可以预见的是，目前以及未来相当长的时间内，高炉-转炉工艺都是我国钢铁冶炼的主流 工艺，而基于高炉加以改进、减少高炉冶铁过程中的碳排放量，则是我国钢企短期减碳 较合理的发展方向，其中高炉富氢工艺发展较为成熟。

高炉富氢通过在高炉中喷吹高浓度的焦炉煤气（其中富含高浓度的 H2 和 CH4），用还原 气替代传统高炉中焦炭和煤的作用；辅以炉顶煤气循环技术（TGR）和碳捕集、封存、 利用技术（CCUS），将高炉煤气中的 CO、H2 循环再利用，CO2 捕集、封存地下、或用 于工艺生产，从而减少高炉冶铁流程中的碳排放。

短期卓有成效，长期能力有限

向高炉中喷吹焦炉煤气的浓度决定了该工艺经济效益和减碳效果。浓度越高，生产效率 越高，减碳效果越好。一方面，H2 具有还原性，焦炉煤气浓度增加时，炉内还原气浓度 上升，炉料还原加速，从而提高生铁生产效率，H2 参与还原越多，对焦炭的消耗越少； 另一方面，H2 参与还原反应时，炉内需要喷吹更多的富氧进行热补偿，富氧浓度的增加 强化了回旋区碳的燃烧，有利于炉料的快速下降。

但是，焦炉煤气浓度提高时，H2的利用率下降，对还原气利用率的提升边际递减。考虑 到焦炉煤气和富氧的成本，喷吹焦炉煤气在吨铁 50m3 时具有最高的经济效益。

尽管焦炉煤气减碳能力随着浓度得提升而增强，但是焦炉煤气对焦炭的替代作用有限： 1）从热源上看，高炉冶炼中 70%-80%的热源是碳燃烧提供，H2 还原铁是吸热反应，反 应时需要不断提供热量；2）从还原率看，H2 的密度小，在高炉中停留的时间短，相比 于焦炭对铁的还原率更低，使生产效率下降；3）从骨架作用上看，氢的密度和分子结构 决定了氢无法像碳一样在高炉中起到支撑骨架的作用，使得还原气和炉料的接触不充分。

减碳效率的边际下降也掣肘了该工艺的减排能力。根据梅钢 2 号高炉实验，喷吹焦炉煤 气的浓度为吨铁 50 m3 时，吨钢可以减少 45.7kg 焦炭的使用量；100 m3 时，减少 64.1kg 焦炭的使用量；注入焦炉煤气浓度上升时，H2 利用率下降，还原气利用率增量边际递减 也印证了这一点。从目前技术上看，高炉富氢可减少约 10%的碳排放。

高炉富氢+碳循环+CCUS：完美互补，合力减排

发展炉顶煤气循环技术（TGR）对低碳炼铁有重要意义。从经济性看，高炉煤气由 N2、 CO、CO2、H2 组成，其中 CO 和 H2 可用于还原铁；由于冶炼过程对还原气的利用率有 限，可将未利用的还原气循环使用，降低成本、减少能耗；从环保性看，高炉煤气中的 CO2 是整个炼钢过程碳排放最主要的来源，炉顶煤气循环技术将 CO2 和还原气分离，结 合 CCUS 技术可以减少碳排放。

欧盟开发的超低 CO2 炼钢项目（ULCOS）实现了高炉富氢和 TGR 技术的结合：1）用 低温纯氧代替热风从炉缸风口吹入,去除高炉煤气中不必要的 N2；2）使用来自于焦炭和 喷吹煤中的低碳燃料；3）利用真空变压吸附技术（VPSA），将 CO2 从高炉煤气中分离， 从而实现对还原气体的循环利用+对温室气体的处置。目前这一技术已在小型高炉中实 现，据测算，高炉富氢和 TGR 技术的结合可减少约 30%的碳排放。

捕集 CO2后，通过碳捕集、利用、封存技术（CCUS）将其低成本、无害化处置以减少 碳排放是这一工艺的长期发展方向。CCUS 技术可将 CO2 用于工业材料（如水泥、甲醇 燃料）生产，或将 CO2 液化后泵入咸水层、油气层封存，从而达到减少碳排放的目的。 目前这一工艺仍在实验阶段，处置成本较高，而随着 CCUS 技术的成熟，高炉富氢碳循 环工艺将具有更大的减排潜力。

我们预期，短期内，高炉富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放可行的方案：1）我国 钢铁生产近 90%左右基于高炉-转炉流程，高炉富氢技术基于现有的高炉设备，改造成 本较低；2）钢厂绝大部分资产是基于长流程炼钢，如果不能延续，资产保值带来压力； 3）富氢技术经过多年研发，技术比较成熟，且在海外已有应用；4）该技术具有良好的 减碳效果，高炉富氢和 TGR 技术的结合预计可减少 30%碳排放，和 CCUS 技术结合可 减少 30%-50%碳排放，能够满足国内钢厂短期减碳目标。

2030-2035 年之间，钢厂普遍有减少 30%碳排放的目标，这一目标的实现或依赖于富氢 碳循环技术在高炉上的大规模应用。因此我们预计，2030 年左右，高炉或将迎来改造 的高峰期。

关键词：行业动态，减排，高炉富氢碳循环