我國鋼鐵工業碳排放現狀與降碳展望*

王 廣，張宏強，蘇步新，馬靜超，左海濱，王靜松，薛慶國

(1.北京科技大學 鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083；2.冶金工業規劃研究院，北京 100013；3.河鋼集團有限公司，河北 石家莊 050023)

0 引言

以CO2為主的溫室氣體導致了全球變暖和極端天氣，給人類社會構成了嚴重威脅[1]。人類活動，特別是以化石能源大規模利用為主的能源活動，是造成大氣中CO2溫室氣體濃度快速上升的主要原因[2]。根據2018年的公開數據[3]，世界CO2排放量為335億t，中國占比28.6%，居世界第一位。2020年中國GDP達101.6萬億元，全球占比17.42%，居世界第二位。可見，我國單位GDP的碳排放量較高。從1992年的《聯合國氣候變化框架公約》到2015年的《巴黎協定》，通過碳減排應對全球變暖已在世界范圍內達成了廣泛共識，提出了“2050年把全球平均氣溫升幅控制在工業化前水平以上低于2 ℃之內，并努力限制在1.5 ℃之內”的目標。截至2020年6月12日，已有125個國家承諾21世紀中葉前實現碳中和[4]。2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重提出 “中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。我國在2060年前實現碳中和比發達國家在2050年前實現碳中和將需要付出更大的努力。

鋼鐵工業以煤、焦、天然氣為主要能源，是電力系統以外碳排放量最大的行業，約占全球碳排放量的5%～6%。歐洲、日本、韓國的眾多大型鋼鐵企業已提出了碳減排或碳中和計劃，特別是歐洲鋼企走在了碳減排的前列，如英國鋼鐵公司提出在2040年實現CO2凈零排放。2020年我國粗鋼產量達10.65億t，約占全球的56.7%，其中約90%由高爐-轉爐流程生產。鋼鐵工業能耗約占我國工業總能耗的15%，能源結構以煤炭為主(占比超過90%)，使其成為CO2和污染物排放大戶[5]。我國寶武、河鋼、鞍鋼、包鋼分別提出了自己的碳達峰碳中和計劃，大部分計劃在2050年前實現碳中和。綜合考慮產業現狀、技術基礎、研發實力和時間節點，我國鋼鐵工業碳達峰碳中和所面臨的壓力遠超世界同行。本文通過綜述我國鋼鐵行業碳排放現狀以及探討相關低碳技術，旨在為我國鋼鐵工業的低碳化發展提供一些參考。

1 我國鋼鐵工業的發展現狀與趨勢分析

鋼鐵工業是國民經濟的基礎原材料產業，是重要的制造業門類。我國鋼產量自1996年突破1億t以來，在內需和出口的拉動下，產量持續增長。1996年以來，我國粗鋼產量及占世界粗鋼總產量的比例如圖1所示。

圖1 中國粗鋼產量及世界占比(1996-2020年)

這種增長速度和體量創造了人類鋼鐵工業新的歷史高度。我國已經擁有世界上最完整、最大規模的鋼鐵工業體系，配備了世界最先進的裝備、工藝和技術，能夠提供最豐富、最齊全的鋼鐵產品。同比來看，2019年中國粗鋼產量增加7 631萬t，凈出口減少662萬t，表觀消費量增加8 293萬t，鋼材凈出口(折粗鋼)量占同期中國粗鋼產量的5.07%，說明中國鋼材生產以滿足國內需求為主[6]。2015年以來，我國鋼鐵行業認真貫徹落實國家決策部署，扎實推進科技創新、節能環保、降本增效等重點工作，努力鞏固去產能成果，嚴禁新增產能，防范“地條鋼”死灰復燃，推動企業兼并重組，打造了如中國寶武鋼鐵集團有限公司這樣的世界級鋼鐵企業。

同時，鋼鐵工業也是高能耗、高一次排放行業。鋼鐵工業排放的CO2、NOx、SO2、細顆粒物、二噁英、固廢分別占全國總排放的11.2%、5.6%、9%、23%、26%、19.5%[7]。為了實現可持續發展，超低排放和雙碳目標將是鋼鐵企業技術改造和技術研發的重點方向。在2030年碳達峰和單位國內生產總值CO2排放量比2005年下降60%～65%的雙重約束下，如低碳技術未能實現突破且廣泛應用的話，未來十年內，我國粗鋼產量必將達到峰值，并轉入下降通道。碳中和將是重塑我國未來鋼鐵工業產量、流程和布局的重要推動力，綜合考慮鋼材需求地、鐵礦石供應地、綠氫成本、運輸成本以及CO2捕集封存(CCS)成本，預計2050年我國粗鋼產量為3.6億t，氫在冶金中得到廣泛使用，電爐短流程占比明顯提高(70%以上)[8]。圖2給出了在實現深度碳減排情景下中國鋼鐵工業分省布局預測。

圖2 中國鋼鐵工業分省布局預測[8]

由圖2可以看出，鋼鐵工業仍然主要分布在北方，同時可再生能源豐富地區(如新疆、青海)出現了產量增加較明顯的趨勢，而在沒有良好的可再生能源同時又缺乏CCS應用基礎的地區，就會出現明顯萎縮。對于綠氫成本高且缺乏CO2存儲條件的中國南方和東部能源消費中心來說，需要較多考慮利用電爐煉鋼工藝。

2 基于工序的我國鋼鐵工業碳排放分析

我國主流的高爐-轉爐冶煉流程(即長流程)是最為經典的鋼鐵冶煉流程，包含有相對獨立而又有緊密聯系的多個生產單元，如燒結、球團、煉焦、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、連鑄、軋鋼等，十分復雜,其中的化石燃料燃燒和電力消耗均是碳排放的主要來源。因較成熟的工序碳排放研究較少，本文主要以不同單元的工序能耗數據進行分析[6]。

2.1 燒結工序

鐵礦燒結過程是將鐵礦粉、熔劑、燃料及返礦按一定比例組成混合料，配以適量水分，經混勻和制粒后，通過布料、點火、抽風、燒結、冷卻、整粒等制得物理及化學性能滿足高爐冶煉要求的人造富礦。燃料主要是焦粉和無煙煤粉，點火還要消耗一部分燃氣，一般是高爐煤氣和轉爐煤氣的混合氣，燃燒過程以完全燃燒為主。燒結工序能耗歷年變化如圖3所示。由圖3可知，燒結能耗整體上呈降低趨勢，但是有的年份會出現反彈，基本維持在48 kgce/t燒結礦。可通過采取厚料層燒結、治理漏風、熱煙氣循環、料面噴吹富氫氣體等措施進一步降低工序能耗和碳排放，但是降低的潛力有限[9]。

圖3 燒結工序能耗歷年變化(2014-2019年)

2.2 球團工序

氧化球團礦的生產主要是以高品位鐵精礦為原料，通過滾動成型、干燥以及高溫焙燒固相黏結制備得到一種品位高、強度高、還原性好的煉鐵爐料。目前主要有鏈篦機-回轉窯、帶式焙燒機和豎爐三種工藝，由于焙燒和冷卻產生的熱廢氣可用于干燥、預熱和助燃，因此帶式焙燒機球團工藝的單位成品熱耗相對較低，也可以細磨赤鐵礦為主要原料進行球團生產。帶式燒結機和豎爐主要采用氣體燃料，鏈篦機-回轉窯可以用氣體或煤粉為燃料，燃燒過程以完全燃燒為主。球團工序能耗歷年變化如圖4所示。由圖4可知，球團能耗整體上呈降低趨勢，但是有的年份會出現反彈，基本維持在26 kgce/t球團。與燒結工藝相比，球團工藝的能耗明顯較低。

圖4 球團工序能耗歷年變化(2014-2019年)

2.3 煉焦工序

塊狀焦炭在高爐煉鐵生產過程中發揮著重要作用，包括提供熱量、提供還原劑、保證料柱的透氣性等，是高爐煉鐵過程不可缺少的原料。煉焦過程以煉焦煤為原料，通過高溫干餾，產生焦炭、焦爐煤氣和其他煉焦化學產品，煉焦高溫干餾過程消耗的主要是焦爐煤氣或者混合煤氣。我國鋼鐵聯合企業中只有部分企業有焦化生產指標，其焦炭產量僅占全國總產量的30%左右[10]。2017年中國鋼鐵工業協會會員鋼鐵企業煉焦工序能耗為99.67 kgce/t，通過回收煤氣和燒成焦炭的顯熱是煉焦工序降低能耗的主要手段。

2.4 高爐工序

高爐煉鐵以燒結礦、球團礦和塊礦為含鐵爐料，以焦炭、煤粉、天然氣、熱風等為能源，冶煉過程在一個密閉反應器中進行，在爐料與煤氣流的逆向流動過程中完成鐵礦石的還原和渣鐵熔分，獲得合格的液態生鐵。焦炭、煤粉、天然氣等化石燃料在風口發生不完全燃燒生產CO和H2(我國高爐以焦炭、煤粉為主要能源，爐頂煤氣的H2含量很低)，最終離開爐頂時煤氣的利用率約為50%，其中尚有20%左右的CO，即高爐煤氣含有一部分化學能，其帶走的化學能約占噸鐵總能耗(實際轉化的煤、焦總能量)的35%。高爐煉鐵工序能耗歷年變化如圖5所示。由圖5可知，能耗整體上維持在一個相對穩定的水平，但是有的年份還會出現反彈，基本維持在385～390 kgce/t。高爐煉鐵工序的燃料消耗水平決定了CO2的排放強度，盡管影響高爐煉鐵燃料消耗水平的因素很多，個別企業因自身原因導致能耗水平較高，但是現代高爐煉鐵工藝技術已十分成熟，熱效率可高達95%，靠降低工序能耗來減少CO2排放的潛力很小。

圖5 高爐煉鐵工序能耗歷年變化(2014-2019年)

2.5 轉爐工序

高爐生鐵中約含有4.5%～5.4%的滲碳[11]，轉爐冶煉實質上是鐵水脫碳反應。鐵水含有物理熱和化學熱，轉爐冶煉過程(約30 min/爐)就是依靠這部分熱量完成的，而且轉爐冶煉過程中還可以回收一定量的轉爐煤氣(約115 m3/t)和蒸汽(噸鋼產汽約90 kg)[12]。按工序能耗的計算方法，這部分回收的煤氣和蒸汽的熱值減掉冶煉過程消耗的電力、氧氣和水，對應的能耗是有盈余的，這就是所謂的“負能煉鋼”。轉爐煉鋼工序能耗歷年變化如圖6所示。

圖6 轉爐煉鋼工序能耗歷年變化(2014-2019年)

我國已經基本實現“負能煉鋼”，且能效水平不斷提高。但是，轉爐煉鋼過程將鐵水中的元素碳氧化成CO、CO2，還消耗了氧氣(約50 m3/t)，從而排放了一定量的CO2。此外，根據生產的鋼種不同，脫碳的深度也不一樣，產生的CO2排放量也會不一樣。

2.6 軋鋼工序

軋鋼是將煉鋼廠生產的鋼錠或連鑄鋼坯軋制成鋼材的過程。軋鋼工序碳排放主要來自鋼坯加熱過程中的煤氣燃燒(約200 m3/t)和軋制過程中的設備電耗(約110 kW·h/t)。軋鋼工序能耗歷年變化如圖7所示。由圖7可知，軋鋼能耗整體上呈降低趨勢，但是降低的幅度不大，目前維持在約60 kgce/t。但是，軋鋼工序相對簡單，其碳減排可依托電力系統的低碳化完成，即將鋼坯加熱過程改成電加熱即可，但是相關設備如何改造以及成本是否合適需要進一步考慮。也可以通過新技術的研發，減少或取消加熱工序，提高成材率。

圖7 軋鋼工序能耗歷年變化(2014-2019年)

如果單純從工序能耗計算，采用2019年我國鋼鐵工業的生產數據(噸鐵礦石消耗、燒結球團產量、焦比、噸鋼生鐵消耗、成材率等，其中煉焦采用2017年能耗數據)，可以得到我國生產1 t鋼材的分單元工序能耗及相應占比(見表1)。由表1可知，鐵前工序(燒結+球團+煉焦+高爐)能耗占總能耗的91.27%，對鋼鐵材料生產過程的能耗起決定性作用。實際上，對于高爐煉鐵和轉爐煉鋼工序，其CO2排放占比要大于其工序能耗占比，特別是轉爐煉鋼工序，其本質上是一個CO2排放的過程。

表1 2019年鋼鐵企業工序能耗

目前，我國鋼鐵生產過程碳排放核算依據的是《中國鋼鐵生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》，該指南中將燒結、球團、煉焦、高爐中發生的碳氧反應統一歸類為燃料燃燒排放[13]。但是，鋼鐵生產中的燃料(如冶金焦、噴吹煤等)既發揮化學品作用(還原劑)，又發揮能源作用(供熱)，其排放是歸入能源排放還是工業過程排放，是《IPCC 2006 年國家溫室氣體清單指南 2019 修訂版》修訂過程中的一個爭議焦點。最終根據清單指南的修訂原則，所有類似過程都被歸屬入了工業過程排放[14]。

我國還有大量的獨立焦化廠、軋鋼廠、鐵合金廠，以及以特殊復合鐵礦資源(如釩鈦鐵礦、稀土鐵礦、紅土鎳礦等)為主要原料的鋼鐵企業，因此要準確統計鋼鐵行業的碳排放并按統一的排放標準進行限定是較為困難的。此外，一個鋼鐵企業能耗最低，不一定碳排放就最低，特別是進入深度脫碳階段后，為了促進鋼鐵冶煉全流程降碳，一個可行的方法是分單元工序進行碳排放核算。具體如何進行，還需要相關部門以發展的眼光進行全面且深入的研究。

3 典型鋼鐵冶煉低碳技術分析

考慮到國民經濟建設對鋼鐵材料的持續需求，以壓減產量的方式實現鋼鐵生產過程大幅減碳是不實際的，低碳技術的研發和應用才是重中之重，應鼓勵原始創新，保護知識產權，堅持“四個面向”，從而為我國從世界鋼鐵的生產中心向世界鋼鐵的技術研發中心轉變提供堅實基礎。接下來，本文將從三個層次對當下典型的鋼鐵冶煉低碳技術進行分析，以期為后續工作的重點方向理清思路。

3.1 行業內通用節能技術

隨著我國鋼鐵工業現代化進程的不斷深入，一些成熟的節能減排技術已在大中型鋼鐵企業普及，有些技術已達到國際先進水平，如干熄焦技術、煤調濕技術、燒結余熱回收技術、高爐爐頂煤氣余壓發電技術、轉爐煤氣干法除塵技術等，這些技術需要全行業加快普及[15]。此外，還有一些尚待進一步開發或工業化推廣且具有明顯減排降碳效果的技術，這些技術對我國鋼鐵行業實現碳達峰和達峰后初期降碳具有現實意義，具體闡述如下。

1)提高球團/塊礦入爐比例

高爐煉鐵使用的基本含鐵爐料包括燒結礦、球團礦和塊礦。球團礦生產能耗相當于燒結礦的一半，且品位高、還原性好，生產過程污染物排放少；塊礦屬于天然礦物，更加清潔。因此鋼鐵工業降低碳排放一個可行的方法是提高球團和塊礦的入爐比例[16-17]。如果實現全球團(配加一定比例塊礦)冶煉，至少可實現鋼鐵全流程節能(減碳)5%以上，但需要考慮資源、價格以及冶煉技術三方面的平衡問題。

2)還原性氣體噴吹

還原性氣體噴吹主要是指將焦爐煤氣、天然氣及按合適比例混合后的氣體或轉爐煤氣噴入高爐，部分替代噴吹煤和焦炭的技術[18-20]。如果以降低高爐煉鐵過程碳排放為主要出發點，鋼鐵聯合企業的自產焦爐煤氣、轉爐煤氣用于高爐噴吹是有效發揮這些煤氣價值的途徑之一，不論其替代的是焦炭還是煤粉，因為這些氣體產生自鋼鐵冶煉系統內部碳熱加工過程，其適宜的利用方法是替代化石燃料，以使本系統碳排放最少，而不是用于加熱或發電。隨著我國可再生能源發電比例的提高，電網的排放因子將會降低，鋼鐵企業的自備電廠所發的電本質上來自煤、焦的燃燒，排放因子較高。日本的新日鐵住金株式會社[21]通過在12 m3高爐進行試驗驗證了COURSE50的氫還原構想(主要是噴吹焦爐煤氣)，結果表明，碳直接還原度從31%降至21%。如果高爐輸入的焦、煤可以通過噴吹使自產還原性氣體減少10%，那么該技術可實現鋼鐵全流程減碳9%左右。

3)電爐短流程煉鋼

相比轉爐煉鋼，電爐煉鋼具有工序短、投資省、建設快、節能減排效果突出等優勢[22]。對于全廢鋼電爐，設定噸鋼電耗400 kW·h[23]，按電網排放因子0.610 1 kg/kW·h計算，則電爐冶煉1 t鋼排放CO2約244 kg。但是我國廢鋼資源短缺，價格高且波動較大，直接還原鐵產量幾乎為空白，再加上工業電價偏高，所以我國電爐鋼占比較低。中國鋼鐵工業協會的統計數據顯示，2019年我國電爐鋼產量占比僅為5%左右。我國電爐鋼企業為了應對金屬料不足的問題，普遍配加熱鐵水替代部分廢鋼，以提高生產效率、降低煉鋼工序能耗和生產成本，鐵水占比近50%，形成了一種我國特有的電爐冶煉流程，限制了電爐煉鋼減碳優勢的發揮。此外，在發展電爐煉鋼的同時還要做好尾氣中二噁英的檢測和控制技術的開發[24]。

4)薄規格帶鋼和鑄坯直軋工藝

近年來，中國熱連軋生產追求更高效率、更薄規格、更低成本、更少排放的目標。2019年繼日照鋼鐵4條ESP投產熱軋帶鋼最小厚度減至0.7 mm后，沙鋼Castrip超薄帶、首鋼MCCR、唐山東華節能型ESP陸續建成。其中，沙鋼引進的美國紐柯Castrip技術已試生產低碳鋼、高強鋼、高碳鋼、耐候鋼等鋼種，總能耗和CO2排放量為常規熱連軋工藝的1/5、1/4[6]，該技術可實現鋼鐵全流程減碳8%左右。連鑄坯免加熱直接軋制工藝是指將連鑄后帶有余熱的鑄坯直接送入軋線進行軋制的技術，工序大大簡化，加熱爐也可以取消，如此便節約了鑄坯的加熱能耗，從而減少煤氣燃燒的碳排放及氣體污染物的產生。該技術理論上也可使CO2排放量降為常規熱連軋工藝的1/4，兼具高效和低碳兩大特點，特別適合于棒線材的生產。近幾年，國內很多企業尤其是民營企業嘗試采用該工藝，并取得了成功[25]。

3.2 行業間協同降碳技術

3.2.1 鋼化聯產

鋼化聯產是指以鋼鐵企業高爐、轉爐和焦爐煤氣為原料，經過一系列的凈化分離工藝，提取出CO、H2和CH4等有價值的原料氣組分，經化工合成工序制成甲醇、乙醇、液化天然氣等高附加值產品的過程[26]。當前國內鋼鐵企業的煤氣已經基本平衡使用，富余煤氣都用于發電，但無論是過程中使用還是發電，煤氣中的CO、CH4都轉變成了CO2排放，如果將煤氣中的組分轉化為化工產品，則會減少碳排放量。但是鋼化聯產需要富H2和CO的氣體及外部熱源，我國達鋼的煤氣制甲醇項目采用的是焦爐煤氣和轉爐煤氣，其體積比為6.5∶1[27]。實質上該項目的固碳能力很有限，僅提高了煤氣利用的品質。數量巨大的高爐煤氣由于含有大量的CO2和N2，無法加以利用。此外，對于沒有煉焦工序的鋼鐵聯合企業，發展鋼化聯產面臨兩方面的制約：一是轉爐煤氣不足，由于沒有焦爐煤氣加熱，鋼廠在滿足自身生產加熱需求后的煤氣富余量不多；二是沒有大量廉價的H2來源，需要通過其他方式制氫，如果采用水煤氣變換方式制氫則會帶來CO2排放問題[28]。鋼化聯產大規模減碳效應的實現有賴于煉鐵工藝的革新和無碳氫氣的大規模、低成本制備[29]。

3.2.2 協同處置城市碳氫固廢

鋼鐵冶煉過程協同處置城市碳氫固廢是鋼鐵廠與城市低碳共融發展的一個重要結合點，可以達到雙贏的效果。代表性的技術是高爐噴吹廢塑料，自1991年開始，該技術在德國、日本經過多年發展已很成熟[30-33]。高爐噴吹廢塑料是指廢塑料經分選、磁選、破碎、脫氯、造粒后從風口區噴入高爐下部，在高溫和還原性氣氛下被氣化成H2和CO等還原性氣體，在上升的過程中將鐵礦石還原。廢塑料對焦炭的置換比為1.1∶1，高于煤粉，且噴吹量最高可達200 kg/tHM。因此，協同處置城市碳氫固廢可以在一定程度上為鋼鐵工業碳達峰碳中和貢獻力量。在我國，高爐噴吹廢塑料工藝實際上還處于理論研究及可行性論證階段，只有寶武開展了相關工業試驗，但過程數據報道較少[34-39]。與國外相比，我國開展鋼鐵冶煉過程協同處置生活碳氫固廢相關的研發和應用具備產業優勢和更迫切的現實需求。

3.3 零碳冶金技術

3.3.1 無碳氫冶金

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，由于具有來源多樣、清潔、靈活高效、應用廣泛等優點，被多國列入國家能源戰略部署[40]。H2可以還原鐵礦石，產物為水，無污染，是碳的理想替代物。氫用于鐵礦石還原已有成熟的技術，如Midrex和HYL氣基豎爐直接還原技術，HYL還原氣中H2體積分數可以達到80%[41]。而我國目前尚沒有建設、運行類似技術的成熟經驗，相關單位需要加強該技術的研發。H2在鋼鐵冶金中應用的關鍵是其來源和成本問題，天然氣、石油、煤是現階段氫的主要來源，會附加碳排放，但是其價格只有電解制氫的一半。無碳氫的本質是無碳電能的一種載體，發展無碳氫冶金的核心在于提高無碳電力在電力能源中的占比和促進電解制氫技術的進步。

3.3.2 全氧冶金

1)爐頂煤氣循環-氧氣鼓風高爐煉鐵

受高爐內部熱化學反應平衡的限制，爐頂煤氣的CO利用率約為50%，煤氣中的化學能約占高爐輸入的碳的全部化學能的35%，將煤氣中的CO2脫除后返回高爐使用是一種高效利用其化學能的途徑，經過多次循環，CO的利用率整體得到提高，從而使高爐自身化石燃料消耗最少。氧氣高爐的提出早期是為了以煤代焦和提高高爐的生產效率[42]，現在則重點關注其降低煉鐵過程碳排放的潛力。氧氣代替熱風可起到降低爐頂煤氣CO2脫除成本、提高煤比、維持理論燃燒溫度等作用。爐頂煤氣脫除CO2后大部分用于煤氣循環，少部分剩余，可用于化工合成，捕集的CO2被封存或資源化利用，從而實現高爐煉鐵過程的凈零碳排放。瑞典LKAB公司[43]9 m3高爐的試驗結果證明該工藝是可行的。該工藝對現有鋼鐵生產流程影響小，燒結、球團、煉焦、高爐等工序仍然保留，且CO2捕集技術也已成熟，但是提高了煉鐵技術的復雜度，要求鋼鐵企業靠近CO2封存地點。

2)粉礦-全氧熔融還原煉鐵

燒結、球團和煉焦是原料預處理工序，礦、煤等物料在上述過程中被反復運輸、加工、加熱和冷卻，這3個工序約占噸鋼能耗的18%，且在提高原料的理化性能之后，能量未得到充分回收和利用，即使回收，回收效率和回收能源的品質也較低，同時造成了大量的NOx、SO2、顆粒物等污染物的排放[44]。粉礦、粉煤直接煉鐵可以節約鐵礦粉造塊和煉焦過程中的能耗，并顯著減少污染物的生成，理論上比高爐煉鐵更有優勢，代表性的技術有Finex、HIsmelt、HIsarna、Flash Ironmaking等[45-48]，Finex已經實現商業化，HIsmelt和HIsarna處于工業開發階段(我國相關企業、設計院參與了HIsmelt的研發)，Flash Ironmaking處于基礎研究階段。這些技術應采用全氧冶煉、降低一次煤耗、加強尾氣中物理能和化學能的回收利用，并與CO2捕集封存技術結合，才有可能與高爐煉鐵競爭，并實現深度降碳。

全氧冶金依靠CO2捕集封存技術并不能完全實現零碳排放，還要在無碳電力、無碳氫能、生物質能等能源形式或負碳技術的輔助下才能實現凈零排放。

4 我國鋼鐵工業低碳發展路徑淺析

1)優先應用行業內通用節能技術

盡管我國鋼鐵工業的節能減排技術在過去幾年取得了顯著進步，但是發展仍不平衡。對于成熟的、行業內通用的節能技術(如干熄焦技術、煤調濕技術、燒結余熱回收技術、高爐爐頂煤氣余壓發電技術、轉爐煤氣干法除塵技術等)，需要進一步提高其在全行業的普及率。對于其他技術，如提高球團/塊礦入爐比例、還原性氣體噴吹、提高電爐鋼(全廢鋼)比例、無頭軋制和薄規格帶鋼工藝，企業要根據自身的資源條件、資金實力和技術水平有選擇性地加快推進。上述技術的實現，預計可以使鋼鐵工業在碳達峰后減碳30%左右。

2)適當應用行業間協同降碳技術

構建低碳產業鏈，實現行業間協同降碳，不僅涉及新技術的研發和不同行業、部門間的合作，還有賴于地方政府基于本地的情況盡早進行規劃。相關企業和科研單位要預先開展相關研究，做好思想和技術儲備。盡管行業間協同降碳技術的實現難度很大，但是減碳效果將會非常明顯，同時還能獲得額外的資源、生態效益。需要注意的是，相比于協同行業，我國鋼鐵行業產能巨大，對于鋼鐵產業集聚區只能選取代表性企業作示范。

3)抓緊研發零碳、負碳技術

鋼鐵工業的產品是鐵碳合金，碳排放無法避免，因此鋼鐵工業碳中和的實現必須依靠零碳冶金技術，乃至負碳技術。氫冶金、全氧冶金技術等需盡快研發，并進行鐵-鋼-軋全流程工程示范驗證。在鋼鐵冶煉流程內部也可開展一定規模的CO2資源化利用研究，如轉爐煉鋼過程噴吹CO2[49]。農林碳匯[50]、生物質能碳捕集與封存[51]、人工光合作用[52]等負碳技術也是研發的重點方向。

鋼鐵工業碳達峰碳中和是一項長期、系統的工作，為了確保2030年前實現全國鋼鐵行業CO2排放達峰，先進鋼鐵企業和大氣污染防治重點區域的鋼鐵企業應力爭提前實現碳達峰，起到引領示范作用。同時，考慮到新技術研發和普及的周期較長，更應提早著手規劃、推進低碳鋼鐵技術的研發、儲備和應用驗證，從而保證鋼鐵工業碳排放在2030年前達峰后能穩步進入持續下降的階段，最終促進行業綠色低碳轉型發展取得實質成效。

5 我國鋼鐵工業低碳技術研發建議

1)頂層設計，統一組織與實施

一方面，統一考慮國家經濟社會發展對鋼材的需求，充分利用國內和國際兩個鋼材供給端，在滿足基本需求的前提下，科學規劃和預測我國鋼材產量的變化趨勢，并科學引領我國鋼鐵材料及相關產業邁向高端化、減量化，保證鋼鐵行業經濟競爭力。另一方面，結合我國廢鋼的產生量和可進口量的變化，以及電力系統脫碳的進度，適時引導電爐短流程煉鋼工藝的發展。在完成上述兩方面工作的基礎上，要制訂鋼鐵行業碳中和分階段控制目標，明確相應階段的重點任務和實施路徑。

2)集中力量，建立國家級工業化試驗平臺

低碳技術的研發投入大、風險高、時間緊、任務重，單個鋼鐵企業難以負擔。即使從全行業來看，鋼鐵行業對全國GDP的貢獻與其CO2排放占比也極度不成比例，而在可以預計的未來，鋼鐵材料將一直是社會經濟運行和發展的必需物質基礎。因此，鋼鐵行業的低碳發展是全社會共同的責任。低碳本身并不直接創造經濟效益，僅靠經濟手段難以實現鋼鐵行業的碳中和，關鍵在于新技術的研發和應用。因此，有必要從國家層面對鋼鐵低碳技術的研發提供資金和政策支持，同時集中全行業力量，承擔共同而有差別的責任，通過建立國家級工業化試驗平臺，持續推進低碳技術的基礎研究和工業化開發。

3)分工序遴選重點技術進行試驗研究

我國鋼鐵工業的實際情況與歐美國家不同，企業地域分布廣、企業間技術水平差距大、原料條件復雜、產品種類多。我國鋼鐵冶煉目前以長流程為主，但未來短流程的比例會顯著提高，最終形成長短互補的格局，這是由社會經濟發展進程決定的，所以鋼鐵低碳技術的開發宜分別從長流程和短流程展開。基于長流程的低碳技術開發，對于我國鋼鐵工業碳達峰和初步降碳具有重要意義；而基于短流程的低碳技術開發，對于我國鋼鐵工業碳中和的實現具有決定意義。對于長、短流程皆可嵌入的單元，如軋鋼工序，應加快啟動其碳中和技術的研發和應用。對于長、短流程各自特有的單元，要分別系統論證，客觀評價，遴選重點技術進行試驗研究。

4)創立新型科研合作模式

國家高度重視碳達峰碳中和工作，因此政府相關部門應在低碳技術研發工作中發揮引領作用，規劃、推動和監督各項工作的持續開展。低碳鋼鐵技術研發應以工程應用為導向，先進的鋼鐵企業、工程公司、設計院等對低碳技術的研發起著重要的支撐作用，特別是要發揮鋼鐵企業的主動性。低碳技術研發必須依靠原創技術的提出，而原創技術來源于長期、大量的基礎研究，因此離不開高校、研究院等單位的積極參與，而且要以國內的研究單位為主。研發工作需要持續的資金、人力和物力投入，拓寬資助渠道、保證資助強度、平衡投入與收益的關系等亦十分重要。可以參考歐盟和日本在ULCOS、COURSE50等冶金工藝研發中采用的組織模式，努力調動更多的積極因素。

6 結論

a.“碳達峰碳中和”已成為我國未來發展的戰略方向，我國鋼鐵工業巨大的產能規模、以煤為主的能源結構、以高爐-轉爐為主的冶煉流程導致其面臨巨大的減碳壓力。雖然各工序能耗總體呈下降趨勢，但變化不大，靠降低工序能耗來減少CO2排放的潛力已經很小。

b.我國鋼鐵工業既要彌補當前發展不平衡的短板，又要抓緊研發相關低碳技術。優先應用和研發行業內通用節能技術，適當應用行業間協同降碳技術，抓緊研發零碳、負碳技術，時間緊，任務重，既需要本行業的努力，還要依靠政府的合理規劃以及其他行業、學科的支撐。

c.要實現鋼鐵工業的碳中和愿景，歸根結底要依靠技術創新。我國鋼鐵工業低碳技術研發要做好頂層設計，統一組織與實施；集中力量，建立國家級工業化試驗平臺；分工序遴選重點技術進行試驗研究；創立新型的科研合作模式。