一、研究的背景与问题

2020年9月22日，在第75届联合国大会期间，习近平总书记代表提出中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。习近平总书记在党的二十大报告中指出，“推动经济社会发展绿色化、低碳化是实现高质量发展的关键环节”。钢铁行业作为国民经济的支柱行业，肩负着国家基础材料生产的重任，同时，钢铁行业作为传统耗能大户与碳排放大户，碳排放占比达到全国排放总量的15.2%。我国粗钢产能90%以上通过高炉-转炉长流程生产，其中，焦化环节碳排放量占全流程4.5%，烧结环境碳排放量占11.5%，高炉环节碳排放量占73.6%，即90%的碳排放来自铁前工序。钢铁行业的低碳化进程直接关系“双碳”目标的达成。

二、解决问题的思路与历程

“纯氢冶金”是以100%氢气取代碳作为还原剂的零碳炼铁技术，可采用风能、太阳能等绿色能源制氢提供氢源，氢气的还原反应产物只有水，过程零碳排放，并且避免了碳质还原剂对金属铁的污染，产品洁净，对碳中和冶金新流程再造具有重要意义。

中国钢研是我国最早从事氢冶金技术开发的单位，早在上个世纪五、六十年代就提出了发展气基竖炉还原，在1999年就提出了纯氢冶金及其相关超纯高端材料制备的理念，经过多年的探索和攻关，形成了氢冶金科学理论系统。最近，经过3年多的技术集中攻关，突破了“工艺+装备+软件”全链条的关键技术。打通了从纯氢还原到高纯铁制备的全流程工艺，开发了纯氢分体式竖炉、松料及排料装置、氢气高温电加热器等6大核心装备技术，突破了氢气高温加热、传动结合部位动态密封、循环加热及冷却气自调节等十大核心技术。

三、主要创新性成果

1、首次打通纯氢冶金及高纯铁生产流程，实现纯氢竖炉准工程化示范，单位时间达产。构建了纯氢冶金洁净化生产模型、开发和应用了纯氢竖炉还原优化控制模型、建立了能量流-物质流-信息流高效协同运行机制；自主研发、设计并建造了纯氢竖炉工程，安全性、可靠性以及技术可行性得到充分验证，稳定生产2000小时，生产氢还原铁4000吨，实现纯氢冶金“熔分即高纯”的技术优势。

2、首创纯氢高温加热工业化技术。规避了管式换热技术换热管高温强度下降、致密度降低、氢气腐蚀等制约纯氢高温加热的难点问题，实现还原氢气温度常态化950℃~1050℃。

3、创新开发了纯氢还原反应器。设计高温还原气多梯度可调节喷吹的纯氢竖炉，达到直接还原铁物理热极效利用、物料抗压强度要求显著降低、竖炉温度场与还原场极致优化的目的，实现系统热效率提高15%~20%、直接还原铁粉化率降低30%、氢气一次利用率提升5%的集成化效果。

4、首创多维度松料与多级排料长效稳定运行技术。开发耐高温磨损及氢腐蚀合金叶片材质，研制“多维度松料与多级排料”体系化传动设备，解决了高温炉料粘结、还原与冷却料流独立可控的行业共性难题，实现生产运行宽范围调节，提高纯氢竖炉原料适应性。

5、构建了纯氢竖炉多相多流稳态控制系统。基于氢气管路压力自适应平衡与直接还原铁排料温度靶向控制模式，创新研发了氢气的自感知-自调节闭路多重耦合控制系统，实现氢气有序安全。

四、应用情况与效果

2024年1月6日，中国钢研科技集团有限公司自主研发和建设的纯氢多稳态竖炉示范工程正式运行，实现我国纯氢竖炉工程的首次成功应用，标志着我国自主研发纯氢冶金技术从“0”到“1”的突破以及“富氢”冶金向“纯氢”冶金的技术跨越。纯氢竖炉示范生产线首次试运行即达到了运行时间300小时，产品金属化率93%的初级目标。4月完成稳定生产运行，产品常态金属化率达到97%~99.4%；示范线经过60天长时间连续稳定生产运行，于7月30日完成项目验收，并于8月14日通过由中国金属学会组织的“万吨级纯氢冶金技术开发与示范应用”项目科技成果评价，评价委员会认为项目总体成果达到国际领先水平。

目前，该项目入列国务院国资委战新产业首批“百大工程”。近期，该项目还进行了全球首次基于纯氢冶金的钒钛磁铁矿工业化高效分离技术试验，累计获得纯氢还原钒钛球团产品300余吨，还原后平均金属化率达到97%，获得铁水中几乎无碳，且使钒、钛元素高效富集在渣中，为高效开发钒钛磁铁矿资源提供新思路。

图1.中国钢研纯氢竖炉

获得授权发明专利41件、国际专利1件。发表论文11篇。获软件著作权10项。形成了完全自主知识产权的纯氢冶金工程与生产整体技术。

纯氢冶金技术的成功开发，纯氢冶金技术的成功开发，不仅打破了我国钢铁行业过程降碳与洁净生产的技术瓶颈，也打通了绿氢在氢冶金领域的应用通道，补齐了绿电→绿色冶金→高端制造全流程最重要一环；为钢铁行业降碳、绿色电氢消纳、高纯铁低成本制备、高端铁基新材料生产、低品位铁矿石应用等领域发展，奠定了坚实的技术基础，具有广阔的应用前景。

信息来源：中国钢研科技集团有限公司氢冶金中心

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