基于绿电—绿氢的纯氢竖炉—电炉短流程全绿钢生产线主要由绿电—绿氢供应系统、绿氢链篦机—回转窑球团制备系统、绿氢竖炉系统、ESF 熔分及精炼系统、连铸系统、热轧系统(或电渣重熔及锻造工模具特钢系统)等组成，详见图4.
图4 基于绿电—绿氢的纯氢竖炉—电炉短流程全绿钢生产线工艺流程
Fig. 4 Process flow for fully green steel production line using green electricity，green hydrogen shaft furnace，and electric furnace in a short process flow
3.2 纯氢竖炉工艺热平衡及还原气加热
氢基非高炉炼铁工艺主要包括氢基直接还原(竖炉、流化床)和氢基熔融还原，以氢基竖炉直接还原为主.目前国际上暂无纯氢基直接还原铁系统实现工业化运行，但富氢基[CO ＋H2，φ(H2)＝55%~80%]直接还原铁的技术比较成熟.典型的工艺包括以竖炉为还原反应器的MIDREX 技术和HYL 技术，以流化床为还原反应器的FIOR 技术和FINMET 技术.从富氢转变为纯氢直接还原，最大的工程实践难点在于反应系统供热与还原的匹配.富氢混合气中CO 还原为放热反应，富氢基直接还原供热需求低于纯氢还原，尤其对于大型反应器，供热问题更为突出.在炉顶压力为0.4 MPa的条件下，每吨直接还原铁需要消耗2 600 m3温度为900 ℃的H2，才能满足竖炉还原的热量需求，纯氢流化床每吨直接还原铁所需的入炉H2 量则高达4 000 m3 以上[23]，必须增加作为载热体的入炉H2 量.
与目前投入生产的富氢竖炉相比，纯氢竖炉需要弥补吸热反应消耗的热量更多.由两种氧化球团(设为1 和2，全铁品位分别为63.08%和68.94%)在年产60 万t DRI 纯氢竖炉中的直接还原工艺热平衡结果(见表3)可知：热量支出主要是还原反应吸热，占热量总支出的60%以上；其次是炉顶气带走的热量，占热量总支出的1/3 左右，如何回收炉顶气余热，是降低纯氢竖炉还原能耗的关键问题.同样以年产60 万t DRI 的纯氢竖炉为例，入炉氧化球团全铁品位分别为63.08%和68.94%，当竖炉中φ(H2) ∶φ(CO)从75 ∶25 变为100 ∶0，还原气加热温度为1 050 ℃时，生产1 t DRI需要加热的还原气从1 257.92、1 381.86 m3 分别提高到1 638.86、1 810.32 m3，提高幅度分别为30%和31%，如表4 所列.提高还原气加热温度不仅可以减少加热还原气量，还有利于提高竖炉还原气利用率.
表3 两种氧化球团在纯氢竖炉中的直接还原工艺热平衡结果
Table 3 Thermal balance results of direct reduction process for two types of oxidized pellets in pure hydrogen shaft furnace
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表4 不同φ(H2) ∶φ(CO)条件下两种氧化球团在纯氢竖炉中的直接还原工艺参数(标准态)
Table 4 Process parameters for direct reduction of two types of oxidized pellets in pure hydrogen shaft furnace under different φ(H2) ∶φ(CO) (standard state)
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续表
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在纯氢竖炉—电炉熔分短流程中，从反应角度看，纯氢竖炉对球团矿要求并不高；从经济性看，纯氢竖炉所用球团矿的品位宜在63%以上.球团矿品位要求过高，对钢铁炉料构成是比较大的挑战.低品位炉料通过氢基竖炉直接还原后，再进入电炉进行渣铁熔分，渣量会非常大，传统的电炉难以承受，需要设计特殊的电炉进行渣铁分离.采用磁选压块代替废钢与转炉进行连接，走传统的转炉、连铸、轧钢流程，该方式值得探讨.
纯氢竖炉直接还原工艺的核心是解决H2 加热问题.在低于830 ℃的温度内，可以采用金属管式换热.而当采用金属管式换热将H2 从830 ℃加热至1 050 ℃时，材料长期耐高温性能不足以及氢腐蚀、焊接焊缝在高温下防爆、防泄漏等问题难以解决，成为纯氢冶金的技术瓶颈.
研究结果表明，纯氢高温加热不能采用常规煤气或空气预热器方式，原因如下：①H2 原子半径小，具有极强的穿透能力；②与其他可燃气体相比，H2 燃点低、燃爆范围宽、泄漏等安全问题尤为突出；③加热材料的氢脆问题在高温高压条件下极为突出，这对与高温高压H2 接触的材料性能要求极高；④与其他气体相比，H2 的比热容较小，并且随着温度的升高，其比热容增加幅度小，当温度从0 ℃升至1 050 ℃，H2 比热容从1.277 kJ/(m3∙℃)增加到1.333 kJ/(m3∙℃)，而作为对比，CO 还原气的比热容则从1.298 kJ/(m3∙℃) 增加到1.418 kJ/(m3∙℃)，H2 加热吸热量更小.综上，H2 作为还原气体，加热难度远大于CO 还原气.
纯氢冶金采用纯H2 作为还原剂.与富氢冶金相比，H2 还原过程整体为吸热反应，且H2 的比热容显著小于CO，因此，需将H2 加热至950 ~1 050 ℃.目前，纯氢冶金的H2 加热方式主要包括电加热、换热、鼓氧提温以及耦合加热.
电加热采用电阻加热或感应加热的方式，将H2 加热至950~1 050 ℃，为还原反应提供所需的热量.电加热器可以突破高温下材质强度和氢腐蚀的限制，尤其适用于高温段.随着纯氢冶金与新能源的耦合发展以及碳减排要求的提高，电加热方式必然会成为纯氢冶金最主要的H2 加热方式.
在设备操作中，电加热装置需确保对地绝缘电阻不低于0.5 MΩ，严格遵循升温曲线操作，并实时监控电流、电压及电极仓温度等关键参数.
中国钢研历时多年，研发了H2 电加热装置，开发了H2 多孔蓄热体加热技术及相关材料，可以直接快速加热H2 至1 050 ℃，解决了目前金属管式换热器加热温度普遍低于830 ℃，不能将H2加热到1 050 ℃的技术难题.H2 电加热装置如图5 所示.
图5 纯氢竖炉H2 电加热装置
Fig. 5 Hydrogen electric heating device for pure hydrogen shaft furnace
(a)—实物；(b)—示意图.
3.3 高温还原气喷吹
纯氢竖炉包括炉喉、炉身、炉腰和炉腹四部分，如图6 所示.为改善H2 入口区域的热量集中现象，需优化竖炉还原段的温度分布与还原气氛的均匀性.纯氢竖炉高温H2 采用双层喷吹设计，其中主喷吹口位于炉腰中部，高温H2 经上下两个入口进入竖炉内部的环形气道，环道内均匀设置多个斜向下45°的喷吹口，高温H2 克服球团阻力到达中心区域；副喷吹口位于炉腹区域，H2 通过竖炉左侧的高温管道进入外部环管，环管沿45°倾角设置多个喷吹管进行喷吹，每个喷吹管与环管之间设置膨胀节消除热应力.
图6 纯氢竖炉各段示意图
Fig. 6 Schematic diagram of various sections of pure hydrogen shaft furnace
3.4 纯氢竖炉还原气循环
纯氢竖炉H2 加热和高效还原工艺是以电解水制氢、生物质制氢、碱金属制氢、光催化制氢以及其他制备工艺生产的纯氢[φ(H2)≥99%]作为单一补充还原气，经高温还原铁冷却系统注入竖炉完成换热，与电加热器升温至950~1 050 ℃的循环炉顶H2 混合形成高温还原气.
预处理合格的纯氢进入多个球形储氢罐(纯氢压力为1.6 MPa，温度为20 ℃)，经调压装置减压至0.40~0.50 MPa(表压)后，通过专用管道系统输送至竖炉(作为补充H2)入口.
高温还原气与氧化球团发生还原反应，生成金属化率≥96%的纯氢还原铁(H2-DRI).反应残余的炉顶H2 依次经除尘、降温、脱水、脱氮、加压及换热处理，再通过电加热器二次升温后，由竖炉分布式喷吹口注入炉内，与补充还原气重组形成高温还原气循环周期，其净耗氢量等于补充还原气注入量，实现竖炉还原过程零碳冶金，如图7 所示.
图7 纯氢竖炉工艺气及炉顶气回收流程图
Fig.7 Process flow for process gas and top gas recovery of pure hydrogen shaft furnace
纯氢竖炉加热工艺气中，O2 的体积分数应低于0.5%，N2 及其他杂质的体积分数宜低于0.7%，氧化度(即H2O 的体积分数) 不宜高于0.5%.
根据具体条件，纯氢竖炉炉顶气可采用湿法除尘和干法除尘，优选干法除尘.
3.5 纯氢竖炉炉顶气净化及余热回收
富氢竖炉炉顶气由两部分组成：一部分含有H2、CO 等还原气，另一部分含有水蒸气、CH4、CO2、N2、粉尘等组分.
纯氢竖炉炉顶气包含H2、水蒸气、粉尘、N2，主要成分是H2 和水蒸气，具体成分视工艺温度、H2 利用率而定.其炉顶气温度平均在250~350 ℃，含有大量的物理热，需要进行余热回收利用.纯氢竖炉炉顶气回收主要流程见图10.余热回收方式如下：采用管式换热器对脱水净化后的循环气预热至200~250 ℃；预热后的循环气进入电加热器，可以降低电加热装机负荷约25%.
3.6 抗氢侵蚀耐火材料和抗高温氢腐蚀材料
面向钢铁工业绿色低碳转型需求，需要开发氢冶金关键耐火材料，解决氢冶金竖炉炉衬在还原气氛下易发生微观结构劣化、H2 渗透侵蚀严重及结构失稳，以及熔分炉在处理高脉石直接还原铁时因高FeO 熔渣导致的炉衬侵蚀加剧、寿命缩短等问题，突破抗氢侵蚀耐火材料设计局限，使其抗侵蚀性能提升，开发复杂工况下能够应用的关键技术，形成适用于氢冶金竖炉与熔分炉的长寿炉衬材料体系，为氢冶金技术规模化推广提供重要支撑.
由于纯氢竖炉H2 需加热至1 050 ℃的高温，H2 具有极强的穿透能力.鉴于耐火材料的多孔结构特征，H2 很容易渗透其中，进入炉壳或管道内表面，形成穿透性气路，造成壳体或管道钢材表面温度局部温升；如果是碳钢，则H2 极易沿着晶界和微缺陷渗透，产生氢脆和氢鼓包，形成严重的安全隐患.为此，宜采用临氢耐热复合钢板与耐火材料进行耦合匹配设计.
纯氢竖炉及H2 输送管材面临挑战：金属材料长期处于氢环境中会发生力学性能劣化，导致自身脆化，即“氢脆”.氢脆是指氢原子溶解在钢中引起钢的延性和韧性损失，主要有常温氢脆和高温氢腐蚀(高于200 ℃).
氢脆主要表现为以下3 种现象.一是机械性能下降：氢原子溶解在钢中引起钢的延性和韧性损失，导致材料的伸长率和断面收缩率显著下降；氢脆一般发生在温度低于95 ℃时，随着温度的升高，氢脆效应减弱.二是氢致开裂：氢原子在缺陷/陷阱处形成氢分子，产生一定的氢内压，形成微裂纹；裂纹在氢内压的作用下可自动扩展并最终导致材料结构被破坏.三是氢鼓泡：氢原子在缺陷/陷阱处形成氢分子，产生一定的氢内压，该压力导致原微观缺陷扩展；如果材料内部缺陷的扩展方向对着表面，则产生氢鼓泡.
4 纯氢竖炉还原效果分析
4.1 纯氢竖炉还原原料
本轮试验采用的白云鄂博矿氧化球团如图8所示.进场氧化球团1 200 t，在中国钢研纯氢冶金基地5 万t 级纯氢竖炉中进行规模化试验.
图8 白云鄂博矿氧化球团
Fig. 8 Oxidized pellets from Bayan Obo mine
(a)—原料堆场；(b)—氧化球团.
对试验的白云鄂博矿氧化球团进行检测，其主要化学成分见表5，物理参数见表6.氧化球团原料全铁品位为61%，低于预期值，但不影响纯氢竖炉直接还原验证.球团矿S、P 含量比较低，有利于后续熔分脱除，其他成分在预期范围内.球团矿的抗压强度为2 524 N/个，高于要求值1 800 N/个；转鼓强度为95.80%，高于要求值93%.对入炉球团进行随机取样，得到球团的粒径分布和抗压强度分布，如图9 所示.球团粒径主要分布在13.5~15.5 mm，抗压强度主要分布在2 250~3 250 N/个.
表5 白云鄂博矿氧化球团主要化学成分(质量分数)
Table 5 Main chemical composition of oxidized pellets from Bayan Obo mine(mass fraction) %
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表6 白云鄂博矿氧化球团物理参数
Table 6 Physical parameters of oxidized pellet from Bayan Obo mine
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图9 入炉氧化球团粒径及抗压强度分布图
Fig. 9 Distribution of oxidized pellets
(a)—粒径分布；(b)—抗压强度分布.
利用金相显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪，对白云鄂博矿氧化球团的矿物组成及空间分布特征进行系统表征，结果见图10 和表7.由该球团矿中Fe2O3、FeO、SiO2、Al2O3、CaO、MgO 的显微结构观察结果可知，这些矿物呈细粒嵌布特征.由金相图[见图10(a)]可知，矿相粒径普遍小于80 μm，且存在复杂的相互包裹关系.经检测：谱图1 以Fe2O3、Ti2O5 为主；谱图2 以SiO2 为主，嵌布少量Fe2O3；谱图3 以Fe2O3 为主；谱图4 以La、Ce 等稀土氧化物及P2O5 为主；谱图5 以SiO2、CaO、FeO、MgO、Al2O 为主；谱图6 以Fe2O3 为主.
表7 各谱图元素含量(质量分数)
Table 7 Content of elements in spectral diagrams(mass fraction) %
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图10 入炉氧化球团微观结构
Fig. 10 Microstructure of oxidized pellets
(a)—金相图；(b)—扫描电镜图.
4.2 纯氢竖炉还原工艺过程
试验分为两个阶段：第一阶段从2025 年6 月16 日通氢进行还原试验，至2025 年6 月25 日停炉；第二阶段从2025 年12 月19 日通氢进行还原试验，至2026 年1 月4 日停炉.
试验工艺参数见表8，其中生产周期指的是自物料入炉至DRI 冷却后进仓的时间.
表8 纯氢还原试验工艺参数
Table 8 Pure hydrogen reduction test process parameters
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在第二阶段试验纯氢还原过程中，高温H2喷吹温度和压力曲线如图11 所示.净化后的炉顶气(即循环H2)压力为0.25~0.275 MPa，由H2 加压机加压至0.30~0.35 MPa，加压后温度为40~ 60 ℃，通过电加热器加热至1 000 ~1 050 ℃.加热后的高温循环H2 经上升管道分2 路进入纯氢竖炉腰部环形气室，由环形布置的喷吹孔喷入竖炉还原段.图11(a)展示了试验过程中的实时喷吹温度曲线，图中上方蓝色曲线为喷吹温度曲线，下方红色曲线为竖炉高温还原区温度曲线.由图可知，试验开始喷吹温度为930 ℃，温度略低，整个试验周期内喷吹温度基本在1 000~1 040 ℃，竖炉高温还原区温度在960~1 000 ℃，相对比较稳定.试验周期内喷吹压力曲线图如图11(b)所示，喷吹压力为0.25~0.285 MPa，比较稳定.
图11 高温H2 喷吹检测
Fig. 11 High-temperature hydrogen injection detection
(a)—温度；(b)—压力.
纯氢还原过程中炉顶气温度和压力曲线如图12 所示.为防止炉顶气温度过高，设置了炉顶喷雾装置，通过喷雾化水控温.由炉顶气温度曲线[见图12(a)，红、黑色分别为南、北侧2个测温点温度]可知，通过喷雾控制，温度不高于300 ℃.图12(b)为炉顶气压力曲线图，实际压力波动范围在0.225~0.275 MPa.
图12 炉顶气检测
Fig. 12 Furnace top gas detection
(a)—温度；(b)—压力.
纯氢还原过程中竖炉内竖向温度和压力曲线如图13 所示.图13(a)展示了竖炉还原区至炉顶的温度曲线.由图中高温还原区至炉顶的测温结果可知，温度呈现梯度下降，入炉球团从炉顶预热至高温区逐步完成还原.图13(b)展示了竖炉还原区至纯氢还原铁(H2-DRI)冷却段出口的温度曲线.由图可知，还原后，H2-DRI 通过与冷却H2换热，温度呈现梯度下降.由于H2-DRI 金属化率高，要求出口温度不高于80 ℃，为防止二次氧化，实际操作时，温度应控制在不高于40 ℃.图13(c)展示了竖炉竖向压力曲线.由图可知，竖向压差在0.025 MPa，纯氢竖炉炉内压力损失很小，H2 穿透力强，反应速率高.因此，与其他类型气基竖炉(如MIDREX 和HYL)相比，纯氢竖炉可以选取更小的操作压力，加压机能耗也得到大幅度降低.
图13 炉内竖向温度和压力检测
Fig. 13 Vertical temperature and pressure detection inside furnace
(a)—上部温度；(b)—下部温度；(c)—压力.
纯氢还原过程中炉顶气H2 含量(不包括水蒸气)如图14 所示.由于炉顶气中水蒸气检测方式采用抽气式，抽气管内存在冷凝现象，检测值有误差，会低于实际水蒸气含量(见图中蓝色曲线).本文中检测得到的炉顶气H2 含量(体积分数)是扣除水蒸气含量后的结果(见图上方橄榄色曲线)，为85%~95%.炉顶气氧含量(体积分数)实际控制在0.3%以内(见图下方绿色曲线).炉顶气中含有部分N2，需要进行脱附或定期放散.
图14 炉顶气成分检测(氢气/水蒸气)
Fig. 14 Furnace top gas composition detection (hydrogen/water vapor)
在一定的还原反应温度下，依据选择目标金属化率，纯氢竖炉操作周期可以根据实际情况进行调节.本文中选择的金属化率目标值为不低于96%，加热H2 温度为1 000~1 050 ℃，选取两种典型操作制度(8、16 h)，球团在纯氢竖炉中各区的通过时间如表9 所列.
表9 各区通过时间
Table 9 Residence time in each zone h
?
从第二阶段试验各项消耗指标看(见表10)，吨还原铁(DRI)净消耗入炉球团1.40 t，扣除粉尘排放量，与理论值1.37 t 相近.吨还原铁H2 消耗量为539.55 m3，高于理论值488 m3，原因是炉顶气放散排氮，造成H2 损失.
表10 第二阶段试验主要消耗(标准态)
Table 10 Main consumption for second stage test (standard state)
?
4.3 纯氢竖炉还原金属化率
一般情况下，参照行业标准YB/T 4170—2008 生产炼钢用直接还原铁，其金属化率不宜低于88%，SiO2 酸性脉石含量(质量分数，下同)不高于7.5%，S 含量不高于0.03%，P 含量不高于0.06%，As、Sn、Sb、Pb 和Bi 含量均低于0.002%，Cu 含量不高于0.010%.
为防止二次氧化，纯氢直接还原铁(H2-DRI)宜采用压块或压球的方式进行钝化处理.处理时，体密度不应小于3.5 g/cm3.
纯氢直接还原系统排出的还原铁温度应根据不同工艺路线确定，并采取对应措施，以避免再次氧化.
根据纯氢的特点，H2-DRI 金属化率宜≥92%，详见表11.
表11 纯氢直接还原铁金属化率技术指标
Table 11 Indicators for metallization rate of H2-DRI %
?
在试验周期内，H2 通过电加热器加热至1 000~ 1 050 ℃，实际喷吹温度为1 000 ~1 040 ℃，操作周期为8 h.通过取样分析，金属化率波动曲线如图15 所示. 由图可知，除开始通氢阶段料温未稳定，金属化率偏低外，随着H2 喷吹温度的稳定，经现场检测分析，金属化率快速提高，在96%~99%波动.
图15 纯氢竖炉试验运行中金属化率与运行时间的关系
Fig. 15 Relationship between metallization rate and operation time during trial operation of pure hydrogen shaft furnace
纯氢竖炉生产的金属化率为96%的还原铁(H2-DRI)如图16 所示.H2-DRI 出炉形貌见图16(a)，体密度为2.1~2.3 g/cm3，堆密度为1.0~1.8 g/cm3.压块后，H2-DRI 形貌见图16(b)，此时其体密度为3.75~4.0 g/cm3.
图16 纯氢竖炉还原金属化率为96%的H2-DRI 形貌
Fig. 16 H2-DRI images with a metalization rate of 96%by pure hydrogen shaft furnace
(a)—球团；(b)—压块.
对上述第一阶段(2025 年6 月16 日—25 日)和第二阶段(2025 年12 月19 日—2026 年1 月4日)纯氢还原过程取样，送交钢研纳克检测技术股份有限公司进行检测，结果见表12.由表可知，第二阶段检测时间从2025 年12 月22 日7 时开始，此时H2-DRI 金属化率达到稳态，除个别样品外，其余样品的金属化率均在96%以上.从检测结果来看，第一阶段金属化率平均值为96.41%，第二阶段金属化率平均值为96.46%.
表12 H2-DRI 金属化率检测结果
Table 12 Results of H2-DRI metallization rate %
?
对H2-DRI 进行化学成分检测，结果见表13.由表可知，由于来料氧化球团中全铁含量(质量分数，下同) 偏低[w(TFe) ＝61%]，H2-DRI中TFe 含量为83.15% ~83.32%，MFe含量为79.84%~80.38%，FeO 含量为3.49%~4.03%.纯氢还原理论计算结果显示，金属化率为96.5%，H2-DRI 中TFe 含量为83.33%，MFe含量为80.41%，FeO 含量3.75%.综上，试验结果与理论计算结果基本一致.
表13 H2-DRI 化学成分(质量分数)
Table 13 Chemical composition of H2-DRI (mass fraction) %
?
注：按照表中检测时间的先后顺序，w(MFe)分别为79.84%、80.38%、80.30%.
4.4 纯氢还原铁物理指标检测
对纯氢竖炉出炉还原铁(H2-DRI)进行球团强度检测，每批随机取60 个球团作为检测样本.经检测，抗压强度为675~860 N/个.对H2-DRI 金属化球团进行粒径筛分检测，3 mm 筛下粉化率均低于6%.对H2-DRI 金属化球团进行三维粒径检测，每批随机取60 个球团作为检测样本，粒径为12~14 mm，物理指标检测结果见表14.
表14 H2-DRI 物理参数
Table 14 Physical parameters of H2-DRI
?
4.5 纯氢竖炉还原铁微观结构
利用金相显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪，对纯氢竖炉还原铁(H2-DRI)微观结构进行表征，结果见图17 和表15.经检测：谱图1 和谱图5 均以金属Fe 为主；谱图2 以SiO2、Al2O3、CaO、MgO 为主，嵌布少量FeO；谱图3以SiO2、CaO、MgO、Al2O3 为主，嵌布少量FeO；谱图4 以FeO 为主，嵌布SiO2、Al2O3、MgO；总体而言，以金属Fe 为主，包裹SiO2、CaO、MgO、Al2O3、FeO 等氧化物.
表15 各谱图元素含量(质量分数)
Table 15 Content of elements in spectral diagrams(mass fraction) %
?
图17 H2-DRI 微观结构
Fig. 17 Microstructure of H2-DRI
(a)—金相图；(b)—SEM 扫描电镜图.
4.6 纯氢竖炉粉尘特性
进场原料共1 200 t，考虑筛下粉(5 mm 以内)占3%(共计36 t)，原料实际入炉量为1 164 t，竖炉粉尘回收总量为6.905 t，还原铁(H2-DRI)产量为825.29 t.其中，纯氢还原第一阶段试验用球团量为500 t，实际入炉量为485 t，竖炉粉尘回收量为3.785 t，还原铁产量为341.83 t，粉尘回收量与还原铁产量之比为1.11%(粉尘回收量与入炉料量之比为0.78%)；纯氢还原第二阶段试验用球团量为700 t，实际入炉量为679 t，竖炉粉尘回收量为3.12 t，还原铁产量为483.46 t，粉尘回收量与还原铁产量之比为0.65%(粉尘回收量与入炉料量之比为0.46%)，如表16 和17 所列.
表16 纯氢竖炉粉尘回收量
Table 16 Dust amount removed from pure hydrogen shaft furnacet
?
注：粉尘回收包括放散管粉尘回收和炉顶气粉尘回收，其中炉顶气粉尘回收包括旋风除尘器粉尘回收、浊环热水池粉尘回收、湿法除尘、反冲洗水池粉尘回收、浊环冷水池粉尘回收.
通过第一、第二阶段试验入炉料量、还原铁产量、粉尘回收量、炉顶气总量求得加权平均值，扣除筛下粉实际入炉吨还原铁平均矿耗系数1.41，粉尘回收量与还原铁产量之比的平均值为0.84%(粉尘回收量与入炉料量之比的平均值为0.59%)，标准态下炉顶气平均含尘量为2.33 g/m3，如表17 所列.粉尘主要在旋风除尘器中收集，放散管布袋灰也在其中占有一定比重.
表17 纯氢竖炉粉尘基本参数
Table 17 Basic parameters of dust generated in pure hydrogen shaft furnace
?
注：表中平均值为加权平均值，由第一、第二阶段的入炉料量、还原铁产量、粉尘回收总量加权求得；炉顶气含尘量＝炉顶气粉尘回收总量÷炉顶气总量.
由第二阶段试验中纯氢竖炉炉顶气旋风除尘灰激光粒径测试结果(见图18)可知：粒径为60~110 μm 的颗粒体积占比集中；粒径为83.26 μm 的颗粒体积占比达峰值(9%)；粒径大于325.2 μm的颗粒累计占比不到1%.
图18 纯氢竖炉炉顶气旋风除尘灰粒径分布
Fig. 18 Particle size distribution of dust removed by wet dust removal method from top gas of pure hydrogen shaft furnace
对第二阶段试验的5 种粉尘堆密度和安息角进行了测试，结果见表18.由表可知：堆密度最大的为放散管粉尘，达到2.12 g/cm3，主要由氧化球团原料和还原铁出炉粉尘组成；其次为旋风除尘器底锥段粉尘( 堆密度为1.75 g/cm3)，主要由氧化球团原料粉尘组成；所有粉尘安息角均小于30°.
表18 纯氢竖炉粉尘堆密度及安息角检测结果
Table 18 Bulk density and angle of repose of dust in top gas of pure hydrogen shaft furnace %
?
对第二阶段试验的5 种粉尘化学成分进行检测，结果如表19 所列.由表可知，放散管粉尘全铁含量(质量分数)最高，达72.22%，超过氧化球团原料粉尘，这说明其中有一部分由还原铁粉尘组成.
表19 粉尘灰化学成分(质量分数)
Table 19 Chemical composition of dust ash removed (mass fraction) %
?
注：按照表中试样名称的先后顺序，w(MFe)分别为15.62%、42.65%、4.37%、2.60%、2.64%.
5 结论
鉴于国内外纯氢冶金技术均处于起步阶段，对纯氢竖炉直接还原相关核心技术的研究十分必要，特别是规模化纯氢竖炉还原的试验应用几乎空白.在中国钢研科技集团有限公司自主开发的纯氢竖炉中进行规模化示范和应用，初步解决了纯氢竖炉还原的关键技术问题，并得到如下结论：
(1)具有自主知识产权的纯氢冶金具备制造过程绿色和产品洁净的优势，对于塑造我国竞争新优势，实现规模化消纳绿电、绿氢，优化能源结构，促进行业科技进步均有很强的引领作用.
(2)纯氢竖炉还原对原料及炉顶气净化处理的要求均低于富氢气基竖炉，但对还原气加热、抗氢侵蚀耐火材料和抗高温氢腐蚀材料的要求均高于富氢气基竖炉.
(3)白云鄂博矿氧化球团纯氢竖炉还原规模化试验验证结果表明，可稳定实现金属化率96%以上的还原铁生产目标.这证明了纯氢冶金工艺的适应性与工业化生产的可行性.
(4) 纯氢竖炉合理的H2 加热温度为1 000~1 050 ℃，压力为0.30~0.35 MPa，竖炉竖向总压差在0.025 MPa 左右.因纯氢竖炉炉内压力损失小，可以选取比其他类型气基竖炉(如MIDREX 和HYL)更小的操作压力，加压机能耗也可大幅度降低.
(5)在实际工况下，生产金属化率在96%以上的纯氢直接还原铁产品，H2 消耗量约为540 m3(标准态，1 t DRI)，还原铁金属化球团抗压强度为675~860 N/个，3 mm 筛下粉化率低于6%，粉尘回收量与入炉料量之比为0.59%，粉尘回收量与还原铁产量之比为0.84%，炉顶气平均含尘量为2.33 g/m3.
(6)完全国产化的纯氢竖炉在稳定操作、智能化控制、气氛调节、安全运行方面表现优异，为纯氢竖炉还原工业化生产提供了完整的解决方案.
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