多尺度视角下高炉氢煤共喷技术可行性研究：实现碳中和炼铁的创新路径

《Fuel》：Multi-view feasibility study of the innovative co-injection of H 2 and coal in blast furnaces for viable net-zero ironmaking

为解决钢铁行业高能耗、高排放的难题，研究人员开展了高炉（BF）氢（H2）煤共喷技术的多尺度可行性研究。该研究结合热质平衡（HMB）模型与三维计算流体动力学（CFD）模型，首次量化了该技术的操作窗口与炉内燃烧行为。研究发现，H2与煤共喷具有协同增效作用，不仅能提升煤粉燃尽率约4%，还能降低CO2排放约4%，为钢铁行业实现碳中和提供了一条经济有效的技术路径。

　　

钢铁工业作为全球最大的温室气体排放源之一，其高能耗、高排放的特性使其成为实现“双碳”目标的关键战场。传统的长流程炼钢工艺，特别是高炉-转炉（BF-BOF）路线，高度依赖焦炭和煤粉等碳基燃料，是碳排放的“大户”。为了应对这一挑战，全球钢铁企业正积极探索以氢气（H₂）为代表的低碳冶金技术。然而，纯氢炼铁技术目前仍面临成本高昂、技术不成熟等瓶颈。因此，在向纯氢炼铁过渡的漫长时期内，寻找一种既能有效降低碳排放，又具备经济可行性的中间技术显得尤为重要。

在此背景下，高炉氢煤共喷技术应运而生。该技术旨在通过向高炉风口同时喷吹氢气和煤粉，利用氢气作为清洁还原剂和燃料，部分替代焦炭和煤粉，从而直接减少碳排放。然而，这一技术在实际应用前，其可行性、操作窗口以及炉内复杂的燃烧行为尚不明确。实验室研究难以模拟工业规模下的复杂条件，而现场试验则无法揭示炉内微观的物理化学过程。

为了填补这一空白，来自澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的研究团队Yiran Liu、John G. Mathieson和Yansong Shen在《Fuel》期刊上发表了题为“Multi-view feasibility study of the innovative co-injection of H₂and coal in blast furnaces for viable net-zero ironmaking”的研究论文。该研究创新性地提出了一种多尺度研究方法，将宏观层面的热质平衡（HMB）模型与介观层面的三维计算流体动力学（CFD）模型相结合，首次系统性地评估了高炉氢煤共喷技术的整体性能与炉内局部燃烧行为，为这一技术的工业应用提供了坚实的理论依据和设计指导。

关键技术方法

本研究采用了一种创新的HMB-CFD耦合方法。首先，研究人员利用热质平衡（HMB）模型，基于澳大利亚BlueScope Steel高炉的稳定运行数据，确定了氢煤共喷的可行操作窗口和关键操作参数（如喷吹量、富氧量等）。该模型考虑了炉顶煤气温度（TGT）、炉缸火焰温度（RAFT）和炉腹煤气量（BGV）等关键约束条件。随后，基于HMB模型设计的边界条件，研究人员开发了一个三维工业尺度的CFD模型，该模型涵盖了吹管、风口、回旋区和周围焦炭床，用于模拟炉内详细的气体-颗粒流动、传热传质以及涉及氢气、煤粉和焦炭的化学反应，从而深入揭示氢煤共喷的局部燃烧现象。

研究结果

1. 整体高炉性能与操作参数设计

通过HMB模型，研究人员系统分析了不同煤种（挥发分含量从10.78%到35.91%）与不同氢气喷吹量（0-40 kg/t-HM）组合下的高炉整体性能。

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  操作窗口与氢气喷吹极限：研究发现，无论是单独喷吹氢气还是与煤粉共喷，氢气的喷吹量都受到炉缸火焰温度（RAFT）的限制。当RAFT下限设定为1900°C时，氢气的最大喷吹量被限制在31-35 kg/t-HM之间。低挥发分煤种（如Coal 1）允许的氢气喷吹量略高于高挥发分煤种（如Coal 5）。
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  焦炭替代比（RR）：研究指出，基于质量的焦炭替代比（RR）具有误导性。虽然计算出的质量替代比较高（约1.56 kg-coke/kg-H₂），但由于氢气的分子量远小于碳，其摩尔替代效率实际上非常低。这主要是因为氢气在回旋区具有强烈的冷却效应，需要消耗额外的热量来维持炉温。
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  CO₂排放与炉顶煤气热值：随着氢气喷吹量的增加，高炉本体的CO₂排放量显著降低。在最大氢气喷吹量下，氢煤共喷可减少约12.5%的CO₂排放，而纯氢喷吹可减少约8.1%。同时，炉顶煤气的热值（CV）随氢气喷吹量增加而升高，这为高炉煤气的后续利用提供了更高的经济价值。
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  炉腹煤气量（BGV）与压力降：氢气喷吹会显著增加炉腹煤气量（BGV），从而增加高炉的压力降，可能对高炉生产率产生负面影响。然而，计算表明，氢煤共喷导致的压力降增加相对温和（约6%），而纯氢喷吹则会导致压力降大幅增加，对高炉顺行构成更大挑战。

2. 典型炉内现象

通过CFD模型，研究人员深入揭示了氢煤共喷在回旋区内的详细燃烧行为。

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  燃烧效率：氢气在回旋区内表现出极佳的燃烧性能，能够迅速完全燃烧。而煤粉的燃尽过程则更为复杂。研究发现，在氢煤共喷条件下，煤粉的燃尽不仅依赖于与氧气（O₂）的反应，还显著受益于与水蒸气（H₂O）的气化反应。氢气燃烧产生的大量H₂O，在氧气耗尽后，继续与煤焦发生气化反应（C + H₂O → CO + H₂），从而显著提高了煤粉的最终燃尽率。
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  温度与气体分布：模拟结果显示，在氢气喷吹口附近，由于氢气的快速燃烧，形成了一个高温火焰锋面。煤粉颗粒在进入回旋区后，其挥发分的析出和燃烧被提前，这得益于氢气燃烧带来的局部高温环境。气体组分分析表明，在煤粉射流的核心区域，由于氧气被快速消耗，形成了一个富含挥发分和CO的还原性气氛，而在射流外围则主要是燃烧产物。

3. 煤种与喷吹速率的影响

研究还考察了不同煤种对共喷效果的影响。

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  煤种影响：高挥发分煤种（如Coal 5）在回旋区内具有更早的着火点、更快的燃烧速率和更高的最终燃尽率。然而，在宏观性能上，高挥发分煤种允许的氢气喷吹量较低，且其焦炭替代比也相对较低。
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  喷吹速率影响：在相同的氢气喷吹量下（10 kg-H₂/t-HM），与纯煤粉喷吹（PCI-only）相比，氢煤共喷能够显著提高煤粉的燃尽率。模拟结果表明，在研究的条件下，氢气共喷可使煤粉的最终燃尽率提高约4%。

研究结论与意义

本研究通过创新的HMB-CFD多尺度耦合方法，系统评估了高炉氢煤共喷技术的可行性。研究结论如下：

1. 1.
   协同增效作用：氢煤共喷并非简单的物理混合，而是产生了显著的化学协同效应。氢气不仅作为清洁燃料，其燃烧产生的高温和水蒸气（H₂O）共同促进了煤粉的挥发分析出和焦炭气化，从而提高了煤粉的燃尽率。
2. 2.
   经济有效的减排路径：研究证实，氢煤共喷技术能够在维持高炉稳定顺行的前提下，实现约12.5%的CO₂减排，同时提升炉顶煤气的热值。这为钢铁行业提供了一条在现有高炉基础上进行低成本改造、实现碳减排的可行技术路径。
3. 3.
   操作窗口明确：研究明确了氢煤共喷技术的操作窗口，指出氢气喷吹量主要受炉缸火焰温度（RAFT）的限制，其上限约为31-35 kg/t-HM。这为工业试验的参数设计提供了关键指导。
4. 4.
   缓解纯氢喷吹的弊端：与纯氢喷吹相比，氢煤共喷能够有效缓解因氢气强烈冷却效应导致的炉温下降问题，并显著降低高炉压力降的增加幅度，从而更好地维持高炉的生产率。

综上所述，这项研究不仅量化了氢煤共喷技术的减排潜力和操作边界，更重要的是揭示了其背后的协同作用机理。它为钢铁行业在向碳中和目标迈进的过程中，提供了一种兼具技术可行性和经济性的过渡性解决方案，具有重要的理论价值和实践指导意义。