雙碳戰略下中國鋼鐵生產工藝優化路徑研究——高爐的繼續強化冶煉之路

劉健

（河鋼集團承德釩鈦新材料有限公司）

摘要：在“雙碳”戰略背景下，中國鋼鐵行業面臨著巨大的碳減排壓力。本文系統分析了長流程、短流程及氫冶金三種主要煉鋼工藝的碳排放水平、成本構成與技術瓶頸。研究表明，長流程煉鋼工藝目前仍占據我國粗鋼產能的85%-90%，具備顯著的成本優勢和成熟穩定的技術體系。盡管短流程和氫冶金技術被視為綠色轉型的重要方向，但受限于廢鋼資源供應不足、綠氫成本高昂及儲運難題，短期內難以實現對長流程的大規模替代。本文提出，高爐繼續強化冶煉是長流程降本減排的現實路徑，通過優化爐型結構、提高風量風溫、增加富氫噴吹等手段，可在降低碳排放的同時進一步提升生產效率。研究建議，應突破傳統高爐爐型限制，探索雙層風口等新型結構設計，以實現高爐有效空間利用系數的顯著提升，推動中國鋼鐵工業綠色低碳高質量發展。

關鍵詞：雙碳戰略；鋼鐵冶煉；長流程；高爐強化；氫冶金；碳排放

1  引言

短流程煉鋼技術于20世紀80年代正式形成并逐步實現工業化應用，河鋼集團的全球首例120萬噸氫冶金示范工程一期也于2022年12月建成投產。然而，目前我國長流程煉鋼（高爐—轉爐工藝）占比約85%-90%，目前仍然看不到長流程煉鋼被其他工藝大幅度替代的跡象，這說明長流程煉鋼工藝仍然具備強大的核心競爭力。有人認為，如果氫冶金工藝技術進步了，或者短流程煉鋼工藝技術進步了，是否會替代長流程煉鋼技術？這種假設顯然建立在長流程煉鋼工藝裹足不前的前提下。如果長流程煉鋼工藝技術也取得了巨大進步，那么其他冶金工藝的大規模替代將面臨更為嚴峻的挑戰。因此，有必要系統評估不同工藝路徑的綜合競爭力，并探索長流程工藝在雙碳目標下的優化方向。

2  三種煉鋼工藝的綜合比較

2.1 碳排放對比

從碳排放角度來看，不同冶煉工藝的噸鋼二氧化碳排放量存在顯著差異，具體如表1所示。

表1 不同冶煉工藝噸鋼CO?排放量對比

從表1可以看出，短流程工藝以及氫冶金并非零碳排放，只是排放量低于傳統的長流程工藝，而富氫高爐的碳排放水平已接近灰氫冶金的碳排放水平。

2.2 成本對比

從成本角度來看，長流程煉鋼具備明顯的成本優勢。在我國鋼鐵行業競爭激烈的大環境下，成本優勢就是生命線，是企業核心競爭力所在。若其他工藝欲替代長流程工藝，必須先在技術上取得突破，解決成本問題，方能實現大規模應用。

2.3 各工藝面臨的技術瓶頸

2.3.1 短流程煉鋼技術需攻克的難題

（1）廢鋼資源供應不足。 2024年廢鋼鐵回收量約為2.5億噸，同年鐵礦石進口量達12.37億噸；2025年廢鋼鐵回收量約為2.5億噸，同年鐵礦石進口量達12.59億噸。廢鋼供應的結構性短缺制約了短流程的規?；l展。

（2）廢鋼成本高。 當廢鋼價格低于鐵水成本時，短流程經濟性提升；反之則成本壓力加劇。短流程煉鋼單位成本普遍比長流程高20%-30%。以2023年為例，短流程企業平均噸鋼成本較傳統長流程企業高約400-600元。

（3）用電成本高。 電爐冶煉依賴電能和輔助燃料，電力成本約占生產成本的10%-15%，電極損耗、燃氣加熱等輔助能源成本需額外計算，電極單耗約為1.5-3.0千克/噸粗鋼。電價波動對短流程成本影響顯著，電價每上漲0.1元/度，噸鋼成本增加約50-80元。

2.3.2 氫冶金技術需攻克的難題

（1）氫氣還原的經濟性問題。 氫氣作為還原劑，奪取氧化鐵中的氧而生成水，同時還原出金屬鐵。價格昂貴的氫氣參與還原反應后所生成的水，商業價值幾乎為零，導致還原成本無法得到有效分攤。

（2）氫成本高。 2025年我國綠氫綜合成本約為21-46元/公斤；灰氫采用煤炭氣化工藝，綜合成本約為10元/公斤，通過天然氣重整工藝，成本約為18元/公斤。而焦炭成本近十年來大多在2-3元/公斤范圍內波動。雖然每公斤氫氣能比焦炭還原更多的氧化鐵，但其價格是焦炭的3倍以上，性價比明顯不足。

（3）氫氣難以存儲和運輸。 由于氫氣原子半徑小，易滲透產生氫脆；密度低，需要較大容器；易燃易爆，運輸安全風險高，且運輸成本高，尤其是遠距離運輸。這些因素限制了氫氣的規?；瘧?，與焦炭作為還原劑相比劣勢明顯。

2.3.3 長流程工藝的優化方向

長流程工藝相對更加成熟，主要需要解決碳排放問題以繼續保持優勢。同時，不能簡單認為在還原氧化鐵過程中使用氫氣比焦炭更強——使用氫氣的主要目的是降低碳排放。如果未來碳捕集技術能夠在鋼鐵企業規?；瘧茫褂媒固孔鳛檫€原劑的優勢將重新凸顯。

焦炭在還原氧化鐵的過程中，碳元素不會消失：其中約4%滲碳隨著鐵水流出，大部分碳元素生成一氧化碳和二氧化碳隨高爐煤氣排出，再經熱風爐燃燒后，一氧化碳也轉化為二氧化碳。中國鋼鐵行業2023年、2024年碳排放量超過18億噸。二氧化碳具有多種工業用途，其中一條重要路徑是合成甲醇，而甲醇相比氫氣更易存儲和運輸。若未來甲醇合成汽油技術成熟，僅鋼鐵行業碳排放所合成的汽油，就能滿足國內汽油需求量的三倍以上，國家將不再為汽油能源而擔憂。鋼鐵企業所合成的甲醇即使不出售，也可作為高爐噴吹物繼續使用，以降低焦比，形成碳元素的高效循環利用。

3  高爐繼續強化冶煉的技術路徑

3.1 強化冶煉的必要性與可行性

綜上所述，長流程工藝成本更加低廉，應用范圍廣、規模大，技術成熟穩定，進行技術升級的可行性更高。其中，高爐技術升級是降低碳排放的關鍵，富氫高爐技術已證明可明顯降低碳排放。若高爐冶煉強度能夠繼續增加，則成本可繼續降低，富氫量可繼續增加，碳排放可繼續降低。因此，高爐需要繼續強化冶煉。

3.2 現有強化手段及其局限

目前高爐的強化冶煉手段主要有風量、風溫、富氧、噴煤四種。然而，當前的高爐指標水平已體現了現階段高爐操作人員的最大能力，冶煉強度無法繼續突破的原因主要受限于爐型及現有的設備水平。

有效空間利用系數可理解為高爐內發生活躍物理化學變化的空間與高爐有效容積的占比。通過表2可以明顯看出小型高爐與大型高爐的差距，小型高爐內活躍物理化學變化的空間占比更大。

表2 不同容積高爐操作參數對比（先進水平）

3.3 核心問題分析

通過表2可以發現：隨著高爐有效容積的增加，雖然風壓和頂壓均有所提高，但全壓差（風壓與頂壓之差）的變化幅度極其微小。這表明高爐爐型和設備是限制高爐指標提升的核心問題。

風量是影響高爐爐況的最核心因素，不僅影響著高爐內的氣流分布，而且所有其他因素均需通過風量進行輸運。全壓差則是產生風量的最核心因素。高爐大型化發展后，全壓差未能同步提升，導致技術水平進步嚴重受限。

如果將頂壓降低以提高全壓差，則會帶來料速過快、爐溫控制不住的問題。因此，既要降低頂壓提高全壓差和風量，又要控制料速不能過快，正是高爐技術突破發展的核心關鍵。

3.4 新型爐型設計方案

本研究提出一種膈式雙層風口爐型，與傳統爐型對比如下：

傳統高爐在爐腰、爐腹、爐缸部位為連續外凸結構，而新型爐型將這些部位改為向內凹陷的結構，依靠這種結構可通過物理方式控制料速過快。采用低頂壓、雙層風口的設計，使高爐內部分成兩種不同的壓差環境。由于上部壓差較大的空間存在，上部使用的風量可大幅增加，遠高于傳統高爐爐型水平。

風量增加后，需要更多的風溫熱量補充。原本高爐生產的高爐煤氣約1/2用于熱風爐，新型爐型則需要熱風爐具備更大的蓄熱能力，使用的高爐煤氣量將遠超1/2的水平。熱風爐也需要相應改造升級，以滿足為雙層風口送風的需求。

3.5 預期綜合效益

風量增加、料速變化后，噴煤量可隨之增加；風溫提高、噴煤量增加后，高爐內部總熱能增加，噴入的富氫量即可增加——這些新增的熱量能夠抵消氫氣還原反應吸熱造成的影響。

因此，風量增加→風熱能增加→噴煤量增加→富氫量增加的傳導路徑，達成了高爐繼續強化冶煉的目的。其帶來的綜合效益包括：可使用的富氫量增加，降低碳排放；提高高爐產量，加大大型高爐的規?；б?；降低焦比，進一步降本增效。

4  結論

本文從碳排放、成本構成、技術瓶頸三個維度系統比較了長流程、短流程及氫冶金三種鋼鐵冶煉工藝路徑。研究得出以下主要結論：

第一，長流程煉鋼工藝當前仍是我國鋼鐵生產的主導技術，憑借顯著的成本優勢和成熟穩定的技術體系，短期內難以被其他工藝大規模替代。

第二，短流程和氫冶金雖具備更低的碳排放強度，但分別受限于廢鋼資源不足、綠氫成本高企及儲運技術瓶頸，其大規模推廣仍需較長時間的技術積累和成本優化。

第三，碳捕集與碳利用技術的發展，可能使以焦炭為還原劑的長流程工藝在循環經濟框架下重新獲得競爭優勢——鋼鐵行業排放的二氧化碳可用于合成甲醇乃至汽油，形成碳元素的高效循環利用。

第四，高爐繼續強化冶煉是長流程降本減排的現實可行路徑。突破現有爐型限制，探索雙層風口等新型結構設計，在降低頂壓的同時通過物理方式控制料速，可有效提升風量、風溫和噴煤量，為增加富氫噴吹創造條件，最終實現增產、降焦、減排的綜合目標。

第五，上述發展路徑符合我國鋼鐵市場現狀，具備更強的成本競爭優勢，是雙碳戰略下中國鋼鐵工業值得重點推進的技術方向。

參考文獻

[1] 河鋼集團. 全球首例120萬噸氫冶金示范工程一期投產報告[R]. 2022.

[2] 中國鋼鐵工業協會. 2023-2024年中國鋼鐵行業碳排放白皮書[R]. 北京, 2025.

[3] 中國物資再生協會. 2024-2025年中國廢鋼鐵回收利用年度報告[R]. 2026.

[4] 中華人民共和國海關總署. 2024-2025年中國鐵礦石進口統計分析[R]. 2026.

[5] 修鶴. 大型高爐強化冶煉措施分析. 《中國金屬報》, 2021，16：21-22

[6] 胡文溪.“雙碳”目標下氫冶金發展的現狀和應用前景. 《新疆鋼鐵》, 2023, 04

[7] 劉丹丹. 、“雙碳”目標下鋼鐵行業綠色轉型路徑研究. 《商業觀察》, 2024.14