摘要：钢铁冶金行业属于高耗能与高排放的典型工业领域，在“双碳”目标背景下正面临严峻的低碳转型压力，能源综合利用技术成为实现冶金行业深度脱碳的关键路径。副产气体高效回收与循环利用技术，借助焦炉煤气零重整工艺实现了氢气资源高值化利用，含氢量可达55%~65%；余热资源梯级利用与发电技术显著提升了能源利用效率，使综合能耗大幅降低；氢能冶金与清洁能源集成技术为行业低碳转型提供了根本性解决方案。工程应用表明，能源综合利用技术可实现减碳70%以上，为钢铁冶金行业绿色低碳发展提供了有效技术支撑。

　　关键词：低碳冶金；能源综合利用；副产气体回收；余热利用；氢能冶金

　　钢铁冶金行业碳排放量占全国总排放量的16%，传统高炉－转炉长流程工艺能耗高与碳排放强度大，难以适应环保要求。国际碳边境调节机制等政策进一步加剧了钢铁冶金行业转型压力，能源综合利用技术借助多能源协同优化与系统集成创新，为冶金行业低碳转型提供新路径。该技术涵盖副产气体回收利用与余热资源梯级开发及氢能冶金工艺创新等关键环节，构建了完整的绿色冶金技术体系，深入研究能源综合利用技术对推动钢铁冶金行业绿色转型具有重要意义。

　　1冶金能源消耗现状与低碳转型挑战

　　钢铁冶金作为国民经济的重要支柱产业，正面临着严峻的能源消耗与碳排放挑战。2024年全球粗钢产量大约为18.4亿吨，其中中国产量达10.05亿吨，占全球产量54.6%。传统高炉-转炉长流程工艺依旧占据主导地位，其单位产品能耗高达572千克标准煤每吨且碳排放强度达2.38吨二氧化碳每吨钢。根据中钢协统计数据，2024年1-11月中国钢铁重点统计企业亏损面达到42.39%，同比扩大3.26%，销售利润率仅为0.71%，反映了传统生产模式的不可持续性。在“双碳”目标约束以及环保政策趋严背景下，钢铁冶金行业亟须通过副产气体回收利用、余热资源梯级开发，以及氢能冶金等能源综合利用技术实现生产工艺根本性变革，推动从高耗能高排放的传统模式向清洁高效的低碳冶金转型，为实现碳达峰碳中和目标提供有力支撑［1］。

　　2低碳冶金的能源综合利用技术研究

　　2.1副产气体高效回收与循环利用技术

　　钢铁冶金过程产生的焦炉煤气、高炉煤气以及转炉煤气等副产气体含有丰富的可燃组分，但传统工艺中大部分作为燃料直接燃烧，能源利用价值未得到充分发挥。其中，焦炉煤气含氢量高达55%~65%，甲烷含量23%~27%，回收路径成熟，资源稀缺性更强，通常作为副产气体优先回收利用的选择，通过零重整技术可实现气体组分的深度调控优化。该技术采用催化裂解工艺，在竖炉内部高温环境下将甲烷等烷烃组分转化为氢气和一氧化碳，实现了气体成分的原位优化［2］。某大型钢铁企业建设的副产气体综合利用系统包括气体净化单元、成分调控单元、循环供给单元，通过多级分离技术去除硫化氢与氨气等杂质组分，净化后的气体氢碳比可达8:1以上。副产气体循环利用的质量平衡方程为式（1）：

　　式中，min为进料气体质量流量；CH2，in为进料氢气浓度；mrec为循环气体质量流量；CH2，ree为循环气体氢气浓度；mout为出料气体质量流量；CH2，out为出料气体氢气浓度；mcons为消耗气体质量流量；CH2，cons为消耗气体氢气浓度。式（1）可优化气体循环系统的物料配比，借助调控循环比例达成气体成分的精准控制，系统配有智能化监测装置，可实时检测气体成分变化，可动态调整混合比例和循环流量，以此确保供给竖炉的还原气体成分保持稳定。与传统工艺相比，气体利用效率提升35%以上，实现了副产资源的高值化转化。

　　2.2余热资源梯级利用与发电技术

　　冶金生产过程产生的余热资源具有温度跨度大、品位差异大的特点，烧结机余热温度能达到350~450℃,轧钢加热炉余热温度为200~300℃,炉渣显热温度高达1400~1500℃。梯级利用技术根据余热品位差异设计了多级回收方案，将高品位余热优先用于蒸汽发电，中品位余热用于原料预热以及工艺加热，低品位余热则用于厂区供暖以及生活热水制备。某钢铁企业余热梯级利用系统采用三级回收设计，一级回收利用烧结环冷机余热进行蒸汽发电，装机容量15MW，年发电量1.2×108kW·h；二级回收利用轧钢余热对连铸坯进行预热，预热温度提升至200℃；三级回收利用低温余热供给办公区域采暖系统［3］。余热梯级利用系统的能量回收效率计算公式为式（2）：

　　式中：ηrecovery为能量回收效率；Qrecovery为实际回收的热量；Qavailable为可回收的总热量；mi为第i级各级换热器的工质流量；CP，i为第i级工质的定压比热容；Tin，i为第i级换热器进口温度；Tout，i第i级换热器出口温度；Qwaste，total为废热总量。式（2）用于指导梯级回收系统的设计优化，通过合理配置换热设备实现了热能最大化回收，换热器网络采用逆流布置方式，以最大化传热温差，配置板式换热器以及管壳式换热器处理不同工况余热回收，通过热泵技术提升了低品位余热利用价值，整个梯级利用系统综合热回收率达到82%，年节约标准煤3.6×104t，为副产气体加热以及氢冶金工艺提供了稳定热源。

　　2.3氢能冶金与清洁能源集成技术

　　氢能冶金技术基于现有氢源构建了多元化氢气供应体系，涵盖焦炉煤气制氢与工业副产氢回收及现有电力富余时段电解水制氢等技术路径，工业副产氢通过深冷分离技术实现高效回收，电解水制氢系统利用厂区自备电厂低谷时段富余电力，与其他氢源形成互补供应体系［4］。某钢铁集团氢能冶金示范工程建设了综合制氢系统，日产氢气能力达到150吨，其中焦炉煤气制氢占比65%，副产氢回收占比25%，富余电力制氢占比10%。如图1所示，氢能冶金与清洁能源集成技术框架包含氢源供应、储运系统、冶金反应以及产品利用四个核心环节，通过智能能源管理与控制系统实现各环节的协调优化。氢气储存采用高压气态储氢方式，储氢压力20MPa，储氢容量8000m3，配备自动化氢气输送管网保障竖炉连续稳定供氢，竖炉反应器采用多点供气技术确保氢气分布均匀，直接还原铁产品金属化率稳定在94%以上。该技术体系通过统一的能源管理平台实现多能源协调优化，将整体能源利用效率提升22%以上，为传统冶金工艺向低碳氢冶金工艺转型提供了完整的工程解决方案。

　　3能源综合利用技术的应用与效果

　　3.1示范工程建设与运行优化

　　能源综合利用技术在钢铁冶金行业的工程应用需要多系统协同建设以及全流程优化控制，某大型钢铁集团120万吨氢冶金示范工程采用了模块化建设方案，将副产气体回收系统、余热梯级利用系统以及氢冶金生产系统进行了一体化集成设计。如图2所示，工程建设按照前期设计、模块建设、系统集成以及调试投产四个阶段有序推进，总建设工期17个月。借助数字化建模技术优化了设备布局，气体净化装置与竖炉系统距离控制在500m以内减少管道压损，余热回收换热器采用就近布置原则实现热能高效传输，氢气储存设施配置在生产区域中心位置确保供气半径最小化。工程建立了多参数耦合控制系统以优化运行，通过实时监测副产气体成分变化动态调整净化工艺参数，根据余热温度波动情况自动切换梯级回收模式，依据生产负荷需求智能调节氢气供应流量以及压力等级［5］。系统集成控制平台实现气体流量与温度分布以及氢气浓度的精确协调，整个示范工程年运行时间达到8200h，设备综合效率保持在92%以上，为能源综合利用技术的规模化推广提供了完整的工程示范。

　　3.2节能减排效果与经济效益分析

　　能源综合利用技术在示范工程中的实际应用效果，是通过对比分析传统工艺与新技术的关键指标来量化评估的，这为技术的推广应用提供了重要的数据支撑。

　　如表1所示，能源综合利用技术跟传统冶金工艺相比在节能减排方面有显著优势，碳排放强度大幅降低验证了该技术路径的有效性，经济效益分析表明，这项技术通过提升副产气体利用率以及余热回收率实现了能源成本的有效控制，年节约标准煤15.6万吨，达到预期目标，投资回收期6.8年，处于合理区间范围内，具备良好的经济可行性，为钢铁企业低碳转型提供了技术与经济双重保障。

　　3.3技术推广应用与产业化前景

　　能源综合利用技术在示范工程中取得了显著成效，为其在钢铁冶金行业规模化推广奠定了坚实基础，目前国内多家大型钢铁企业已经启动相关技术改造项目，降低工程建设成本以及技术应用门槛［6］。伴随碳交易市场机制的完善以及碳减排价值的市场化实现，能源综合利用技术的经济优势将会进一步凸显，根据首钢集团等代表企业的示范工程成功实践，该技术正在钢铁行业加速推广，成为推动行业低碳转型的主导技术路径，为实现钢铁工业碳中和目标提供重要技术保障。

　　4结语

　　能源综合利用技术为钢铁冶金行业低碳转型提供了系统性技术解决方案。副产气体高效回收技术实现了焦炉煤气等副产资源的高值化利用，使气体利用效率显著提升；余热梯级利用技术有效提高了能源利用效率，使能耗水平持续降低；氢能冶金技术为行业深度脱碳奠定基础，DRI产品金属化率达94%以上。工程实践表明，能源综合利用技术具有显著的节能减排效果与良好的经济效益。随着技术不断完善与成本持续下降，能源综合利用技术将在钢铁冶金行业得到广泛推广应用，推动行业实现绿色低碳高质量发展，为国家碳达峰碳中和目标实现贡献出重要力量。

参考文献

　　［1］袁野，宋腾宇，张红印，等.冶金技术在钢铁工业低碳发展中的应用研究［J］.中国金属通报，2025（3）：7-9.

　　［2］司方远，段玉戈，盛康玲，等.绿氢冶金综合能源系统优化：关键问题与研究框架［J］.中国电机工程学报，2025，45（16）：6203-6223.

　　［3］魏甲明，邓升安，姚亮，等.关于冶金行业能源管理的研究与思考［J］.中国有色冶金，2024，53（4）：1-12.

　　［4］王云霁.基于低碳减排要求下的钢铁冶金绿色技术应用探讨［J］.山西冶金，2023，46（12）：67-69.

　　［5］杨富廷.基于“双碳”背景的钢铁企业节能低碳发展技术路径探析［J］.山东冶金，2023，45（4）：51-55+62.

　　［6］崔志峰，徐安军，上官方钦.国内外钢铁行业低碳发展策略分析［J］.工程科学学报，2022，44（9）：1496-1506.