秦阿寧 孫玉玲

　　2025年1月份，《麻省理工科技評論》發布了2025年“十大突破性技術”

，憑借在創新領域的突出成就以及在實現碳中和目標的卓越貢獻，綠色鋼鐵技術入選10大榜單。2025年1月8日
，美國能源部宣布將在鋼鐵脫碳領域資助熔融氧化物電解煉鐵、電化學濕法冶金技術、新型脫碳鐵礦還原工藝等技術。在全球，鋼鐵行業碳排放約占排放總量的7%
；在我國，鋼鐵行業碳排放占排放總量的15%左右，遠高於全球平均水平
，位居製造業31個門類首位。因此，鋼鐵行業碳減排對於我國實現“雙碳”目標具有舉足輕重的作用。

　　氫冶金工藝的燃燒特性、流體動力學
、熱力學等數值模擬。通過數值模擬，深入探索工藝特性與規律，可為氫冶金工藝優化和改進提供理論依據。1月（以下月份均為2024年），通過數字模擬HIsmelt工藝反應爐內的流場、溫度場和CO2濃度場
，北京科技大學和昆士蘭大學研究人員發現增加氧槍插入深度
，U形渦流影響範圍變大，傳熱效果提高；增加溫差和降低CO2濃度會降低燃燒和傳熱效率。6月，澳大利亞南威爾士大學構建多流體高爐模型，研究氫氣注入高爐後停留時間分布情況。11月，東北大學開發多尺度數學模型
，計算氫基豎爐的流體動力學
，並深入研究H2與CO比例對熱化學、空氣動力學以及關鍵性能指標影響。

　　氫等離子體還原赤泥生產鋼鐵。1月，德國馬普學會研究人員將赤泥放在含氫10%的熱等離子體電弧爐中產生液態鐵
，從15克赤泥中提取了2.6克金屬鐵，接近理論極限值，還原10分鍾時金屬化率達70%

，平均鐵含量為95%，有害元素（如硫、磷和碳）可忽略。該工藝在工業化方麵具有經濟性
，被Nature期刊“新聞與觀點”欄目評為2024年度科學亮點。

　　電化學煉鐵領域的惰性陽極、電解質設計。6月
，東北大學研製出非消耗性氬等離子體陽極
，用於無碳電化學煉鐵。8月，美國阿貢國家實驗室提出一種電解質設計原則，適用於任何電化學過程
，通過嚴格控製陰離子-陽離子-離子對相互作用的強度，可調整所得電解質的熱力學、動力學和界麵特性。在人工智能輔助下，利用實驗和計算相結合的方法，可確定高性能陰離子衍生接觸離子對（CIP）結構，為更快地研究提供了巨大組合空間。

　　聚光太陽能驅動的氫基直接還原鐵。9月，利用1000℃的太陽能加熱填充床反應器，法國國家科學研究中心研究人員實驗了氫直接還原鐵礦粉過程
，驗證了400℃～1000℃鐵礦石直接還原為鐵的可行性。11月，法國另一團隊利用模擬太陽能直接加熱反應器，在曝光過程3次旋轉單個球團
，在12分鍾內還原率達到96%，此還原率可滿足工業要求。

　　高爐富氫冶煉。12月，昌黎縣興國精密機件有限公司“300000m3/d綠電電解水製氫—儲氫—450m3高爐富氫冶煉”項目投運。該項目噸鐵噴吹純氫達103m3，可實現高爐煉鐵碳排放減少8%～11%。目前，該項目已進入全工序關鍵參數優化提高階段
，旨在提高噸鐵噴氫量、優化上下遊協同性、降低能耗和成本。12月20日
，日本高爐富氫冶煉項目Super COURSE50宣布成功實現43%的減排量，還將開發CO2排放量減少50%以上的技術


，以及放大規模在大型高爐上應用。

　　氫基豎爐直接還原項目。1月，中國鋼研自主研發和建設的純氫多穩態豎爐示範工程運行，常態金屬化率達到97%～99.4%。該項目對釩鈦磁鐵礦進行了工業化試驗，累計還原釩鈦球團產品300餘噸，平均金屬化率達97%
，且使釩、鈦元素高效富集在渣中

，為釩鈦磁鐵礦資源開發提供了新思路。8月
，美國紐柯采用ENERGIRON直接還原工藝，創下每小時330.3噸冷態直接還原鐵（CDRI）的產量世界紀錄，日產量可達7928噸，產品金屬化率高達95%
、含碳量為3.3%。8月27日
，瑞典鋼鐵完成HYBRIT項目的試點階段工作，證明HYBRIT綠氫直接還原鐵工藝具有可行性，為 HYBRIT工業化鋪平了道路。9月，用綠氫作為還原氣體，河鋼120萬噸氫冶金示範工程實現穩定生產，產品合格率為100%，金屬化率超94％，驗證了“綠電—綠氫—綠鋼”的技術可行性，豐富了氫冶金氣源。

　　氫基流化床工藝HyREX成功出鐵。4月，浦項製鐵試驗HyREX工藝，成功生產了15噸鐵水。9月
，浦項製鐵研究人員在中試流態化還原爐中觀察鐵礦石流體反應
，該技術發展邁出了關鍵一步。浦項製鐵計劃在2026年建設一座30萬噸的HyREX試驗設施，驗證其商業化運營情況，並計劃在 2030年之前完成商業化。

　　電解煉鐵試點工廠投入運營。3月，美國清潔鐵公司宣布電解煉鐵試點工廠投入運營。Electra工藝通過電化學方式
，采用間歇性可再生能源，工作溫度在60℃時將鐵礦石轉化成金屬鐵。鐵礦石中的氧化鋁和二氧化矽等主雜質被提煉為副產品。產品中鐵純度超過99%


，與(yu)廢(fei)鋼(gang)結(jie)合(he)為(wei)電(dian)爐(lu)提(ti)供(gong)原(yuan)料(liao)，有(you)望(wang)降(jiang)低(di)了(le)整(zheng)個(ge)產(chan)業(ye)鏈(lian)的(de)投(tou)資(zi)成(cheng)本(ben)。該(gai)項(xiang)目(mu)中(zhong)試(shi)廠(chang)正(zheng)在(zai)反(fan)複(fu)試(shi)驗(yan)連(lian)續(xu)生(sheng)產(chan)能(neng)力(li)，分(fen)階(jie)段(duan)提(ti)高(gao)產(chan)能(neng)，驗(yan)證(zheng)規(gui)模(mo)化(hua)前(qian)景(jing)
，生(sheng)產(chan)規(gui)模(mo)目(mu)標(biao)為(wei)百(bai)萬(wan)噸(dun)級(ji)。

　　目前，高爐富氫冶煉

、氫基豎爐、氫基流化床處於工業示範階段，氫基熔融還原煉鐵
、電化學煉鐵等正處於中試或工業驗證階段。這些技術在推動鋼鐵行業低碳轉型中仍麵臨著一係列挑戰。

　　高爐富氫冶煉麵臨的挑戰包括：一是氫氣含量與氫氣利用率問題，包括探索適宜的氫氣含量

、協同優化與CO的耦合還原、提高氫氣利用率等。二是熱量平衡與溫度控製問題，富氫冶煉使爐內溫度分布規律改變,如(ru)何(he)保(bao)障(zhang)反(fan)應(ying)所(suo)需(xu)熱(re)量(liang)和(he)溫(wen)度(du)是(shi)關(guan)鍵(jian)。三(san)是(shi)富(fu)氫(qing)冶(ye)煉(lian)影(ying)響(xiang)焦(jiao)炭(tan)性(xing)能(neng)。高(gao)氫(qing)氣(qi)比(bi)例(li)會(hui)加(jia)劇(ju)焦(jiao)炭(tan)溶(rong)損(sun)反(fan)應(ying)。為(wei)保(bao)證(zheng)高(gao)爐(lu)順(shun)行(xing)
，高(gao)爐(lu)富(fu)氫(qing)冶(ye)煉(lian)對(dui)焦(jiao)炭(tan)強(qiang)度(du)提(ti)出(chu)更(geng)高(gao)要(yao)求(qiu)。

　　氫基豎爐麵臨的挑戰包括：一是需要新的熱能解決方案
，應對直接還原的吸熱反應。二是需要高品位的鐵礦石、球團。三是生產安全問題，應對氫氣的活潑性和易燃易爆特性。

　　氫基流化床麵臨的挑戰包括：一是不同粒度的礦石流化行為不同，要實現大於100μm細粒和超細礦石均勻流化，最大限度減少超細礦石的洗脫和避免較細顆粒脫流/偏析。二是隨著還原反應進行，細/超細礦石顆粒表麵會產生黏附趨勢，導致團簇/團聚體形成，減少黏附、保持穩定流化並實現目標金屬化率。

　　另外，氫熔融還原工藝是生產無脈石液態鐵的一種可能途徑。必要高溫可通過太陽能產生，采用這種方法必須解決反應堆設計、材料兼容性和間歇性等問題。電解煉鐵在擴大規模
、材料降解和低品位礦石的兼容仍存在挑戰性。對於熔融氧化物電解來說，能耗高是關鍵問題。（秦阿寧
、孫玉玲係中國科學院文獻情報中心助理研究員、研究員）

　　《中國冶金報》（2025年03月13日 08版八版）