高炉富氢碳循环：以氢代碳，循环用碳

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。