钢铁工业是我国碳中和重点领域，涵盖烧结、球团、焦化、高炉工序的炼铁产业低碳化是钢铁工业碳中和的关键。研发和应用低碳炼铁工艺与装备技术是炼铁产业发展的要求。目前氢冶金理论和技术体系尚待完善，我国自主知识产权的核心装备尚未中试，基于氢冶金的钒钛矿等战略资源高效利用技术尚未明晰和中试。

基于上述背景，针对炼铁产业低碳智能化转型升级重大需求，东北大学储满生教授及其团队围绕新一代低碳炼铁工艺与装备技术，重点研发新一代低碳高炉、铁区一体化智能化炼铁、氢冶金关键技术与装备等关键共性技术（见图1）；开展重点技术中试和示范，形成低碳炼铁关键共性技术并推广应用，为炼铁产业低碳创新发展提供支撑。 

2.1 新一代低碳高炉炼铁理论与技术

为满足钢铁工业低碳绿色可持续发展的要求，未来高炉炼铁工艺必将在高效低耗、节能减排、清洁环保等方面取得显著突破。以低碳绿色发展为目标，优化高炉炼铁工艺，提高高炉炼铁生命力和竞争力。研发熔剂性球团和复合铁焦等低碳高炉炉料，将富氢介质喷吹（焦炉煤气、天然气、氢气等）、炉顶煤气循环、高富氧冶炼等操作高效匹配和耦合集成，形成新一代低碳高炉。在此基础上，阐明富氢-碳循环-氧气高炉降碳极限化、反应体系重构、多元多相耦合作用等核心理论，形成富氢-碳循环-氧气高炉低碳冶炼关键技术与理论，获得炼铁降碳30%-50%的技术途径。

2.2 铁区一体化智能化炼铁理论与技术

针对高炉炼铁生产过程复杂，全流程“黑箱”、存在严重的不确定性，工序之间数据协调性差，数据利用水平低，操作制度依赖专家经验，优化手段不够全面等问题，构建多重驱动的炼铁信息物理系统，基于大数据和AI的智能化炼铁技术，研发机理、数据、知识多维驱动的铁前-高炉信息物理系统，实现多维信息融合的铁区一体化智能化炼铁，建立以高炉为中心的铁区一体化智能化闭环赋能体系。

2.3 氢冶金关键技术与装备

高炉-转炉长流程存在碳排放高、产品纯净度无法满足高端装备制造需求等问题。钢铁工业亟需在工艺流程、能源结构，产品结构等方面进行优化升级，而发展氢冶金是我国钢铁工业实现低碳绿色转型升级的根本途径。研发竖炉炉料性能协同优化、富氢气体/氢气加热过程反应行为、氢基直接还原等核心理论，设计氢基竖炉核心装备，建设氢冶金中试基地；研发氢基竖炉核心装备，并完成万吨级工程示范（见图2）。研发钒钛矿氢基直接还原-电炉熔分新工艺技术，实现铁、钒、铬、钛的高效回收，形成特色冶金资源低碳绿色利用共性技术。

3.1 新一代低碳高炉炼铁理论与技术

基于新一代低碳高炉炼铁炉料，研发基于冶金性能协同优化的高品质熔剂性球团制备技术，形成高炉高球团比冶炼条件下的高炉布料、煤气流合理分布以及强化冶炼技术；研发低品位铁矿/钢渣/粉尘复合铁焦新炉料制备技术，强化高炉原料适应性，研发国内首套具有自主知识产权的复合铁焦新炉料中试装置；揭示富氢喷吹对风口回旋区特性、炉内多场多相耦合作用、炉料冶金性能的影响，构建高炉喷吹富氢介质绿色协调性评价模型，研发富氢介质喷吹系统，开展中试，形成高炉喷吹富氢介质工艺和装备技术；研发循环煤气喷吹方式、上下部调剂对高炉炉况、技术经济指标的影响，获得合理的碳循环-氧气高炉工艺配置，提出碳循环-氧气高炉工业试验方案，合作开展工业化试验，形成碳循环-氧气高炉工艺系统和装备技术。

3.2 铁区一体化智能化炼铁理论与技术

建立铁前原燃料数据库，开发烧结/球团生产综合运行状态数字化评价、烧结/球团生产过程关键变量数字化预测与反馈、烧结/球团-高炉炼铁一体化智能配矿技术，形成机理与数据融合的智能化造块技术，广泛推广应用；基于数字孪生思路，研发高炉多元异构数据智能解析、高炉关键指标数字化预测与反馈、高炉综合运行状态动态评价与科学溯因、高炉操作多目标优化与智能自愈技术；基于工业大数据和人工智能的智能化炼铁技术，首创国内数据-机理-经验多重驱动的高炉炼铁信息物理系统，提出炼铁系统多元异构数据全维度、多层次深度治理方法，形成机理、数据、知识融合的炼铁复杂工况信息感知技术，实现多维信息融合的高炉操作多目标智能优化决策，形成以高炉为中心的“铁前-高炉”铁区一体化闭环赋能体系及数字化高炉炼铁示范。

3.3 氢冶金关键技术与装备

形成炉料性能协同优化、氢气加热、氢基竖炉内氢碳交互作用、短流程多目标优化等理论技术，构建完整的氢基竖炉直接还原理论和技术，建立氢基竖炉短流程系统碳足迹及绿色协调性评价体系，研发设计氢基竖炉核心装备，建设国内首座具有自主知识产权的氢基竖炉短流程示范工程；将氢基竖炉直接还原-电炉熔分工艺应用于钒钛磁铁矿高效清洁利用，构建基于氢冶金的钒钛磁铁矿高效低碳利用理论体系，实现铁、钒、铬、钛的高效分离，形成钒钛磁铁矿矿综合利用新工艺。

在上述原有相关技术研究与开发基础上，计划用5年时间完成低碳炼铁工艺与装备技术开发与应用，具体计划包括：

◆ 2023年，研究循环煤气喷吹方式和上下部调剂、富氢-碳循环-氧气高炉工艺制度与炉况等低碳高炉炼铁关键理论，铁前-高炉多元异构数据智能解析、关联规则挖掘、关键指标预测与反馈模型等智能化炼铁关键技术，研究竖炉炉料性能协同优化、钒钛矿氢基直接还原-电炉熔分等氢冶金核心内容，设计氢基竖炉系统装置，低碳智能化炼铁关键技术推广应用产线1-2条。

◆ 2024年，研究富氢-碳循环-氧气高炉炉型、富氢-循环煤气加热处理技术等低碳高炉炼铁关键理论；开发数据、机理与经验融合的铁前-高炉动态数字孪生系统；研究富氢气体/氢气加热过程反应行为、氢基直接还原、钒钛矿氢基直接还原-电炉熔分等氢冶金核心内容；建设氢基竖炉中试装置，开展氢基竖炉工程示范。

◆ 2025年，形成富氢-碳循环-氧气高炉工业试验方案，构建机理、数据、知识多维驱动的炼铁信息物理系统，完成万吨级氢基竖炉系统的工程示范，低碳智能化炼铁关键技术推广应用产线2-3条。

◆ 2026年，分别形成低碳高炉炼铁和智能化炼铁的高水平研发队伍，构建完整的新一代低碳高炉技术及智能化炼铁技术体系，并达到国际先进水平，关键技术推广应用于2-3条产线。

◆ 2027年，形成一支高水平的氢冶金技术与装备研发队伍，氢冶金工艺技术总体达国际先进水平，关键技术推广应用于1-2条产线。

本项目围绕低碳炼铁三个子方向，研发具有能源结构优化、能量密度强化、化学能利用高效化特征的新一代富氢-碳循环-氧气高炉低碳炼铁技术；基于大数据和AI的数字化造块和数字化高炉技术，形成以高炉为中心的“铁前-高炉”铁区一体化闭环赋能体系；研发氢基竖炉短流程新工艺及其装备技术、基于氢冶金的钒钛矿等特色冶金资源高效低碳利用技术。预期将形成3-5项低碳炼铁关键共性技术，实现低碳炼铁技术产线应用5-10条；设计具有自主知识产权的氢基竖炉系统核心装备；建成氢冶金短流程、钢铁冶金长流程碳中和中试基地、低碳钢铁前沿技术教育部工程研究中心等研发平台，实现低碳炼铁技术的成果转化和工业化应用。