双碳战略下中国钢铁生产工艺优化路径研究——高炉的继续强化冶炼之路

刘健

（河钢集团承德钒钛新材料有限公司）

摘要：在“双碳”战略背景下，中国钢铁行业面临着巨大的碳减排压力。本文系统分析了长流程、短流程及氢冶金三种主要炼钢工艺的碳排放水平、成本构成与技术瓶颈。研究表明，长流程炼钢工艺目前仍占据我国粗钢产能的85%-90%，具备显著的成本优势和成熟稳定的技术体系。尽管短流程和氢冶金技术被视为绿色转型的重要方向，但受限于废钢资源供应不足、绿氢成本高昂及储运难题，短期内难以实现对长流程的大规模替代。本文提出，高炉继续强化冶炼是长流程降本减排的现实路径，通过优化炉型结构、提高风量风温、增加富氢喷吹等手段，可在降低碳排放的同时进一步提升生产效率。研究建议，应突破传统高炉炉型限制，探索双层风口等新型结构设计，以实现高炉有效空间利用系数的显著提升，推动中国钢铁工业绿色低碳高质量发展。

关键词：双碳战略；钢铁冶炼；长流程；高炉强化；氢冶金；碳排放

1  引言

短流程炼钢技术于20世纪80年代正式形成并逐步实现工业化应用，河钢集团的全球首例120万吨氢冶金示范工程一期也于2022年12月建成投产。然而，目前我国长流程炼钢（高炉—转炉工艺）占比约85%-90%，目前仍然看不到长流程炼钢被其他工艺大幅度替代的迹象，这说明长流程炼钢工艺仍然具备强大的核心竞争力。有人认为，如果氢冶金工艺技术进步了，或者短流程炼钢工艺技术进步了，是否会替代长流程炼钢技术？这种假设显然建立在长流程炼钢工艺裹足不前的前提下。如果长流程炼钢工艺技术也取得了巨大进步，那么其他冶金工艺的大规模替代将面临更为严峻的挑战。因此，有必要系统评估不同工艺路径的综合竞争力，并探索长流程工艺在双碳目标下的优化方向。

2  三种炼钢工艺的综合比较

2.1 碳排放对比

从碳排放角度来看，不同冶炼工艺的吨钢二氧化碳排放量存在显著差异，具体如表1所示。

表1 不同冶炼工艺吨钢CO₂排放量对比

从表1可以看出，短流程工艺以及氢冶金并非零碳排放，只是排放量低于传统的长流程工艺，而富氢高炉的碳排放水平已接近灰氢冶金的碳排放水平。

2.2 成本对比

从成本角度来看，长流程炼钢具备明显的成本优势。在我国钢铁行业竞争激烈的大环境下，成本优势就是生命线，是企业核心竞争力所在。若其他工艺欲替代长流程工艺，必须先在技术上取得突破，解决成本问题，方能实现大规模应用。

2.3 各工艺面临的技术瓶颈

2.3.1 短流程炼钢技术需攻克的难题

（1）废钢资源供应不足。 2024年废钢铁回收量约为2.5亿吨，同年铁矿石进口量达12.37亿吨；2025年废钢铁回收量约为2.5亿吨，同年铁矿石进口量达12.59亿吨。废钢供应的结构性短缺制约了短流程的规模化发展。

（2）废钢成本高。 当废钢价格低于铁水成本时，短流程经济性提升；反之则成本压力加剧。短流程炼钢单位成本普遍比长流程高20%-30%。以2023年为例，短流程企业平均吨钢成本较传统长流程企业高约400-600元。

（3）用电成本高。 电炉冶炼依赖电能和辅助燃料，电力成本约占生产成本的10%-15%，电极损耗、燃气加热等辅助能源成本需额外计算，电极单耗约为1.5-3.0千克/吨粗钢。电价波动对短流程成本影响显著，电价每上涨0.1元/度，吨钢成本增加约50-80元。

2.3.2 氢冶金技术需攻克的难题

（1）氢气还原的经济性问题。 氢气作为还原剂，夺取氧化铁中的氧而生成水，同时还原出金属铁。价格昂贵的氢气参与还原反应后所生成的水，商业价值几乎为零，导致还原成本无法得到有效分摊。

（2）氢成本高。 2025年我国绿氢综合成本约为21-46元/公斤；灰氢采用煤炭气化工艺，综合成本约为10元/公斤，通过天然气重整工艺，成本约为18元/公斤。而焦炭成本近十年来大多在2-3元/公斤范围内波动。虽然每公斤氢气能比焦炭还原更多的氧化铁，但其价格是焦炭的3倍以上，性价比明显不足。

（3）氢气难以存储和运输。 由于氢气原子半径小，易渗透产生氢脆；密度低，需要较大容器；易燃易爆，运输安全风险高，且运输成本高，尤其是远距离运输。这些因素限制了氢气的规模化应用，与焦炭作为还原剂相比劣势明显。

2.3.3 长流程工艺的优化方向

长流程工艺相对更加成熟，主要需要解决碳排放问题以继续保持优势。同时，不能简单认为在还原氧化铁过程中使用氢气比焦炭更强——使用氢气的主要目的是降低碳排放。如果未来碳捕集技术能够在钢铁企业规模化应用，使用焦炭作为还原剂的优势将重新凸显。

焦炭在还原氧化铁的过程中，碳元素不会消失：其中约4%渗碳随着铁水流出，大部分碳元素生成一氧化碳和二氧化碳随高炉煤气排出，再经热风炉燃烧后，一氧化碳也转化为二氧化碳。中国钢铁行业2023年、2024年碳排放量超过18亿吨。二氧化碳具有多种工业用途，其中一条重要路径是合成甲醇，而甲醇相比氢气更易存储和运输。若未来甲醇合成汽油技术成熟，仅钢铁行业碳排放所合成的汽油，就能满足国内汽油需求量的三倍以上，国家将不再为汽油能源而担忧。钢铁企业所合成的甲醇即使不出售，也可作为高炉喷吹物继续使用，以降低焦比，形成碳元素的高效循环利用。

3  高炉继续强化冶炼的技术路径

3.1 强化冶炼的必要性与可行性

综上所述，长流程工艺成本更加低廉，应用范围广、规模大，技术成熟稳定，进行技术升级的可行性更高。其中，高炉技术升级是降低碳排放的关键，富氢高炉技术已证明可明显降低碳排放。若高炉冶炼强度能够继续增加，则成本可继续降低，富氢量可继续增加，碳排放可继续降低。因此，高炉需要继续强化冶炼。

3.2 现有强化手段及其局限

目前高炉的强化冶炼手段主要有风量、风温、富氧、喷煤四种。然而，当前的高炉指标水平已体现了现阶段高炉操作人员的最大能力，冶炼强度无法继续突破的原因主要受限于炉型及现有的设备水平。

有效空间利用系数可理解为高炉内发生活跃物理化学变化的空间与高炉有效容积的占比。通过表2可以明显看出小型高炉与大型高炉的差距，小型高炉内活跃物理化学变化的空间占比更大。

表2 不同容积高炉操作参数对比（先进水平）

3.3 核心问题分析

通过表2可以发现：随着高炉有效容积的增加，虽然风压和顶压均有所提高，但全压差（风压与顶压之差）的变化幅度极其微小。这表明高炉炉型和设备是限制高炉指标提升的核心问题。

风量是影响高炉炉况的最核心因素，不仅影响着高炉内的气流分布，而且所有其他因素均需通过风量进行输运。全压差则是产生风量的最核心因素。高炉大型化发展后，全压差未能同步提升，导致技术水平进步严重受限。

如果将顶压降低以提高全压差，则会带来料速过快、炉温控制不住的问题。因此，既要降低顶压提高全压差和风量，又要控制料速不能过快，正是高炉技术突破发展的核心关键。

3.4 新型炉型设计方案

本研究提出一种膈式双层风口炉型，与传统炉型对比如下：

传统高炉在炉腰、炉腹、炉缸部位为连续外凸结构，而新型炉型将这些部位改为向内凹陷的结构，依靠这种结构可通过物理方式控制料速过快。采用低顶压、双层风口的设计，使高炉内部分成两种不同的压差环境。由于上部压差较大的空间存在，上部使用的风量可大幅增加，远高于传统高炉炉型水平。

风量增加后，需要更多的风温热量补充。原本高炉生产的高炉煤气约1/2用于热风炉，新型炉型则需要热风炉具备更大的蓄热能力，使用的高炉煤气量将远超1/2的水平。热风炉也需要相应改造升级，以满足为双层风口送风的需求。

3.5 预期综合效益

风量增加、料速变化后，喷煤量可随之增加；风温提高、喷煤量增加后，高炉内部总热能增加，喷入的富氢量即可增加——这些新增的热量能够抵消氢气还原反应吸热造成的影响。

因此，风量增加→风热能增加→喷煤量增加→富氢量增加的传导路径，达成了高炉继续强化冶炼的目的。其带来的综合效益包括：可使用的富氢量增加，降低碳排放；提高高炉产量，加大大型高炉的规模化效益；降低焦比，进一步降本增效。

4  结论

本文从碳排放、成本构成、技术瓶颈三个维度系统比较了长流程、短流程及氢冶金三种钢铁冶炼工艺路径。研究得出以下主要结论：

第一，长流程炼钢工艺当前仍是我国钢铁生产的主导技术，凭借显著的成本优势和成熟稳定的技术体系，短期内难以被其他工艺大规模替代。

第二，短流程和氢冶金虽具备更低的碳排放强度，但分别受限于废钢资源不足、绿氢成本高企及储运技术瓶颈，其大规模推广仍需较长时间的技术积累和成本优化。

第三，碳捕集与碳利用技术的发展，可能使以焦炭为还原剂的长流程工艺在循环经济框架下重新获得竞争优势——钢铁行业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环利用。

第四，高炉继续强化冶炼是长流程降本减排的现实可行路径。突破现有炉型限制，探索双层风口等新型结构设计，在降低顶压的同时通过物理方式控制料速，可有效提升风量、风温和喷煤量，为增加富氢喷吹创造条件，最终实现增产、降焦、减排的综合目标。

第五，上述发展路径符合我国钢铁市场现状，具备更强的成本竞争优势，是双碳战略下中国钢铁工业值得重点推进的技术方向。

参考文献

[1] 河钢集团. 全球首例120万吨氢冶金示范工程一期投产报告[R]. 2022.

[2] 中国钢铁工业协会. 2023-2024年中国钢铁行业碳排放白皮书[R]. 北京, 2025.

[3] 中国物资再生协会. 2024-2025年中国废钢铁回收利用年度报告[R]. 2026.

[4] 中华人民共和国海关总署. 2024-2025年中国铁矿石进口统计分析[R]. 2026.

[5] 修鹤. 大型高炉强化冶炼措施分析. 《中国金属报》, 2021，16：21-22

[6] 胡文溪.“双碳”目标下氢冶金发展的现状和应用前景. 《新疆钢铁》, 2023, 04

[7] 刘丹丹. 、“双碳”目标下钢铁行业绿色转型路径研究. 《商业观察》, 2024.14