邢 奕，崔永康，田京雷，蘇 偉?，王偉麗，張 熙，劉 義，趙秀娟

1) 北京科技大學能源與環(huán)境工程學院, 北京 100083 2) 工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點實驗室, 北京 100083 3) 河鋼集團有限公司, 石家莊 050023 4) 河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學, 石家莊 050020

2020年，中國粗鋼產(chǎn)量達到10.65億噸[1]，以56.7%粗鋼占比位居全球第一.同時，我國鋼鐵行業(yè)年二氧化碳排放量大，占全國碳排放總量16%以上，為碳排放量最高的非電行業(yè).另外，我國廢鋼利用率不足，短流程電爐煉鋼占比僅為10.4%，而全球電爐鋼平均占比為33%，這從根本上造成國內(nèi)鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放強度居高不下.中國生產(chǎn)每噸粗鋼排放1859 kg CO2，分別高于美國、韓國和日本生產(chǎn)每噸粗鋼所排放的1100 kg CO2、1300 kg CO2和1450 kg CO2[1-2]，鋼鐵行業(yè)急需對CO2進行大幅度減排.近年來盡管鋼鐵行業(yè)在節(jié)能減排上付出了很大努力，碳排放強度逐年下降，但由于鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量大、能源結(jié)構(gòu)以煤焦為主和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)以長流程為主，碳排放總量控制的壓力仍然十分巨大.“碳中和”目標下，鋼鐵行業(yè)將成為重要試點工業(yè).

對于鋼鐵行業(yè)，碳中和是指鋼鐵服役的全生命周期過程中，包括上游鐵礦石原料的開采、運輸，中間流程鋼材的生產(chǎn)，下游鋼材產(chǎn)品的使用、廢氣以及回收整個過程中所排放的二氧化碳和吸收利用的二氧化碳達到平衡.碳減排即以提高生鋼產(chǎn)率的方式來減少對傳統(tǒng)化石燃料的消耗，從而減少碳排放；碳零排即采用風能、水能、光能、生物質(zhì)能源等沒有二氧化碳排放的一次能源.碳負排技術(shù)是將已經(jīng)產(chǎn)生的二氧化碳加以轉(zhuǎn)化利用，實現(xiàn)碳的資源化利用.本文將涵蓋鋼鐵行業(yè)重點碳排放工序，從碳減排、碳零排和碳負排三類技術(shù)出發(fā)，聚焦燃料替代、工業(yè)流程再造和碳捕集利用等低碳手段，探索鋼鐵行業(yè)低碳排放技術(shù)路徑.

1 鋼鐵行業(yè)碳中和技術(shù)與節(jié)點

1.1 國外鋼鐵行業(yè)碳中和技術(shù)與節(jié)點

1.1.1 歐洲ULCOS

歐盟鋼鐵業(yè)于2003年建立了歐洲鋼鐵技術(shù)平臺，從2004年開始啟動ULCOS (Ultra-low CO2steelmaking)[3-5]項目致力于鋼鐵行業(yè)二氧化碳減排.ULCOS項目組收集了當前世界上近80種鋼鐵生產(chǎn)前沿技術(shù)，對其應(yīng)用模型、試驗等方法進行了二氧化碳排放、能源消耗、煉鋼成本以及可持續(xù)性等方面的評估.目前篩選出了4種具有發(fā)展前景的突破性技術(shù)進行深入研究：高爐爐頂煤氣循環(huán)、直接還原工藝、熔融還原工藝和電解鐵礦石.項目分為兩個階段： 第一階段（2004—2010年）為理論研究和中試試驗階段，第二階段（2010—2015年）為深入開發(fā)階段，為技術(shù)方案的工業(yè)化應(yīng)用做準備.最終目標是研究出新的低碳煉鋼技術(shù)，使噸鋼CO2的排放量到2050年比現(xiàn)在最好成績減少50%，從噸鋼排放2 t CO2減少到噸鋼排放1 t CO2.

1.1.2 日本COURSE50

日本COURSE50 (CO2ultimate reduction in steelmaking process by innovative technology for cool Earth 50) 項目啟動于2008年，主要研究內(nèi)容是研發(fā)創(chuàng)新性煉鐵工藝，降低鋼鐵行業(yè)30%的CO2排放，分別通過使用氫氣作為還原劑從源頭上減少10% CO2排放，利用鋼廠廢熱產(chǎn)能對高爐煤氣中CO2的分離捕集從末端減少20% CO2排放.前者開發(fā)的主要技術(shù)包括：（1）利用氫還原鐵礦石的技術(shù)，（2）增加氫含量的焦爐煤氣改質(zhì)技術(shù)，以及（3）高強度高反應(yīng)性焦炭的生產(chǎn)技術(shù)；后者主要包括：（1）高爐煤氣中 CO2分離回收技術(shù)，（2）余熱回收利用技術(shù).COURSE50研發(fā)分兩個階段：第一階段為2008—2012年，從理論上驗證該研究技術(shù)的可行性；第二階段為2013—2017年，在君津廠建設(shè)了日產(chǎn)量為35 t左右的試驗高爐，用該高爐進行工業(yè)試驗及研究.該項目計劃在2022年使用實際高爐進行測試，從而有效驗證基礎(chǔ)技術(shù)，實現(xiàn)預(yù)定目標.在2025年前通過二期高爐實際試驗確立實用技術(shù)，2030年實現(xiàn)實用化目標，2050年實現(xiàn)以氫直接還原鐵礦石的高爐減排CO2技術(shù)的研發(fā).

1.1.3 韓國POSCO

POSCO（Pohang iron and steel company）是韓國低碳排放的主要項目，將低碳排放的目標分為短期、中期和長期目標.短期目標是到2030年CO2減排20%；中期目標是到2040年 CO2減排50%；長期目標是到2050年實現(xiàn)碳中和，基準是2017—2019年浦項鋼鐵 CO2排放量的平均值（7880萬噸）.鋼鐵行業(yè)低碳技術(shù)主要分為四類：（1）制氫技術(shù)，利用鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物如焦爐煤氣和廢棄碳源制取氫氣；（2）燒結(jié)礦顯熱回收和余熱回收，對工廠產(chǎn)生的350 °C 廢氣進行壓縮并將余熱儲存起來在生產(chǎn)過程中進行再利用；（3）胺溶液吸收捕獲二氧化碳，利用氨水吸收及分離高爐煤氣中的 CO2；（4）低碳煉鐵 FINEX 技術(shù)，F(xiàn)INEX使用資源豐富且廉價的“細粉”（細磨礦石）以及非焦煤，生產(chǎn)出可用于冶金等行業(yè)的優(yōu)質(zhì)氣體（H2和CO），短期目標為使用富氫氣體進行還原鐵，長期目標為在2050年研發(fā)功能更為齊全的氫基煉鐵技術(shù)，配合二氧化碳捕集和封存（CO2capture and storage，CCS）技術(shù)預(yù)計可減少45% CO2排放.

1.1.4 美國AISI

美國鋼鐵協(xié)會（AISI, American iron and steel institute）認為美國三分之一的CO2排放來自發(fā)電行業(yè)，而鋼鐵行業(yè)僅占1%.因此，美國目前所有的低碳排放政策大多是針對發(fā)電行業(yè)量身定制的，目前針對鋼鐵行業(yè)低碳排放的技術(shù)主要包括熔融氧化物電解和氫氣閃融.前者是麻省理工學院開發(fā)的一項新技術(shù)，電流通過液態(tài)氧化鐵時，氧化鐵分解成熱金屬和氧氣，目前已完成實驗室規(guī)模研究；后者主要是通過使用懸浮狀態(tài)的熱還原氣體將鐵精粉還原，經(jīng)實驗室研究證明該工藝與高爐煉鐵相比可降低能耗38%.美國其他CO2低碳技術(shù)如風電、太陽能發(fā)電和核電等主要服務(wù)于電力行業(yè)，在此背景下，通過使用低成本發(fā)電技術(shù)生產(chǎn)氫氣，鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放將會進一步大幅度下降.

1.2 國內(nèi)鋼鐵行業(yè)碳中和技術(shù)與節(jié)點

1.2.1 中國寶武鋼鐵集團有限公司

寶武集團率先在2021年1月20日宣告低碳排放目標，2021年發(fā)布低碳冶金路線圖，2023年力爭實現(xiàn)碳達峰，2025年具備減碳30%工藝技術(shù)能力，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實現(xiàn)碳中和.并通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少化石能源用量，提高新能源比例實現(xiàn)低碳排放.主要低碳排放措施為：（1）創(chuàng)立全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟；（2）建設(shè)面向全球的低碳冶金創(chuàng)新試驗基地；（3）以信息化數(shù)字化實現(xiàn)能源高效利用；（4）優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)提高清潔能源比例等.

1.2.2 河鋼集團有限公司

河鋼集團于2021年3月12日發(fā)布低碳綠色發(fā)展行動計劃，明確了碳達峰、碳中和規(guī)劃目標：2021年發(fā)布低碳冶金路線圖，2022年實現(xiàn)碳達峰，2025年實現(xiàn)碳排放量較峰值降10%以上，2030年實現(xiàn)碳排放量較峰值降30%以上，2050年實現(xiàn)碳中和.碳減排路徑主要包括：（1）優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局和流程結(jié)構(gòu)變革，推進全流程碳減排；（2）優(yōu)化用能并構(gòu)建多元能源結(jié)構(gòu)體系，加快低碳轉(zhuǎn)型；（3）開展全生命周期評價，助力鋼鐵材料性能和壽命提升；（4）打造低碳循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)協(xié)同降碳；（5）科技創(chuàng)新助推低碳技術(shù)的研發(fā)示范與應(yīng)用；（6）倡導(dǎo)全員低碳化生產(chǎn)生活.

1.2.3 包頭鋼鐵(集團)有限責任公司

包鋼集團于2021年5月14日披露了其“雙碳目標”：力爭2023年實現(xiàn)碳達峰，2030年具備減碳30%的工藝技術(shù)能力，力爭2042年碳排放量較峰值降低50%，力爭2050年實現(xiàn)碳中和.

1.2.4 鞍鋼集團有限公司

鞍鋼集團在2021年5月28日宣布2021年底發(fā)布低碳冶金路線圖，2025年前實現(xiàn)碳排放總量達峰，2030年實現(xiàn)前沿低碳冶金技術(shù)產(chǎn)業(yè)化突破，深度降碳工藝大規(guī)模推廣應(yīng)用，力爭2035年碳排放總量較峰值降低30%，持續(xù)發(fā)展低碳冶金技術(shù)，成為中國鋼鐵行業(yè)首批實現(xiàn)碳中和的大型鋼鐵企業(yè).

1.2.5 其他

除上述國企之外，一些民營企業(yè)也陸續(xù)提出低碳排放計劃和舉措.德龍集團和新天鋼集團提出了“低碳發(fā)展，高效節(jié)能，打造鋼鐵行業(yè)低碳冶煉標桿”目標，2021年發(fā)布低碳冶金路線圖，2022年起噸鋼碳排放量力爭逐年降低，早于行業(yè)一年完成碳達峰.建龍集團運用富氫熔融還原新工藝，推動傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變，可年產(chǎn)30萬t高純鑄造生鐵.

2 鋼鐵行業(yè)碳中和技術(shù)路徑

本文以碳減排、碳零排和碳負排為框架，對當前眾多鋼鐵低碳技術(shù)進行了分類梳理，具體技術(shù)路線如圖1所示.

圖1 鋼鐵碳中和技術(shù)路徑分析Fig.1 Path analysis of steel carbon neutralization technology

2.1 碳減排

2.1.1 氧氣鼓吹高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)

我國粗鋼生產(chǎn)流程結(jié)構(gòu)以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，2019年長流程粗鋼占比為89.8%.高爐作為煉鐵主要工序，其碳排放占高爐-轉(zhuǎn)爐長流程碳排放的67%[6-7].因此，若要實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和的目標，高爐是實現(xiàn)低碳排放的重要主體.

我國高爐的熱效率已達到95%以上，從降低熱消耗來降低間接碳減排的可能性已很小，但此時副產(chǎn)物煤氣仍具有較高的熱值，氧氣鼓吹高爐爐頂煤氣循環(huán)工藝可實現(xiàn)煤氣的回收和低碳排放的雙重功能.該工藝的主要技術(shù)原理為空氣被通入的大量氧氣所替代，爐內(nèi)的主要煤氣成分由之前的N2、CO2和CO變?yōu)镃O2和CO，采用變壓吸附工藝對高爐煤氣進行分離.工藝流程圖如圖2所示.回收得到的高純度CO可作為還原劑代替焦炭，增加噴煤比，減少焦炭比，生產(chǎn)每噸粗鋼排放的二氧化碳的質(zhì)量分數(shù)約降低30%.同時，對氧氣高爐排放的二氧化碳進行捕集利用可進一步減少碳排放的質(zhì)量分數(shù)約20%～30%.該工藝也存在以下問題：氧氣與焦炭的反應(yīng)過程為吸熱反應(yīng)，高濃度的冷態(tài)氧氣與之前的熱風空氣相比需要消耗更多的燃料產(chǎn)生熱量，隨著燃料噴吹量和供氧量的增加，鼓風帶入的熱量減少使得爐料和爐身供熱不足，大幅度降低了燒結(jié)礦的還原脫碳過程.

圖2 氧氣鼓吹高爐爐頂煤氣循環(huán)工藝Fig.2 Oxygen blowing blast furnace top gas circulation process

瑞典LKAB公司在9 m3試驗高爐上進行噴吹循環(huán)煤氣的試驗研究.試驗高爐采用爐缸和爐身下部兩排風口，爐缸風口循環(huán)煤氣量為550 m3·t-1(1250 ℃)、爐身下部風口循環(huán)煤氣量約為550 m3·t-1(1000 ℃)條件下，保持噴煤比為170 kg·t-1不變，焦比由 400～405 kg·t-1降至 260～265 kg·t-1.

新疆八一鋼鐵在430 m3氧氣高爐進行我國首個氧氣鼓吹高爐工藝研究，按照不同氧濃度配比和物料配比進行低碳實驗.已實現(xiàn)第一階段鼓風氧含量超過35%，高爐噴煤比超過200 kg·t-1，產(chǎn)能提升40%.下一階段將提高鼓風氧氣體積分數(shù)至50%，引入二氧化碳捕集技術(shù)實現(xiàn)煤氣循環(huán).

2.1.2 電爐短流程技術(shù)

電爐短流程煉鋼工藝的原材料主要是廢鋼和少量鐵水，使用清潔能源電能為主要能源冶煉鋼材.廢鋼經(jīng)簡單加工破碎或剪切、打包后裝入電弧爐中，利用石墨電極與廢鋼之間產(chǎn)生電弧所發(fā)生的熱量來熔煉廢鋼，并配以精煉爐完成脫氣、調(diào)成分、調(diào)溫度和去夾雜等功能，得到合格鋼水.由于短流程煉鋼省去了采礦、選礦、燒結(jié)/球團和焦化工藝流程，碳排放量大大減小，生產(chǎn)每噸粗鋼約排放0.6 tCO2[8].因此，以短流程煉鋼替代長流程實現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，能夠顯著降低總體排放.

中國電爐短流程生產(chǎn)粗鋼比例為10%左右，遠低于世界28.8%的平均水平[9].制約我國短流程發(fā)展緩慢的原因主要有成本和技術(shù)兩點：（1）短流程煉鋼成本高于長流程高爐煉鋼.長流程煉鋼成本約 4200 ￥·t-1，短流程煉鋼成本約 4900 ￥·t-1[10]，其成本的67%來自于廢鋼，而國際市場廢鋼價格高且限制優(yōu)質(zhì)廢鋼出口，這是制約我國短流程煉鋼發(fā)展的主要原因.另外，國內(nèi)短流程電耗高和工業(yè)電價高，我國全廢鋼冶煉噸鋼電耗和工業(yè)電價分別為400 kW·h/t和0.64 ￥·(kW·h)-1，而國外發(fā)達國家這一數(shù)值約為280 kW·h·t-1和0.45 ￥·(kW·h)-1，國內(nèi)短流程相對國外噸鋼成本要高 130 ￥·t-1.（2）國內(nèi)廢鋼穩(wěn)定性差和短流程煉鋼技術(shù)存在技術(shù)難題.分揀技術(shù)不過關(guān)導(dǎo)致無法控制廢鋼成分，回收原則為按照廢鋼的質(zhì)量和輕薄簡單劃分.2020年我國廢鋼資源總量達到2.1億t，鋼鐵行業(yè)消耗主要為電爐原料、高爐增產(chǎn)和轉(zhuǎn)爐熱平衡.而短流程煉鋼由于技術(shù)原因無法控制鋼材中Cu、Zn、Pb、P、N和H等雜質(zhì)元素，加上國內(nèi)廢鋼質(zhì)量參差不齊，造成國內(nèi)短流程煉鋼只能應(yīng)用于型材、棒線材和少量不銹鋼等低端產(chǎn)品，限制電爐短流程在我國大規(guī)模應(yīng)用.

電爐按照加料方式可分為豎爐和橫爐，未來主要發(fā)展方向為廢鋼預(yù)熱和連續(xù)加料.目前，豎爐主要包括Quantum電爐、ECOARC電爐和Sharc電爐[11-12].Quantum電爐通過廢鋼料槽升降小車代替天車料籃加料，預(yù)熱溫度在600 ℃以上，世界投產(chǎn)和在建的Quantum電爐約有11座，其中土耳其、孟加拉和墨西哥各1座，中國8座；ECOARC電爐預(yù)熱溫度在800 ℃以上，可將預(yù)熱過程產(chǎn)生的二噁英全部處理掉，世界投產(chǎn)和在建的ECOARC電爐約有9座，其中日本5座、中國2座、韓國和泰國各1座；Sharc電爐為直流供電電爐，采用雙豎爐式生產(chǎn)，我國河鋼石鋼引進130 t電爐2座，土耳其運行1座100 t電爐.Consteel電爐為連續(xù)水平加料式電爐實現(xiàn)了布料、廢鋼預(yù)熱、連續(xù)加料和平熔池冶集成在一個設(shè)備中完成（圖3），在我國應(yīng)用最為廣泛.自2017年以來企業(yè)新上的電爐設(shè)備85%以上為連續(xù)水平加料，其最大優(yōu)點為冶煉過程中可不開爐蓋連續(xù)加入廢鋼，能量不間斷輸入避免了巨大的能量損失，噸鋼電耗可降低30～100 kW·h.但Consteel電爐水平煙道尾氣預(yù)熱溫度較低，約為400 ℃，此溫度為產(chǎn)生二噁英的高峰區(qū)間，需要考慮二噁英治理問題.

圖3 Consteel 電弧爐Fig.3 Consteel electric arc furnace

2.1.3 直接還原技術(shù)

直接還原是指以氣體、液體或者非焦煤為能源與還原劑，在低于鐵礦石和氧化球團礦軟化溫度下進行還原得到固態(tài)金屬鐵的煉鐵工藝，其產(chǎn)品稱為直接還原鐵，可作為電爐煉鋼的優(yōu)質(zhì)原料（簡稱DRI）[13].主要工藝原理如圖4所示，鐵礦石經(jīng)過球團工序或者氧化熔融處理得到氧化球團，隨后依次進入氣基還原豎爐、電爐融化和精煉連續(xù)鑄軋分別轉(zhuǎn)化為直接還原鐵、鋼水和成品鋼材，其中在電爐和精煉連鑄連軋工序伴隨有廢鋼產(chǎn)生.直接還原鐵技術(shù)優(yōu)勢在于采用其他還原劑代替焦煤，完全省去焦化工藝，摻雜部分高品位鐵精礦和球團礦減少球團工藝占比，碳排放量為相同產(chǎn)量高爐煉鐵工藝的80%～85%[14].直接還原鐵工藝有以下優(yōu)點：（1）擴大了對能源的利用范圍.直接還原煉鐵可以完全不用焦炭，因此可用各種非煤焦、燃料油、氣體燃料、電能等代替日益缺乏的冶金焦.（2）擴大了原料的適應(yīng)性.直接還原鐵有的可處理品位很低的貧礦，有的使用品位極高的鐵精礦，可直接用礦粉作原料.（3）改善產(chǎn)品的質(zhì)量.直接還原鐵有害雜質(zhì)少，可作為電爐廢鋼冶煉良好的稀釋原料，生產(chǎn)高產(chǎn)品質(zhì)量的特種鋼、潔凈鋼和優(yōu)質(zhì)鋼.目前電爐煉鋼一般摻雜30%～50%的直接還原鐵原料[15].

圖4 直接還原煉鐵技術(shù)Fig.4 Direct reduction ironmaking technology

直接還原技術(shù)按照所用還原劑的不同可分為氣基(天然氣)和煤基兩種工藝.前者的爐型包括豎爐、流化床和反應(yīng)罐流程，后者的爐型包括回轉(zhuǎn)窯和豎爐流程.氣基直接還原技術(shù)的主導(dǎo)工藝有：Midrex法和HYL/Energiron法等，煤基直接還原工藝主要有Fastmelt工藝、ITmk3工藝和Iron Dynamics工藝.2019年全球直接還原鐵年度產(chǎn)量為1.081億噸，全球直接還原煉鐵技術(shù)以氣基為主，氣基還原產(chǎn)量占總產(chǎn)量的75.8%.從生產(chǎn)技術(shù)上來看，Midrex工藝的直接還原鐵產(chǎn)量占總產(chǎn)量的60.9%[16]，回轉(zhuǎn)窯工藝直接還原鐵產(chǎn)量占總產(chǎn)量的24%.

中國直接還原鐵的市場需求量巨大，2020年需求量在1500萬噸以上.中國大部分鐵礦石來自進口，2020年上半年直接還原鐵進口量約為130萬噸.國內(nèi)直接還原煉鐵技術(shù)仍處在起步階段，主要受還原氣體天然氣少分布不均制約，但我國煤炭資源較為豐富，可利用該優(yōu)勢發(fā)展煤基直接還原技術(shù)和煤制氣-豎爐直接還原技術(shù).對于煤基直接還原技術(shù)，我國曾建煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)線7條，年產(chǎn)能約65萬噸.隨世界鐵礦石價格上升依靠進口球團生產(chǎn)DRI出現(xiàn)虧損，同時礦山企業(yè)生產(chǎn)鐵精礦的效益又大于DRI生產(chǎn)，導(dǎo)致我國7條生產(chǎn)煉鋼用DRI的回轉(zhuǎn)窯全部因經(jīng)濟虧損而被迫停產(chǎn)閑置[17].對于氣基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)，2018年遼寧華信鋼鐵集團開展了1萬噸 DRI和10萬噸精品鋼的煤制氣-富氫氣基豎爐-電爐短流程示范工程項目，還原氣為煤制氣；2019年內(nèi)蒙明拓集團采用Midrex氣基豎爐建設(shè)年產(chǎn)能力110萬噸直接還原項目，還原氣為合成煤氣；2021年5月，河鋼集團在張家口籌建年產(chǎn)60萬噸 Energiron直接還原煉鐵項目，同時規(guī)劃在唐山、邯鄲和宣化等地建設(shè)總計年產(chǎn)300萬噸直接還原煉鐵項目；2021年第3季度，中國寶武在湛江鋼鐵建設(shè)2座百萬噸級氫基豎爐直接還原煉鐵示范工程，分別采用不同比例的焦爐煤氣、天然氣、氫氣和電解水產(chǎn)氫作為還原氣體.

2.2 碳零排

2.2.1 氫冶金技術(shù)

氫冶金技術(shù)（Hydrogen-based steel making）采用氫氣代替炭還原生成水，可大幅降低CO2排放量[18]，其主要化學反應(yīng)原理如圖5所示，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡吞寂欧偶夹g(shù).氫氣直接還原煉鋼技術(shù)是真正意義上的綠色可持續(xù)煉鋼技術(shù)工藝，然而該技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴制氫的成本和低碳性，并且代替碳基還原劑會產(chǎn)生新的工藝問題：（1）純氫氣與鐵礦石為吸熱反應(yīng)，完全代替燃料煤炭后系統(tǒng)內(nèi)熱量無法互補[6,19]，延緩后續(xù)氫氣還原反應(yīng)；（2）氫氣密度低，僅為C還原劑的1/6，進入爐子后迅速向爐頂逃逸，不能很好地停留在爐子下部完成高溫還原反應(yīng)，且無法作為骨架支撐爐料；（3）氫氣無法作為生鐵滲碳的碳源，降低鋼材成品質(zhì)量.因此，氫冶金技術(shù)需要控制氫氣噴入量，根據(jù)數(shù)值模擬實驗顯示[20]，氫氣的最佳噴入含量為27.5 kg·t-1鐵水，此時焦比和碳排放量分別降低24%和21%.

圖5 富氫高爐氫冶金技術(shù)Fig.5 Hydrogen metallurgical technology of hydrogen-rich blast furnace

2016年4月，能源供應(yīng)商瑞典大瀑布電力公司、瑞典鋼鐵集團和瑞典礦業(yè)集團聯(lián)合開展HYBRIT氫冶金項目.項目計劃在2018—2024年進行全面可行性研究，并建立一個中試廠進行試驗；在2025—2035年建設(shè)示范廠.該工藝使用的氫氣來自電解水制氫，電解水使用的電力來自于水力、風力等清潔能源發(fā)電站.根據(jù)2018年披露的數(shù)據(jù)顯示，采用該工藝后噸鋼CO2排放量僅為25 kg，成本約為傳統(tǒng)長流程工藝的120%～130%.

2019年1月，中國寶武與中核集團、清華大學簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》.經(jīng)初步計算，一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的需求，每年可減排約300萬噸二氧化碳，減少能源消費約100萬噸標準煤.

2.2.2 電解還原煉鐵技術(shù)

分離鐵礦石中的氧元素和鐵元素有兩種方法，一種是利用化學還原劑如碳或氫，另一種是利用電能還原，電解還原煉鐵技術(shù)則屬于后者.該工藝利用電流加熱氧化鐵和其他金屬礦物組成的液體溶液（約1600 ℃）發(fā)生電化學反應(yīng)，從而將化合物氧化鐵分解產(chǎn)生氧氣和鐵水，帶負電的氧離子遷移到正極后生成氧氣泡到頂部，帶正電的鐵離子遷移到負極后被還原為鐵[5,8].該工藝采用電解的方法，不需要傳統(tǒng)煉鐵工藝中所使用的焦爐、鏈筐機回轉(zhuǎn)窯和高爐等設(shè)備，如果使用無碳電力，可達到零CO2排放的目標.

安塞樂米塔爾公司對該工藝進行可行性實驗室研究，得到的鐵純度可達99.98%，能耗為2600～3000 kW·h·t-1，但中試工廠產(chǎn)能為5 kg·d-1.麻省理工學院設(shè)立波士頓金屬公司用于開展研究，2014年該公司委托開發(fā)首個原形高溫熔鹽電解槽，目前已經(jīng)產(chǎn)出共計超過1 t金屬.該公司設(shè)定了4 MW·h噸鋼材的目標，如果實現(xiàn)這一目標，將需要46 GW低碳電力產(chǎn)能作為支撐，這相當于5500個全球最大功率海上風力發(fā)電機，或者28座1.6 GW核反應(yīng)堆.根據(jù)國際能源署提出的加速創(chuàng)新方案，在極端條件下，2050年之前可以達到1億噸鐵礦石的電解能力.

2.3 碳負排技術(shù)

碳捕獲、利用與儲存（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）技術(shù)是將由人為活動已經(jīng)排放到空氣的二氧化碳進行捕集，然后通過化學轉(zhuǎn)化生成高附加價值的產(chǎn)品和長時間封存到地質(zhì)環(huán)境中，以此來減少空氣中二氧化碳濃度.當CCUS技術(shù)耦合其他二氧化碳源頭低碳排放技術(shù)，鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量可實現(xiàn)數(shù)學意義上的“負排放”.

2.3.1 碳捕集

鋼鐵生產(chǎn)是以碳還原氧化鐵為主的高溫化學過程，生產(chǎn)過程中會排放大量的 CO2.在我國鋼鐵行業(yè)能源結(jié)構(gòu)保持不變的條件下，CO2的捕集利用可有效彌補鋼鐵生產(chǎn)工藝優(yōu)化降碳措施的不足.目前鋼鐵行業(yè)主要以燃燒后捕集為主，CO2捕集方法的特點總結(jié)在表1中，根據(jù)捕集原理可以分為物理吸附法和化學吸收法兩大類[21-23].前者利用范德華力將CO2氣體捕集在材料表面和孔道，后者利用酸堿化學反應(yīng)將CO2氣體與液體通過化學鍵強有力結(jié)合.

表1 物理吸附與化學吸收方法捕集CO2比較Table 1 Comparison of CO2 capture by the physical adsorption and chemical absorption methods

日本JFE鋼鐵公司選用沸石ZEOLUMF-9HA作為CO2吸附劑，高爐煤氣依次經(jīng)過預(yù)處理裝置脫濕塔和脫硫塔去除水分和硫化物，低溫凈煤氣進入兩段變壓裝置，分別得到CO2和CO氣體.該技術(shù)投資4.3億日元成功應(yīng)用在日本制鐵所福山廠，CO2日處理能力為3 t，回收率和純度分別為80%和99%.2010年建設(shè)1000 m3·h-1高爐煤氣中試設(shè)備.2012年配套建成CO2凈化/液化裝置，目前已實現(xiàn)CO2回收率超過90%、液態(tài)CO2純度超過99.5%.

中國碳捕捉研究和示范主要集中在煤炭、油氣和電力行業(yè)，鋼鐵行業(yè)碳捕集基本處于空白.中國鋼鐵公司選用體積分數(shù)為30%單乙醇胺為吸收劑進行為期約1個月的碳捕集實驗，CO2回收率超過95%.后續(xù)采用自產(chǎn)氨水作為吸收劑并成功于2015年商業(yè)化.2014 年寶鋼與中南大學合作開展燒結(jié)煙氣脫硫渣碳酸化固定CO2的研究，使工業(yè)廢氣中的CO2與脫硫渣中的鈣反應(yīng)生成碳酸鈣，從而實現(xiàn)CO2的固定.

2.3.2 碳循環(huán)及跨行業(yè)聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

（1）CO2廠內(nèi)循環(huán)利用技術(shù).

CO2作為碳的完全氧化產(chǎn)物，熱力學和化學性質(zhì)十分穩(wěn)定，但在高溫下也可以與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)，利用CO2的熱穩(wěn)定性、覆蓋保護性、溫度調(diào)控性和攪拌性等特點應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)各個工序，消納CO2且資源化利用實現(xiàn)低碳排放，生產(chǎn)每噸粗鋼約可利用100 kg CO2.CO2用于鋼鐵生產(chǎn)，主要是利用CO2的弱氧化性.目前CO2在鋼鐵行業(yè)內(nèi)部資源化應(yīng)用的場景如圖6所示.

圖6 CO2在鋼鐵各工序中的應(yīng)用[24]Fig.6 Application of CO2 in various processes of iron and steel [24]

CO2用于鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)具有以下優(yōu)點：（1）生產(chǎn)成本低，用CO2代替Ar用于不銹鋼冶煉，噸鋼可減少20～45元的生產(chǎn)成本.（2）熱力學優(yōu)勢，CO2作為反應(yīng)氣體參加的許多反應(yīng)屬于微吸熱反應(yīng)，可實現(xiàn)熔池煉鋼過程的溫度調(diào)控.（3）易排氣：CO2密度大，容易將鋼液中的其他氣體排出，保護鋼液質(zhì)量.（4）攪拌能力強：產(chǎn)物氣分子體積增加一倍可強化熔池攪拌（CO2+C=2CO）.但同時也存在以下問題，若采用煤炭質(zhì)供氣，原件侵蝕比較嚴重，需要加強對爐底的侵蝕防護，另外還需考慮對CO2的回收與提純.工藝方面，對于噴吹CO2的最佳工藝條件、爐內(nèi)熱量的變化規(guī)律、CO2利用率這些問題還沒有明確的研究結(jié)果.

國內(nèi)首鋼京唐公司同北京科技大學合作，共同承擔國家科技部“十二五”科技支撐項目“CO2-O2混合噴吹煉鋼工藝技術(shù)及裝備示范”課題.該項目建設(shè)國內(nèi)第一條年產(chǎn)300萬噸鋼的CO2-O2混合噴吹煉鋼技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程（含年產(chǎn)5萬噸CO2的回收裝置）.該項目建設(shè)投產(chǎn)后，預(yù)計噸鋼減少CO2排放21.3 kg.太鋼于2017年開始二氧化碳替代氬氣用于煉鋼生產(chǎn)的理論研究.2019年開始正式試驗系統(tǒng)分析了二氧化碳對煉鋼過程的脫碳速度、熔池溫度、爐襯侵蝕等的影響，后于2020年完成了300多爐二氧化碳在碳鋼生產(chǎn)線及不銹鋼生產(chǎn)線的工業(yè)化試驗，取得了降低氬氣、氧氣消耗，提高脫碳效率的良好效果，降低了噸鋼的冶煉成本.

（2）CO2廠外跨行業(yè) “鋼-化”聯(lián)產(chǎn)技術(shù).

鋼鐵工業(yè)尾氣富含二氧化碳、甲烷和一氧化碳等C1化合物，可利用鋼鐵尾氣生產(chǎn)醇類化工產(chǎn)品，目前主要有兩種方法，分別是發(fā)酵法和合成氣制乙醇（DMTE）[25].發(fā)酵法由美國朗澤科技研發(fā)，具體工藝流程如圖7所示，將經(jīng)過預(yù)處理的尾氣送至生物發(fā)酵裝置，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾脫水后產(chǎn)出體積分數(shù)≥99.5%的燃料乙醇，同時分離出高品質(zhì)的菌體蛋白，可作為高端水產(chǎn)蛋白飼料原料；之后的污水還可用于生產(chǎn)沼氣，再經(jīng)提純后用于生產(chǎn)壓縮天然氣.

圖7 發(fā)酵法工藝流程圖Fig.7 Process flow diagram of the fermentation method

2012年首鋼京唐公司與朗澤科技合作，建設(shè)年產(chǎn)300 t乙醇示范工程，占地約5000 m2，以焦爐煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣體為原料，通過該項目技術(shù)示范形成鋼鐵工業(yè)尾氣發(fā)酵制備燃料乙醇的核心技術(shù).

DMTE技術(shù)由大連化物所劉中民院士團隊自主研發(fā)，利用鋼鐵工業(yè)尾氣中的 CO和H2為原料，經(jīng)甲醇脫水、二甲醚羰基化和乙酸甲酯加氫路線生產(chǎn)乙醇，具體工藝路線如圖8所示.DMTE 工藝具有乙醇生產(chǎn)成本低、合成氣利用率高和占地面積小等特點，大規(guī)模無水乙醇生產(chǎn)成本優(yōu)勢顯著.

圖8 DMTE生產(chǎn)乙醇技術(shù)路線圖Fig.8 Dimethyltellurium technology roadmap for ethanol production

截止2021年，國內(nèi)榆神能化、新疆天業(yè)和安陽利源集團等共計7家單位采用DMTE技術(shù)生產(chǎn)乙醇，許可規(guī)模達195萬t·a-1，預(yù)計十四五期間，DMTE技術(shù)乙醇產(chǎn)能預(yù)計超過300萬t·a-1，年產(chǎn)值達150億.

2.3.3 碳封存

捕集的CO2除了在鋼鐵廠內(nèi)部循環(huán)利用和廠外化學轉(zhuǎn)化之外，也可將其運輸至儲存地點，在高溫高壓條件下以超臨界形式注入地下進行長期封存，實現(xiàn)與大氣的長期隔離.封存CO2的地點通常為深層鹽水層、枯竭的油氣田和采煤層，在地質(zhì)封存的同時，起到強化提高石油、地熱、地層深部咸水等能源開采的作用[26].

國內(nèi)的地質(zhì)封存與利用技術(shù)主要以提高石油采集率為主，煤層氣驅(qū)替技術(shù)目前處于研發(fā)階段.以國內(nèi)油田的CO2驅(qū)油項目為例，吉林油田和新疆油田的注汽產(chǎn)油比分別為4.67∶1和3.57∶1，即注入4.67 t或3.57 t二氧化碳能夠產(chǎn)出1 t油.中科院武漢土力研究所等單位在鄂爾多斯盆地開展CO2驅(qū)煤層氣研究[27]，在2015年完成燃煤電廠CO2捕集和驅(qū)替煤層氣研究與試驗示范，2018—2020年完成了CO2驅(qū)煤層氣關(guān)鍵技術(shù)研究.國家能源投資集團有限責任公司在內(nèi)蒙古建成了世界上規(guī)模最大的深部咸水層地質(zhì)封存示范項目[28]，截止目前已封存30余萬噸CO2.

3 總結(jié)與展望

3.1 鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀總結(jié)

（1）我國鋼鐵行業(yè)能源資源消耗密集且以化石能源為主，占全國碳排放總量18%以上，為碳排放量最高的非電行業(yè).（2）粗鋼產(chǎn)銷量大，粗鋼產(chǎn)量從21世紀初1.3億噸增長至2020年的10.65億噸，鋼鐵生產(chǎn)將逐漸從以往的爆發(fā)式增長進入到平臺穩(wěn)定期，預(yù)計近些年粗鋼產(chǎn)量保持在10億～12億噸左右.（3）我國鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝流程以噸鋼CO2排放量為1.7～2.2 t的長流程高爐-轉(zhuǎn)爐為主，其生產(chǎn)的粗鋼比例約占總產(chǎn)量的90%，而噸鋼CO2排放量為0.6 t的短流程電弧爐煉鋼的粗鋼產(chǎn)量僅占10%.但我國電費偏高，缺少足夠用于電爐的廢鋼，且廢鋼質(zhì)量參差不齊，廢鋼進口受到國外管制，以煤和焦炭為主的高爐煉鐵為核心的長流程制造工藝近些年不會發(fā)生根本變化.（4）直接還原煉鐵技術(shù)在國內(nèi)剛剛起步，且國內(nèi)“富煤、貧油、少氣”的能源現(xiàn)狀限制其快速發(fā)展.

3.2 鋼鐵行業(yè)低碳排放技術(shù)路線展望

鋼鐵行業(yè)低碳排放技術(shù)路線展望如下：

（1）通過優(yōu)化工藝生產(chǎn)流程的方式減少工業(yè)生產(chǎn)過程中的直接碳排放，利用副產(chǎn)能源重整技術(shù)提高能源利用效率，降低間接碳排放.高爐煉鐵作為碳排放量最高的工序，應(yīng)首先對其進行升級改造，可采取氧氣鼓風高爐爐頂煤氣循環(huán)+氫氣噴吹+CCUS組合技術(shù)，預(yù)計生產(chǎn)每噸粗鋼可減少500 kgCO2排放.另外在降碳方面應(yīng)優(yōu)先選用高成熟度減碳技術(shù)，如1000 mm超厚料層低碳燒結(jié)技術(shù)、長流程廢鋼預(yù)熱技術(shù)和CO2轉(zhuǎn)爐高爐底吹技術(shù)，有效支撐2030年碳達峰目標的實現(xiàn).

（2）改變鋼鐵行業(yè)能源結(jié)構(gòu)，高CO2排放因子煤炭應(yīng)逐漸一步一步轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹狻烊粴狻鷼錃馇鍧嵞茉磳崿F(xiàn)鋼鐵碳零排.采用碳含量較低的燃料和/或還原劑，降低工業(yè)過程產(chǎn)生的直接碳排放.利用光伏發(fā)電、風能和地熱能等清潔能源發(fā)電替代火力發(fā)電，減少因能源消耗產(chǎn)生的間接碳排放.另外，廢棄生物質(zhì)的使用還有許多潛在的好處，包括回收其能量含量、節(jié)約不可再生化石燃料、降低生產(chǎn)成本和消除垃圾填埋場處理.未來可使用廢塑料和廢輪胎(其中也含有一些鐵)代替一些煤在鋼鐵廠和電弧爐中生產(chǎn)鋼鐵.

（3）大力發(fā)展CO2捕集與碳循環(huán)鋼化聯(lián)產(chǎn)碳負排技術(shù)，進一步深度脫碳.預(yù)計2050年鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量為7億噸[18]，短流程電爐煉鋼占比與當前美國相同，達到70%（碳排放因子取生產(chǎn)每噸粗鋼約排放0.6 t CO2），長流程氧氣鼓吹氫基高爐占比達到30%（碳排放因子取生產(chǎn)每噸粗鋼排放約 1.4 t CO2），則 2050 年排放約6.88 億噸 CO2，碳中和難度大，需要通過末端碳捕集的方式才能實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和.目前碳捕集成本較高，約為400～500 ￥·t-1CO2，占 CCUS 總成本的 60%～70%，其商業(yè)可行性很大程度取決于政府制定的碳排放稅碳和交易價格（2021年國內(nèi)碳交易市場每噸二氧化碳的開市價格約為50元）.當CCUS的技術(shù)、資金和成本障礙被克服后才可以實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)真正的碳中和.