高炉氢喷温度对铁水生产碳足迹的影响机制及优化策略研究

为解决高炉炼铁过程中碳排放高的问题，研究人员系统研究了不同氢喷温度(HIT)和喷煤量(PCI)条件下400-m3高炉的氢喷工艺。通过建立三维CFD过程模型，揭示了氢喷温度与燃料消耗的定量关系，发现提高HIT至1000°C可降低焦比至308kg/tHM，并提出了"先降PCI-再增氢量-后提温度"的优化路径，为钢铁行业低碳转型提供了关键技术支撑。

　　

钢铁工业作为全球碳排放"大户"，其高炉炼铁过程贡献了行业90%以上的CO₂排放。传统高炉依赖焦炭和煤粉作为主要还原剂和热源，这种碳基工艺已成为制约钢铁行业实现碳中和的关键瓶颈。近年来，氢冶金技术被视为突破性解决方案，但实际应用中面临诸多挑战：氢还原铁矿石的强吸热特性导致"热短缺"；氢无法完全替代焦炭的骨架作用；氢气与一氧化碳(CO)的竞争机制尚不明确。更棘手的是，现有研究多聚焦常温氢喷，对预热氢喷温度(HIT)的系统研究几乎空白，这严重制约了氢能利用效率的提升。

针对这些难题，Jing Li等人在《Fuel》发表重要研究成果，通过建立400-m³高炉的三维计算流体力学(CFD)过程模型，创新性地将离散元方法(DEM)与两流体模型(TFM)相结合，系统模拟了40-1000°C氢喷温度区间、0-145kg/tHM喷煤量(PCI)条件下的炉内多相流动与热化学反应。研究特别设计了对比实验组：常规操作组(无氢喷)、优化氢喷组(HIT=1000°C)和纯氢喷吹组(无PCI/鼓风)。所有模拟均保持相同的炉腹煤气量、铁水温度(1580°C)和火焰温度以确保可比性。

氢喷温度效应研究揭示：在固定喷煤量(145kg/tHM)条件下，存在最优氢含量使焦比最小。当HIT≤800°C时，焦比随氢含量增加呈先降后升趋势；而HIT=1000°C时该最小值消失。提高HIT使最优氢含量从33.3%提升至62%，焦比从422kg/tHM降至406kg/tHM。机理分析表明，高温氢喷通过两个竞争路径影响工艺：一方面增强H₂间接还原(Fe₂O₃+3H₂→2Fe+3H₂O)和蒸汽-碳反应(C+H₂O→CO+H₂)，另一方面抑制CO间接还原和碳溶损反应。

喷煤替代策略研究发现：单纯降低PCI会因氢的热值不足(14.3kJ/kg/K)而增加焦炭燃烧。通过"降PCI-增氢量-提温度"三步优化法(PCI从145→100kg/tHM，H₂含量7→50%，HIT40→600°C)，实现了燃料总量从567→506kg/tHM的突破。纯氢喷吹实验组显示，虽然理论上可将焦比降至128kg/tHM，但需要2230°C的超高氢温，且仍无法避免72.27kg/tHM的直接还原耗碳。

创新提出的"总能耗"评价指标显示：提高HIT或氢含量可使能耗从4.98GJ/tHM降至4.1GJ/tHM。这主要得益于氢还原的"双降温效应"——降低炉顶煤气温度(从220→107°C)和炉墙热损失(0.418→0.162GJ/tHM)。研究同时发现，当H₂含量>62%时，间接还原率骤降(21.59→16.08kmol/tHM)，导致热收支失衡引发操作不稳定。

该研究首次系统阐明了氢喷温度与高炉能效的定量关系，建立了氢-碳协同优化的工艺窗口，为开发HyCROF等氢冶金新技术提供了理论依据。特别值得注意的是，研究揭示的"高温氢喷抑制焦炭燃烧"机制，突破了传统认为氢喷必然增加焦比的认知局限。尽管纯氢喷吹在现有技术条件下尚难实现，但提出的多级预热-梯级喷吹策略，为钢铁行业渐进式脱碳提供了现实路径。这些发现对指导全球在建的HYBRIT、COURSE50等氢能炼铁项目具有重要参考价值。