在应对气候变化和能源转型的背景下，各国都高度重视无碳和低碳能源的开发与利用，以减少碳足迹、降低碳排放为中心的冶金工艺技术变革日益受到钢铁工业的关注。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，将氢气用于钢铁生产的氢冶金变革性技术，是钢铁产业优化能源结构和工艺流程，实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。

2021年12月23日，全球低碳冶金创新联盟成员单位上海大学与昌黎县兴国精密机件有限公司（简称：兴国铸业公司）联合共建的氢冶金低碳技术研发试验系统建成并成功点火开始实验。在完成前期的全焦和富氧喷煤实验基础上，12月28日向40立方米的试验高炉中成功注入纯氢气，进入“以氢代碳”的富氢冶炼实验阶段。这是继2019年11月11日德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂正式启动纯氢气注入9号高炉、尝试“以氢代煤”作为高炉还原剂试验项目的全球首次报道之后，中国首次以纯氢为喷吹气源、进行高炉富氢冶炼技术开发试验。富氢冶炼试验纯氢气的喷吹量达到每小时1800立方米，吨铁250立方米；系统研究了氢气喷吹量变化对高炉冶炼过程的影响行为。完成阶段性富氢冶炼实验后，利用氮气对试验高炉进行了快速“冷冻”，“冷冻”后的试验高炉将进行解剖分析，进一步解读富氢对高炉内炉料结构和性状变化的作用规律,为构建完整的高炉富氢低碳冶金技术理论和工艺奠定基础。“以氢代碳”冶炼试验实现了降低焦比10%以上，达到了减少CO₂排放量10%以上和铁产量增加13%以上（大幅提高高炉利用系数），节能降碳效果显著，同时获得了钢铁生产中大规模安全使用氢气的经验。

图1 富氢低碳冶炼热模拟实验系统

建成的试验系统以可解剖打开式的40立方米试验炉为核心，是我国富氢低碳高炉炼铁领域首台套半工业化热模拟科学实验装置。在试验平台上开展包括供氢、富氢冶炼、炉顶煤气循环喷吹和CO₂捕集分离等环节技术开发、筛选、深化、完善和技术经济评估，完成单元技术的转化应用和集成创新，构建高炉富氢低碳冶炼技术理论和工艺原型，实现原创性低碳炼铁技术的开发，形成清洁氢能在冶金领域规模应用工程化示范典型，为钢铁工业CO₂大幅减排技术的重点突破奠定基础，助力“碳达峰、碳中和”战略目标的实现。该项目获得2021年河北省重点研发计划资助（项目名称：“先进氢冶金技术与工艺开发试验研究”）和2021年上海市首批双碳专项项目资助（项目名称：“高炉富氢低碳冶炼关键工艺技术研究与示范”）。

项目建成的氢冶金低碳技术研发中心位于秦皇岛兴国铸造产业园低碳示范区，依托单位是上海大学和兴国铸业公司。氢冶金低碳技术研发中心的技术依托是上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室的氢冶金与低碳技术团队。团队成员长期从事冶金过程新工艺及新理论研究，并成立氢冶金技术研究与成果转化中心。从上世纪90年代，在徐匡迪院士的领导下率先并持续开展了基于氢冶金的低碳炼铁新技术研究，围绕氢冶金、富氢煤气重整改质、经济规模制氢、CO₂捕集分离和利用等关键技术的基础理论和工艺的长期研究已形成了雄厚积累和知名行业影响力。早在1999年第125次香山科学会议中上海大学徐匡迪院士从CO₂减排角度提出氢冶金、调峰储能和利用绿电制备绿氢，并对21世纪钢铁生产流程的理论解析中提出氢还原铁矿石-电炉熔分工艺设想。2002年国家自然科学基金委主办冶金学科战略研讨会中，徐匡迪院士提出氢冶金技术思想。随后，国外氢冶金界纷纷提出氢冶金的战略规划。上海大学氢冶金与低碳技术团队负责人为国家“杰出青年”科学基金获得者鲁雄刚教授和国家973项目首席科学家董瀚教授。

兴国铸业公司是一家民营铸造企业，位于秦皇岛昌黎循环经济产业园内，成立于2008年6月，注册资金1.2亿元，公司荣获中国铸造协会优秀会员单位称号，是认定的河北省绿色铸造示范企业和河北省工业和信息化厅A级研发中心，2021年10月被认定为省级高新技术企业和省级绿色工厂。兴国铸业公司深入落实河北省、秦皇岛市、昌黎县重大决策部署，以绿色低碳发展为底色，绿色智能铸造为发展目标，响应国家碳达峰、碳中和“双碳战略”精神，于2019年11月和上海大学达成“产学研用”战略合作协议，共建“高端特殊（球墨）铸钢产品研发中心”和“低碳技术研发中心”，打造河北兴国绿色智能铸造产业园。

图3  储输一体化供氢系统

通过项目实施，实现兴国铸业公司与上海大学产学研全面深化合作，建立以企业为核心，政府扶持、高等院校共同参与的技术创新机制。一方面实现上海大学基础理论技术研究成果的工程化，另一方面上海大学为兴国铸业公司提供专门的技术支持，为技术创新骨干进行学习参观和技术培训，弥补各自资源的不足，实现资源共享，形成以产权为纽带的政产学研用一体化机制，促使企业真正成为技术创新的主体，实现技术创新能力的突破性提高，增强竞争实力。先进氢冶金低碳技术与工艺开发试验研究项目的实施必将成为推进秦皇岛昌黎县区域铸造、钢铁冶金等传统产业高质量提升转型发展的创新举措和示范典型，进一步辐射河北省以及全国，拉动整个行业节能和降低碳排放。

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