摘要：随着社会对节能减排和可持续发展关注的加剧，钢铁行业面临着巨大的环保压力。为解决传统冶金工艺的高能耗和高排放问题，文章以富氢冶金技术为例，对氢基竖炉和氢基流化床直接还原炼铁技术进行研究，重点对其具体技术要点进行分析，并从发展角度出发，提出加强技术研发与创新、推动政策支持与行业合作，以及开展市场推广与应用示范等解决措施。通过文章的研究结果，以期促进富氢冶金技术在钢铁行业的应用，实现绿色转型与可持续发展。

　　关键词：钢铁行业；富氢冶金技术；氢基竖炉；氢基流化床

　　全球对环保及可持续发展的重视程度正逐步呈现递增态势，钢铁业同时遭遇巨大的减排压力及转型方面挑战，传统炼铁工艺以煤炭充当主要还原介质，导致大量的二氧化碳被排放，成为温室气体主要来源。基于此背景，富氢冶金技术得到广泛运用，成为应对低碳钢铁生产需求的关键解决路径之一，该技术包含主要是氢基竖炉直接还原炼铁，以及氢基流化床直接还原炼铁两种工艺，借助氢气作为环保型还原剂，极大减少了二氧化碳的排放量。文章主要探讨富氢冶金技术核心工艺要点及其发展规划，为钢铁行业绿色转型给予指引与借鉴。

　　1氢冶金技术原理分析

　　以富氢冶金技术为例，该技术是利用氢气作为还原剂，在高温条件下将铁矿石中的铁氧化物还原为铁的工艺过程。如图1所示，该技术核心原理为氢气跟铁矿石中的氧化铁起化学变化，氢气在还原反应期间把氧化铁里的氧去掉，生成水蒸气成分，最终铁被脱离释放。与传统碳基冶金手段相比，富氢冶金技术极大降低了二氧化碳的排放水平，体现出更优异的环境友好水准。由于氢气具有较好的还原能力，该技术在低温状况下同样能有效实施还原反应，拉高能源利用的效率水平，使用氢气可通过可再生能源实现生产，再度加大冶金过程的可持续力度。当全球对减排要求持续上扬，富氢冶金技术在钢铁行业中的应用前景愈发广泛，成为实现低碳冶金关键路径之一。

　　2氢冶金技术路线

　　当前钢铁行业在富氢冶金研究中逐渐形成多种技术路线，其中与直接还原铁生产相关的主要有氢基竖炉技术和氢基流化床技术这两种。

　　2.1氢基竖炉直接还原炼铁技术

　　2.1.1反应温度与压力控制

　　在氢基竖炉的直接还原炼铁技术中，控制反应的温度与压力是保障还原反应效率及产品质量的关键因素。反应温度控制在800~1100℃,会引发铁矿石还原反应进程，在该温度范围内，氢气与铁矿石内的氧发生反应，产出金属铁与水蒸气。要实现反应温度稳定化，炉内温度监测系统应及时反馈数据内容，协同燃料供应及冷却系统，应对炉内热量多样变化压力精准把控，将压力维持在常压到0.5MPa兆帕范围内。依靠对炉内气体流量、氢气跟其他气体比例调节，妥当管控反应情形。若呈现高压条件，氢气溶解程度提高和反应速率上扬，助力还原进程迅速开展。设计反应器的同时需要考虑耐压材料的选择，实现高压环境下安全操作运行，还需优化炉内气体的流动模式，达成氢气均匀延展，杜绝局部过热或者冷却的情形，依靠计算流体动力学模拟，可预估不同操作状态下的气流分布，从而对进气口设计跟流量设置做出改变，实现理想的反应条件[1]。该技术要点具有显著应用效果，例如，宝钢湛江钢铁百万吨级氢基竖炉项目采用全球首创的“多气源直接加氢零重整直接还原竖炉”Hyresp-100工艺，实现国内百万吨级氢基直接还原炼铁技术突破。具体技术参数如表1所示。

　　从表1数据可看出，项目投产后每年减少CO2排放量超50万吨，当氢气使用比例达到90%时，碳减排成效可突破90%，和传统高炉长流程相较，极大减少了环境方面的影响。

　　2.1.2还原时间和反应动力学设计

　　通过线性回归分析，可以得到反应速率常数k值，并结合Arrhenius方程进行拟合，从而得到活化能Ea。在实际操作开展阶段，施行不同氢气流量及反应温度设置，把还原时间跟生成铁量进行记录，依靠上述公式进行相关计算，求出特定条件下反应动力学参数。

　　2.1.3还原剂与矿石配比

　　根据铁矿石的类型和特性确定还原剂与矿石的配比，精准确定合理的氢气流量与矿石投入量。一般根据矿石粒度及形状对氢气流量进行调整为宜，实现气体均匀扩散，且与矿石充分接触，实验中选取不同氢气与矿石质量比做测试，借助对还原率与反应时间做分析，选择出最合适的配比。若氢气跟矿石质量比处在特定范围之中，反应速率则显著加速，且所生成铁水拥有较高的品质。在实际操作中，必须实时监测氢气的纯度和流量，并按照反应表现动态优化配比，优化还原成效同时增进资源利用效益[2]。

　　2.1.4竖炉设计与材料选择

　　从氢基竖炉直接还原炼铁技术角度出发，竖炉设计要考虑炉体结构牢固程度和耐高温表现，因此，可选用耐火砖与耐热钢材料。耐火砖挑选需考量其热传导性与耐压能力，一般采用材料为铝土矿砖和镁砖，应根据原料颗粒大小和流动性对炉体直径与高度做优化处理，直径可设定为3~5m，高度可设置为10m，从而实现气流和还原反应的均匀分布。炉内温度维持在900~1200℃,可实现氢气还原良好效果，氢气供应系统设计恰当管道分布，采用不锈钢或是合金物料，杜绝氢气出现泄漏等现象。炉底排渣口宜设置到适宜高度，实现渣料顺畅排出之目的，且防止还原铁沾染污染。

　　2.2氢基流化床直接还原炼铁技术

　　2.2.1流化气速与颗粒分布控制

　　流化气速的选择直接关联着颗粒流化情形，若气速过低，易引发颗粒沉积，而气速过高，则造成颗粒出现过度流动的现象，冲击还原反应均匀属性，流化气速计算公式如式（3）：

　　实际操作过程中，流化气速一般会被设置在颗粒最小流化速度的上方，保障颗粒维持流化，借助对颗粒直径管控与气体流速的调校，实现颗粒均匀地分布，以此提高还原反应效率。在流化床运行阶段，实时探查气速及颗粒分布的变动情形，根据上述公式做动态改良，能有效实现反应条件的改良，强化反应的稳定高效状态。

　　2.2.2反应温度与氢气浓度优化

　　针对氢基竖炉直接还原炼铁技术，反应温度一般是设定在800~1000℃,温度一旦过高，就会引发氢气分解，进而造成能量浪费。若温度处于较低水平，还原反应速率会被降低，使最终产物质量出现偏差，依靠热平衡估量，可精准判定最佳反应温度，一般会将950℃认定为优化聚焦点。

　　优化氢气浓度关系到反应气体的构成，正常要求氢气浓度维持在70~90mg/m3，可使还原反应得到充分发挥，通过调整氢气与其他气体流量的比例关系，可使浓度实现优化效果。采用实时监测技术，凭借气体分析仪器对反应气体展开在线监测，保障氢气浓度符合设定范围。当氢气浓度攀升至80mg/m3，铁矿石还原率可提高至较高水准，且反应速率大幅提升。

　　2.2.3流化床反应器设计

　　流化床反应器设计阶段，需先敲定反应器的几何形状和大小。若采用圆柱式结构，应按照颗粒流化特性对反应器直径加以计算，流化床高度介于反应器直径2~5倍。作为关键参数，流化床内气体流速，选定为临界流化速度的1.2~1.5倍，助力颗粒达成充分的流化。另一方面气体分配器设计也举足轻重，可采用多孔板或喷嘴形式，实现气体流动均匀态势，杜绝气体死区及流动不均匀现象，选定颗粒直径为0.1~0.5mm，实现反应速率的提升和流化效果的优化[3]。

　　另外，后续还要考量反应器温度控制体系，采用电加热以及热交换器开展温度调整，使反应温度限定在700~900℃,反应器压力要维持在常压或轻微增压的状态，驱动氢气的还原反应开展。为加快反应高效性，可为流化床反应器配备一套循环系统，将未反应颗粒送回反应区，实现物料的有效利用，反应器材料挑选应具备耐受高温及抗腐蚀能力，一般采用不锈钢或者耐火材料，反应器整体结构需具备较好的密封性，防止气体的泄漏，保证系统实现安全运转。

　　3钢铁行业氢冶金技术发展策略

　　3.1技术研发与创新

　　在富氢冶金技术研发与革新的进程中，主要手段有新材料创制、反应环节优化以及氢气制造与存储技术。就新材料而言，要聚焦高性能耐热合金与耐腐蚀材料，增强竖炉和流化床反应器使用寿命及效率，采用尖端合金化手段，研发出拥有更高耐热性及抗氧化能力的材料，有效延长设备运转周期。反应过程优化借助计算流体动力学（CFD）模拟达成，审视气流分布及温度场情形，革新氢气跟矿石接触形态，由此提升氢气运用成效。就氢气制取与贮存而言，主要针对电解水制氢技术的改良，采用高效能电解槽和创新催化剂。常温常压时，氢气存储技术借新型合金材料实现存储密度增大，实现能量密度的上扬，各类方法协同作用，带动富氢冶金技术演进，增进工艺总体经济性及可行水平[4]。

　　在技术创新活动开展阶段，还需凭借焦炉煤气与天然气掺氢技术达成持续优化，钢铁企业全面运用焦炉煤气的副产氢资源，构建“制氢-储运-应用”的闭环回路，大幅削减制氢成本，对焦炉煤气处理及转化过程实施优化，高效能抽提氢气，搭建稳定的氢气供给链条。该策略可壮大企业区域产业竞争力量，增进成本把控能力，让企业于市场角逐中占据更有利态势。氢能及天然气掺氢技术在金属加工流程中的运用，也为技术革新开拓新路径，如火焰切割的金属加工环节中，采纳氢-氧火焰切割技术，与传统切割途径相比，有着切缝窄、钢材消耗低的优势，达成零碳排出效果，借助这种技术实施可有效促进加工效率提升，减轻材料的无谓消耗，进一步助力钢铁企业向绿色制造方向过渡。

　　3.2政策支持与行业合作

　　在钢铁行业实施富氢冶金技术推进期间，政策支撑与行业合作是关键。政府可借助出台相关政策，支持企业开展技术研发及设备的更新换代，确切举措为设立专门经费，助力富氢冶金技术研发相关项目。采用税收减免及补贴策略，舒缓企业经济重压，政府要推进氢气生产及供应链打造，实现氢气供应稳定性及经济性目标，促使氢能基础设施完善升级。

　　从行业合作层面出发，企业之间可搭建产学研合作框架，与高校、研究机构合作开展富氢冶金技术基础研究与应用方面开发，汇拢技术革新联合动力，行业协会可起到协调上的效能，促进企业彼此开展技术交流与配合，助力标准化事项开展，确定行业技术标准与相应规范，提升行业技术综合水平。依靠联合研发和资源分享，企业得以加速技术推广应用步伐，形成良性竞合互动关系，增大整个行业的创新成效和市场竞争砝码。

　　3.3市场推广

　　在富氢冶金技术市场推广策略阶段，起始阶段需明晰目标市场及潜在客户群体，依靠市场考察与需求分析，分辨出存在低碳冶金技术需求的钢铁生产单位以及相关产业链上下游企业，开辟富氢冶金技术示范区域，用实际应用来揭示富氢冶金技术可行能力与经济意义，激起潜在客户留意。同时编排针对性营销规划，运用各类渠道实施宣传，包括行业商务会、巡回展、专业刊物集以及在线端口，宣扬技术长处与成功实例，之后可筹备技术培训及研讨交流会，加深行业对富氢冶金技术的认识，加固客户信任根基，且同行业协会以及科研机构构建合作关联，带动技术标准的制定与铺开，增强市场认可度。对应多样客户需求情形，赋予个性化解决模式与技术援助力量，巩固客户依存关系，创建良好售后运维体系，保障客户技术实施进程顺畅无阻，进一步提高客户满意度以及市场的赞誉度。

　　4结语

　　综上所述，富氢冶金技术具有显著潜力与明朗前景，借助实施氢基竖炉和氢基流化床直接还原炼铁技术，不仅可明显降低二氧化碳的排放规模，还能提升资源运用效能，助力钢铁制造迈向低碳、绿色方向。为实现这一目标，行业应加大技术研发上的投入份额，助力政策支撑与行业配合，另外主动探求市场推广途径，富氢冶金技术可为钢铁行业的可持续性拓展提供有力支撑，促进全球能源转型，推动环保目标达成。

参考文献

　　［1］刘何美，谢朝明.直接还原铁生产中的富氢冶金技术探讨［J］.工程建设，2024，56（12）：1-7.

　　［2］杜一鸣，郭豪，游高，等.绿色低碳氢冶金技术研究进展［J］.矿业工程，2024，22（2）：62-65+69.

　　［3］赵志龙.绿色低碳氢冶金技术进展及前景展望［J］.绿色矿冶，2023，39（5）：1-8.

　　［4］张颖，王莹，查松妍，等.钢铁行业氢冶金技术路线及发展现状［J］.烧结球团，2023，48（4）：8-15+23.