氢冶金近几年得到了国内外冶金工作者的关注，富氢还原是低碳炼铁的可行技术之一，具有清洁低碳的优越性。富氢高炉冶炼有许多应用，如日本的氢还原炼铁、德国高炉喷氢技术、北欧的HYBRIT、俄罗斯高炉喷吹天然气。在我国，COG喷吹富氢高炉较为普遍，在鞍钢、徐钢和本钢进行了高炉运行的工业试验。本文将讲述日本基于氢还原的COURSE50新技术。
日本一直积极致力于能源利用技术的开发，其钢铁工业的能源利用效率已达到世界最高水平，特别是石油危机以来，日本钢铁业积极采取节能措施，为减排CO2、减缓气候变暖作出贡献。然而，在日本CO2总排放量中，钢铁业所占比例依然达12.4%，为了实现更为有效减排CO2的目的，日本启动了由新能源、产业技术综合开发部门委托与组织的环境和谐型炼铁工艺开发项目COURSE50。COURSE50的研究内容主要是炼铁工艺的创新研发，同时平衡经济发展和环境保护的关系。COURSE50计划在2030年建立新的高炉炼铁工艺流程以减少炼铁工艺30%的CO2排放量，2050年最终实现工业化。
1 COURSE50研发内容
COURSE50项目启动于2008年，研究内容主要分为两方面：1）以氢直接还原铁矿石的高炉减排CO2技术的研发，目标是实现10%的CO2减排，开发的主要技术包括利用氢还原铁矿石的技术、增加氢含量的焦炉煤气改质技术、高强度高反应性焦炭的生产技术；2）高炉煤气中CO2的分离、回收技术的研发，目标是减排20%的CO2。
2氢还原铁矿石技术
传统高炉炼铁工艺的还原剂是由焦炭提供的，在将铁矿石还原成铁的过程中会产生大量CO2，现今在高炉炼铁中已经开发应用了很多以碳热为基础的成熟的环保减排工艺技术，在此基础上再进行技术上的提升存在很大的难度。高炉氢气炼铁是将现在使用的还原剂焦炭的一部分换成氢，还原剂选择富氢的改质焦炉煤气，把此还原剂吹至高炉中，用来对铁矿石进行还原，尽可能多地用氢替代碳，从而减少炼铁
过程中CO2的产生，达到减排目的。
2.1高强度高反应焦炭生产技术
就焦比指标而言，对比传统高炉炼铁，用富氢的改质焦炉煤气作为还原剂，焦比会相应降低，但是焦炭还要承担作为料柱骨架，保障还原气体能够顺畅流动的作用；另外，氢参与还原反应吸热量增加，降低炉内温度，焦炭气化反应产生CO的速率随温度的降低而变小，所以喷吹焦炉煤气必须要提高焦炭的反应性，因此，高强度高反应性焦炭的研究对氢还原炼铁技术的研究具有重要的支撑作用。
这种新型焦炭和一般焦炭相比，拥有更高的热反应性而且强度能够满足生产要求，它具有起始反应温度低、反应速率快的特点，能够提高炼铁效率，具有更好的优势。为了能够使生产的焦炭具备高反应性与高强度，日本通常采用加入催化剂的方法，如钙基、镁基和铁基催化剂等。
HPC（hyper coal）可用来粘结配煤和生产高强度高反应性焦炭，是日本在研的一种新型高品质黏结剂。神户制钢通过试验，对比炼焦煤中加入HPC前后焦炭的质量变化，证明了HPC可提高焦炭强度；并发现要提高焦炭的反应性可通过在配煤中尽量多使用高反应性煤种来实现。此外，将HPC加入炼焦配合煤中，能够降低焦炭生产环节高黏结煤占比。此项研究的关键在于HPC用于焦炭生产的各种条件的优化，如基质连通性、煤粒度、膨胀率以及装入密度等。
2.2焦炉煤气改质技术
焦炉煤气含氢气量通常可达到50%以上。焦炉煤气改质技术就是将焦炉煤气中的碳氢化合物转变为氢气，通过催化裂解将焦炉煤气改质，改质后的焦炉煤气中氢气含量可达到60%以上。焦炉煤气离开炭化室时的温度可达800℃，可以充分利用其显热对其中的焦油和烃类物质进行催化热解以产生氢气。
研究结果表明，向高炉中喷吹富氢改质焦炉煤气，能够在很大程度上促进铁矿石还原率的提升。此项目还构建出相应的固气两相流冷态模型，同时对高炉内煤气流量与流速分别影响气流分布水平加以分析。借助高炉内反应模拟设备开展研究，改质焦炉煤气实现了喷吹量200m3/t这一水平，可见，于炉身喷吹改质焦炉煤气可能会减少高炉碳耗。为了支持氢还原试验，日本于2015年9月底在日本制铁（原新日铁住金）君津厂建成试验高炉，试验高炉与普通高炉的不同之处是在炉上部安装有风口，这是喷吹氢气的最佳位置。2016年4月该项目进行了第一次试验操作，从原料装入和送风操作两方面入手，确立了使氢还原效果最大化的操作技术，并对COURSE50项目第一阶段的试验技术有效性进行了验证，探求了氢气最佳送风操作条件等。为了尽可能大地发挥氢气的还原效果，还开发了一种三维数学模型，用来预测高炉内部的反应。使用这一模型事先模拟预测的结果与试验高炉的操作结果基本一致，从而证明了此模拟模型的准确性。
3富氢还原和高炉煤气中CO2捕集回收技术
COURSE50项目路线包括富氢还原和高炉煤气中CO2捕集回收两项主要技术，以实现CO2减排。前者是以焦炉煤气和水的重整技术为基础，采用新型焦化技术生产高强度、高反应性焦炭；后者是基于一种利用废热的高效CO2吸收技术。日本制铁建成了年产35t/d的12m3试验高炉，确定了氢还原炼铁减排10%、CO2回收减排20%的目标，即总体减排目标为30%。
在氢还原炼铁过程中，用氢气代替部分焦炭，可以减少高炉冶炼过程中的CO2排放。2014-2016年高炉一期喷氢试验运行结果表明，与非喷氢相比，高炉碳排放量降低了9.4%。由于氢气密度小，氢还原过程伴有吸热反应，通过高炉炉壳和辊道的可调位置以及喷吹前氢气的预热，可保证最大的还原性能和稳定的内部温度。在第二阶段，对4000-5000m3高炉进行了扩模试验，逐步模拟了实际高炉。第一座高炉将在2030年之前使用喷氢技术，日本将在2050年之前使用该技术。COURSE50项目也被用来从COG中生产氢气。当COG离开炭化室时温度达到800℃，可以最大限度地利用感热催化裂解焦油和碳氢物质，从而产生氢气。该技术已完成工业试验。通过这一改进，COG中的氢气含量由55%（体积分数）提高到63%-67%，气体体积增加1倍。
4高炉氢还原铁矿石工艺
在日本COURSE50项目中，利用新建的12m3试验高炉进行了试验，建立了有效利用氢基还原剂为主的反应控制技术，减少高炉的CO2排放。结果表明，与常规操作相比，氢还原度可提高10%左右，直接还原度可降低10%左右。通过适当的控制技术，试验高炉的CO2抑制率也降低了约10%。
COURSE50项目已按照计划成功完成CO2减排基础技术开发和综合技术开发。该项目的目的是抑制高炉的碳消耗，并通过使用30t/d的化学吸收过程，采用相应装置从高炉煤气中捕获、分离和回收二氧化碳。常规高炉中CO间接还原、氢气还原和碳直接还原分别接近60%、10%和30%。如果通过强化氢气还原来降低吸热反应非常大的直接还原，同时不断进行CO间接还原，则可以降低高炉的碳耗。在COURSE50高炉中，CO间接还原、氢气还原和碳直接还原分别接近60%、20%和20%，该项目可使高炉碳耗率降低10%。
为了证明在高炉内降低二氧化碳的作用，进行了四次高炉操作试验。图1所示为执行的四个操作案例。高炉基础作业是高炉的常规作业条件。以操作A为例，评价了COG通过风口喷射的效果。操作B是为了评估通过风口的COG喷射和通过轴流式风口减少气体喷射（RGI）的效果。除了操作B的条件外，操作C是评估原料质量控制效果的案例。
试验高炉的每一阶段连续运行21-30天，包括三个阶段。开炉后，炉体温度需上升一周左右。为了定量评估尽可能准确，每次操作持续5-7天，使其达到稳定状态。
铁矿石还原度变化情况：与常规操作相比，反应控制操作使氢还原增加（常规操作<操作A<操作B<操作C），而碳直接还原减少（常规操作>操作A>操作B>操作C）。在操作C中，与常规操作相比，氢还原度提高约10%，直接还原度降低约10%。
总氢输入量对氢还原度的影响：氢气还原度随高炉氢气输入的增加而增加。结果表明，高炉供氢对氢还原的贡献几乎相同，但操作C的氢还原度高于操作B的氢还原度。与常规操作相比，反应控制操作的减碳率依次为操作A、操作B、操作C，其中操作C的减碳率比常规操作（基础操作）降低10%-11%。结果表明，与常规操作相比，反应控制技术可以使氢还原度提高10%左右，直接还原度降低10%左右，试验高炉的CO2抑制量也降低约10%。（本文节选自张建良等编著的《氢冶金初探》）
