《工程科学学报》：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 邢奕崔永康田京雷苏伟王伟丽张熙刘义赵秀娟 Exploration of low-carbon technology paths for carbon neutrality in the iron and steel industry XING Yi,CUI Yong-kang.TIAN Jing-lei.SU Wei,WANG Wei-li.ZHANG Xi,LIU Yi.ZHAO Xiu-juan 引用本文： 邢奕，崔永康，田京雷，苏伟，王伟丽，张熙，刘义，赵秀娟.钢铁行业碳中和低碳技术路径探索工程科学学报，优先发表 doi10.13374j.issn2095-9389.2021.08.01.001 XING Yi,CUI Yong-kang.TIAN Jing-lei,SU Wei,WANG Wei-li,ZHANG Xi.LIU Yi,ZHAO Xiu-juan.Exploration of low- carbon technology paths for carbon neutrality in the iron and steel industry[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi: 10.13374-issn2095-9389.2021.08.01.001 在线阅读View online::https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.08.01.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 中国钢铁行业超低排放之路 Research of ultra-low emission technologies of the iron and steel industry in China 工程科学学报.2021,43(1)：1 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.06.18.003 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报.2018.40(7)：767 https:loi.org10.13374.issn2095-9389.2018.07.001 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition 工程科学学报.2021,43(7)：883htps:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.11.05.006 基于多场耦合碳/碳复合材料传热及烧蚀响应 Heat transfer and ablation of carbon/carbon composites based on multi-field coupling 工程科学学报.2020,42(8：1040 https:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.30.002 连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel 工程科学学报.2020,42S:102 https::ioi.org10.13374.issn2095-9389.2020.03.20.s09 两相区位错增殖对低碳贝氏体/铁素体复相钢组织和性能的影响 Effect of dislocation multiplication in intercritical region on microstructure and properties of low-carbon bainite/ferrite multiphase steel 工程科学学报.2019.41(3：325htps/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.03.005

钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 邢奕 崔永康 田京雷 苏伟 王伟丽 张熙 刘义 赵秀娟 Exploration of low-carbon technology paths for carbon neutrality in the iron and steel industry XING Yi, CUI Yong-kang, TIAN Jing-lei, SU Wei, WANG Wei-li, ZHANG Xi, LIU Yi, ZHAO Xiu-juan 引用本文: 邢奕, 崔永康, 田京雷, 苏伟, 王伟丽, 张熙, 刘义, 赵秀娟. 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.01.001 XING Yi, CUI Yong-kang, TIAN Jing-lei, SU Wei, WANG Wei-li, ZHANG Xi, LIU Yi, ZHAO Xiu-juan. Exploration of low￾carbon technology paths for carbon neutrality in the iron and steel industry[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.01.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.01.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 中国钢铁行业超低排放之路 Research of ultra-low emission technologies of the iron and steel industry in China 工程科学学报. 2021, 43(1): 1 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.18.003 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报. 2018, 40(7): 767 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.001 二氧化碳相变致裂技术研究进展与展望 A review on fracturing technique with carbon dioxide phase transition 工程科学学报. 2021, 43(7): 883 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.05.006 基于多场耦合碳/碳复合材料传热及烧蚀响应 Heat transfer and ablation of carbon/carbon composites based on multi-field coupling 工程科学学报. 2020, 42(8): 1040 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.002 连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 102 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s09 两相区位错增殖对低碳贝氏体/铁素体复相钢组织和性能的影响 Effect of dislocation multiplication in intercritical region on microstructure and properties of low-carbon bainite/ferrite multiphase steel 工程科学学报. 2019, 41(3): 325 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.005

工程科学学报.第44卷，第X期：1-11.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-11,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.01.001;http://cje.ustb.edu.cn 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 奕2)，崔永康1,2，田京雷)，苏伟，2四，王伟丽12)，张熙，2)， 刘 义)，赵秀娟 1)北京科技大学能源与环境工程学院，北京1000832)工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室，北京1000833)河钢集团有限公 司，石家庄0500234)河北工业职业技术大学，石家庄050020 ☒通信作者，E-mail:suwei3007@163.com 摘要在总结了国外低碳排放项目和国内各大钢企的碳达峰与碳中和的技术节点和低碳技术手段的基础之上，从碳减排、 碳零排和碳负排三个层次划分梳理当今钢铁行业的众多低碳技术，并对各个低碳技术的碳排放削减量、成熟度和推广时间 进行归纳.在碳减排方面.通过优化工艺和流程再造减少钢铁行业生产过程中的二氧化碳排放，如高炉炉顶煤气循环技术： 在碳零排方面，利用氢气或清洁电能减少或者替代高二氧化碳排放因子煤炭/焦炭的使用.从源头上降低二氧化碳的排放，如 氢治金技术；在碳负排方面，主要从高碳排放强度高炉炼铁工序进行二氧化碳捕集，分别在钢厂内进行自身绿色循环利用和 在厂外进行化工联产制造高附加值化工产品（如甲醇乙醇等），对靠近油田的钢材实施二氧化碳地质封存.在末端上降低二氧 化碳的排放 关键词碳达峰；碳中和；钢铁行业：碳减排；碳零排：碳负排 分类号X511 Exploration of low-carbon technology paths for carbon neutrality in the iron and steel industry XING Yi2),CUl Yong-kang2),TIAN Jing-lep,SU Wei,WANG Wei-2),ZHANGX2),LIU YP,ZHAO Xiu-juan 1)School of Energy and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants,Beijing 100083,China 3)HBIS Group Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050023,China 4)Hebei Vocational University of Industry and Technology,Shijiazhuang 050020,China Corresponding author,E-mail:suwei3007@163.com ABSTRACT China proposes to achieve carbon peaking and carbon neutralization by 2030 and 2060,respectively.As a heavily carbon-based fuel industry,the carbon dioxide emission of the iron and steel industry is lower than that of the power and transportation industries.In 2020,the carbon dioxide emissions of China's steel industry were approximately 1.98 billion tons,accounting for more than 18%of the national carbon dioxide emissions.To achieve the "carbon neutral"emission reduction target of the steel industry,the three parts of the entire process of steel production,i.e.,"source-process-end,"need to be involved in the exploration of low-carbon technologies.This study summarized the low-carbon technology measures of foreign low-carbon dioxide emission projects and major domestic steel companies'carbon peaking and carbon neutralization projects;divided and classified the low-carbon technologies in today's steel industry from three levels,i.e.,carbon dioxide emission reduction,zero carbon dioxide emission,and negative carbon dioxide emission;and summarized the carbon dioxide emission reduction,maturity,and promotion time of each low-carbon technology. 收稿日期：2021-08-01 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51770438)

钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 邢    奕1,2)，崔永康1,2)，田京雷3)，苏    伟1,2) 苣，王伟丽1,2)，张    熙1,2)， 刘    义3)，赵秀娟4) 1) 北京科技大学能源与环境工程学院, 北京 100083    2) 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室, 北京 100083    3) 河钢集团有限公 司, 石家庄 050023    4) 河北工业职业技术大学, 石家庄 050020 苣通信作者， E-mail：suwei3007@163.com 摘    要    在总结了国外低碳排放项目和国内各大钢企的碳达峰与碳中和的技术节点和低碳技术手段的基础之上，从碳减排、 碳零排和碳负排三个层次划分梳理当今钢铁行业的众多低碳技术，并对各个低碳技术的碳排放削减量、成熟度和推广时间 进行归纳. 在碳减排方面，通过优化工艺和流程再造减少钢铁行业生产过程中的二氧化碳排放，如高炉炉顶煤气循环技术； 在碳零排方面，利用氢气或清洁电能减少或者替代高二氧化碳排放因子煤炭/焦炭的使用，从源头上降低二氧化碳的排放，如 氢冶金技术；在碳负排方面，主要从高碳排放强度高炉炼铁工序进行二氧化碳捕集，分别在钢厂内进行自身绿色循环利用和 在厂外进行化工联产制造高附加值化工产品（如甲醇乙醇等），对靠近油田的钢材实施二氧化碳地质封存，在末端上降低二氧 化碳的排放. 关键词    碳达峰；碳中和；钢铁行业；碳减排；碳零排；碳负排 分类号    X511 Exploration of low-carbon technology paths for carbon neutrality in the iron and steel industry XING Yi1,2) ，CUI Yong-kang1,2) ，TIAN Jing-lei3) ，SU Wei1,2) 苣 ，WANG Wei-li1,2) ，ZHANG Xi1,2) ，LIU Yi3) ，ZHAO Xiu-juan4) 1) School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants, Beijing 100083, China 3) HBIS Group Co., Ltd., Shijiazhuang 050023, China 4) Hebei Vocational University of Industry and Technology, Shijiazhuang 050020, China 苣 Corresponding author, E-mail: suwei3007@163.com ABSTRACT    China  proposes  to  achieve  carbon  peaking  and  carbon  neutralization  by  2030  and 2060,  respectively.  As  a  heavily carbon-based fuel industry, the carbon dioxide emission of the iron and steel industry is lower than that of the power and transportation industries. In 2020, the carbon dioxide emissions of China ’s steel industry were approximately 1.98 billion tons, accounting for more than 18% of the national carbon dioxide emissions. To achieve the “carbon neutral” emission reduction target of the steel industry, the three parts of the entire process of steel production, i.e., “source–process–end,” need to be involved in the exploration of low-carbon technologies. This study summarized the low-carbon technology measures of foreign low-carbon dioxide emission projects and major domestic  steel  companies ’  carbon  peaking  and  carbon  neutralization  projects;  divided  and  classified  the  low-carbon  technologies  in today ’s  steel  industry  from  three  levels,  i.e.,  carbon  dioxide  emission  reduction,  zero  carbon  dioxide  emission,  and  negative  carbon dioxide emission; and summarized the carbon dioxide emission reduction, maturity, and promotion time of each low-carbon technology. 收稿日期: 2021−08−01 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51770438） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−11，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−11, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.01.001; http://cje.ustb.edu.cn

2 工程科学学报，第44卷，第X期 In terms of carbon dioxide emission reduction,carbon dioxide emissions in the production process of the steel industry were reduced by optimizing processes and process reengineering,such as blast furnace top gas circulation technology.In terms of zero carbon dioxide emissions,hydrogen or clean electricity was used to reduce or replace coal or coke with high carbon dioxide emission factors to reduce carbon dioxide emissions from the source,such as hydrogen metallurgical technology.In terms of negative carbon dioxide emissions, carbon dioxide capture was mainly conducted in the high carbon dioxide emission intensity blast furnace ironmaking process,green recycling was performed in the steel plant,and chemical coproduction was implemented outside the plant to produce high value-added chemical products,such as methanol and ethanol.Finally,geological storage of carbon dioxide on steel near the oil field was implemented to reduce carbon dioxide emissions. KEY WORDS carbon peak;carbon neutral;steel industry:carbon dioxide emission reduction;zero carbon dioxide emission;negative carbon dioxide emission 2020年，中国粗钢产量达到10.65亿吨川，以 台，从2004年开始启动ULCOS(Ultra-low CO2 567%粗钢占比位居全球第一，同时，我国钢铁行 steelmaking)-1项目致力于钢铁行业二氧化碳减 业年二氧化碳排放量大，占全国碳排放总量18% 排.ULCOS项目组收集了当前世界上近80种钢 以上，为碳排放量最高的非电行业.另外，我国废 铁生产前沿技术，对其应用模型、试验等方法进行 钢利用率不足，短流程电炉炼钢占比仅为10.4%， 了二氧化碳排放、能源消耗、炼钢成本以及可持 而全球电炉钢平均占比为33%，这从根本上造成 续性等方面的评估.目前筛选出了4种具有发展 国内钢铁行业二氧化碳排放强度居高不下.中国 前景的突破性技术进行深入研究：高炉炉顶煤气 生产每吨粗钢排放1859kgCO2,分别高于美国、 循环、直接还原工艺、熔融还原工艺和电解铁矿 韩国和日本生产每吨粗钢所排放的1100kgCO2、 石.项目分为两个阶段：第一阶段(2004一 1300kgC02和1450kgC02l-,钢铁行业急需对 2010年)为理论研究和中试试验阶段，第二阶段 CO2进行大幅度减排.近年来尽管钢铁行业在节 (2010一2015年)为深入开发阶段，为技术方案的 能减排上付出了很大努力，碳排放强度逐年下降， 工业化应用做准备.最终目标是研究出新的低碳 但由于钢铁行业体量大和工艺流程的特殊性，碳 炼钢技术，使吨钢CO2的排放量到2050年比现在 排放总量控制的压力仍然十分巨大.“碳中和”目 最好成绩减少50%，从吨钢排放2tCO2减少到吨 标下，钢铁行业将成为重要试点工业 钢排放1tCO2 从钢铁行业来讲，碳中和是指生产钢铁的整 1.1.2日本COURSE50 个过程中，所排放的二氧化碳和吸收利用的二氧 日本COURSE50(CO2 ultimate reduction in 化碳达到平衡，涉及多种技术手段.其中，碳减 steelmaking process by innovative technology for cool 排、碳零排和碳负排技术因其概述简要，内容丰富 Earth50)项目启动于2008年，主要研究内容是研 而在行业和国家标准中广泛采用.碳减排即以提 发创新性炼铁工艺，降低钢铁行业30%的CO2排 高生钢产率的方式来减少对传统化石燃料的消 放，分别通过使用氢气作为还原剂从源头上减少 耗，从而减少碳排放：碳零排即采用风能、水能、 10%C02排放，利用钢厂废热产能对高炉煤气中 光能、生物质能源等没有二氧化碳排放的一次能 CO2的分离捕集从末端减少20%CO2排放.前者 源.碳负排技术是将已经产生的二氧化碳加以转 开发的主要技术包括：(1)利用氢还原铁矿石的技 化利用，实现碳的资源化利用.本文将涵盖钢铁行 术，(2)增加氢含量的焦炉煤气改质技术，以及 业重点碳排放工序，从碳减排、碳零排和碳负排三 (3)高强度高反应性焦炭的生产技术；后者主要包 类技术出发，聚焦燃料替代、工业流程再造和碳捕 括：(1)高炉煤气中C02分离回收技术，(2)余热回 集利用等低碳手段，探索钢铁行业低碳排放技术 收利用技术.COURSE50研发分两个阶段：第一阶 路径 段为2008一2012年，从理论上验证该研究技术的 可行性；第二阶段为2013一2017年，在君津厂建 1钢铁行业碳中和技术与节点 设了日产量为35t左右的试验高炉，用该高炉进 1.1国外钢铁行业碳中和技术与节点 行工业试验及研究.该项目计划在2022年使用实 1.1.1欧洲ULCOS 际高炉进行测试，从而有效验证基础技术，实现预 欧盟钢铁业于2003年建立了欧洲钢铁技术平 定目标.在2025年前通过二期高炉实际试验确

In terms of carbon dioxide emission reduction, carbon dioxide emissions in the production process of the steel industry were reduced by optimizing processes and process reengineering, such as blast furnace top gas circulation technology. In terms of zero carbon dioxide emissions, hydrogen or clean electricity was used to reduce or replace coal or coke with high carbon dioxide emission factors to reduce carbon dioxide emissions from the source, such as hydrogen metallurgical technology. In terms of negative carbon dioxide emissions, carbon  dioxide  capture  was  mainly  conducted  in  the  high  carbon  dioxide  emission  intensity  blast  furnace  ironmaking  process,  green recycling was performed in the steel plant, and chemical coproduction was implemented outside the plant to produce high value-added chemical  products,  such  as  methanol  and  ethanol.  Finally,  geological  storage  of  carbon  dioxide  on  steel  near  the  oil  field  was implemented to reduce carbon dioxide emissions. KEY WORDS    carbon peak；carbon neutral；steel industry；carbon dioxide emission reduction；zero carbon dioxide emission；negative carbon dioxide emission 2020 年，中国粗钢产量达到 10.65 亿吨[1] ，以 56.7% 粗钢占比位居全球第一. 同时，我国钢铁行 业年二氧化碳排放量大，占全国碳排放总量 18% 以上，为碳排放量最高的非电行业. 另外，我国废 钢利用率不足，短流程电炉炼钢占比仅为 10.4%， 而全球电炉钢平均占比为 33%，这从根本上造成 国内钢铁行业二氧化碳排放强度居高不下. 中国 生产每吨粗钢排放 1859 kg CO2，分别高于美国、 韩国和日本生产每吨粗钢所排放的 1100 kg CO2、 1300 kg CO2 和 1450 kg CO2 [1−2] ，钢铁行业急需对 CO2 进行大幅度减排. 近年来尽管钢铁行业在节 能减排上付出了很大努力，碳排放强度逐年下降， 但由于钢铁行业体量大和工艺流程的特殊性，碳 排放总量控制的压力仍然十分巨大. “碳中和”目 标下，钢铁行业将成为重要试点工业. 从钢铁行业来讲，碳中和是指生产钢铁的整 个过程中，所排放的二氧化碳和吸收利用的二氧 化碳达到平衡，涉及多种技术手段. 其中，碳减 排、碳零排和碳负排技术因其概述简要，内容丰富 而在行业和国家标准中广泛采用. 碳减排即以提 高生钢产率的方式来减少对传统化石燃料的消 耗，从而减少碳排放；碳零排即采用风能、水能、 光能、生物质能源等没有二氧化碳排放的一次能 源. 碳负排技术是将已经产生的二氧化碳加以转 化利用，实现碳的资源化利用. 本文将涵盖钢铁行 业重点碳排放工序，从碳减排、碳零排和碳负排三 类技术出发，聚焦燃料替代、工业流程再造和碳捕 集利用等低碳手段，探索钢铁行业低碳排放技术 路径. 1    钢铁行业碳中和技术与节点 1.1    国外钢铁行业碳中和技术与节点 1.1.1    欧洲 ULCOS 欧盟钢铁业于 2003 年建立了欧洲钢铁技术平 台 ， 从 2004 年 开 始 启 动 ULCOS  (Ultra-low  CO2 steelmaking)[3−5] 项目致力于钢铁行业二氧化碳减 排. ULCOS 项目组收集了当前世界上近 80 种钢 铁生产前沿技术，对其应用模型、试验等方法进行 了二氧化碳排放、能源消耗、炼钢成本以及可持 续性等方面的评估. 目前筛选出了 4 种具有发展 前景的突破性技术进行深入研究：高炉炉顶煤气 循环、直接还原工艺、熔融还原工艺和电解铁矿 石 . 项 目 分 为 两 个 阶 段 ： 第 一 阶 段 （ 2004 — 2010 年）为理论研究和中试试验阶段，第二阶段 （2010—2015 年）为深入开发阶段，为技术方案的 工业化应用做准备. 最终目标是研究出新的低碳 炼钢技术，使吨钢 CO2 的排放量到 2050 年比现在 最好成绩减少 50%，从吨钢排放 2 t CO2 减少到吨 钢排放 1 t CO2 . 1.1.2    日本 COURSE50 日 本 COURSE50  (CO2 ultimate  reduction  in steelmaking process by innovative technology for cool Earth 50) 项目启动于 2008 年，主要研究内容是研 发创新性炼铁工艺，降低钢铁行业 30％的 CO2 排 放，分别通过使用氢气作为还原剂从源头上减少 10% CO2 排放，利用钢厂废热产能对高炉煤气中 CO2 的分离捕集从末端减少 20% CO2 排放. 前者 开发的主要技术包括：（1）利用氢还原铁矿石的技 术，（ 2）增加氢含量的焦炉煤气改质技术，以及 （3）高强度高反应性焦炭的生产技术；后者主要包 括：（1）高炉煤气中 CO2 分离回收技术，（2）余热回 收利用技术. COURSE50 研发分两个阶段：第一阶 段为 2008—2012 年，从理论上验证该研究技术的 可行性；第二阶段为 2013—2017 年，在君津厂建 设了日产量为 35 t 左右的试验高炉，用该高炉进 行工业试验及研究. 该项目计划在 2022 年使用实 际高炉进行测试，从而有效验证基础技术，实现预 定目标. 在 2025 年前通过二期高炉实际试验确 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期

邢奕等：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 3 立实用技术，2030年实现实用化目标，2050年实 力，2035年力争减碳30%，2050年力争实现碳中 现以氢直接还原铁矿石的高炉减排CO2技术的 和.并通过优化能源结构，减少化石能源用量，提 研发. 高新能源比例实现低碳排放.主要低碳排放措施 1.1.3韩国POSCO 为：(1)创立全球低碳冶金创新联盟：(2)建设面向 POSCO(Pohang iron and steel company)是韩国 全球的低碳冶金创新试验基地；(3)以信息化数字 低碳排放的主要项目，将低碳排放的目标分为短 化实现能源高效利用：(4)优化能源结构提高清洁 期、中期和长期目标.短期目标是到2030年CO2 能源比例等 减排20%；中期目标是到2040年C02减排50%； 1.2.2河钢集团有限公司 长期目标是到2050年实现碳中和.基准是2017一 河钢集团于2021年3月12日发布低碳绿色 2019年浦项钢铁C02排放量的平均值(7880万 发展行动计划，明确了碳达峰、碳中和规划目标： 吨).钢铁行业低碳技术主要分为四类：(1)制氢技 2021年发布低碳冶金路线图，2022年实现碳达峰， 术，利用钢铁生产过程中产生的副产物如焦炉煤 2025年实现碳排放量较峰值降10%以上，2030年 气和废弃碳源制取氢气：(2)烧结矿显热回收和余 实现碳排放量较峰值降30%以上，2050年实现碳 热回收，对工厂产生的350℃废气进行压缩并将 中和.碳减排路径主要包括：(1)优化能源结构、 余热储存起来在生产过程中进行再利用；(3)胺溶 产业布局和流程结构：(2)健全钢铁生产全生命周 液吸收捕获二氧化碳，利用氨水吸收及分离高炉 期评价；(3)加强超低排放管控和固废减量及循 煤气中的CO2;(4)低碳炼铁FINEX技术，FINEX 环利用；(4)建设全球氢能还原与利用技术研发 使用资源丰富且廉价的“细粉”（细磨矿石）以及非 中心. 焦煤，生产出可用于治金等行业的优质气体 1.2.3包头钢铁（集团）有限责任公司 (H2和CO),短期目标为使用富氢气体进行还原 包钢集团于2021年5月14日披露了其“双碳 铁，长期目标为在2050年研发功能更为齐全的氢 目标”：力争2023年实现碳达峰，2030年具备减碳 基炼铁技术，配合二氧化碳捕集和封存(CO2 30%的工艺技术能力，力争2042年碳排放量较峰 capture and storage,CCS)技术预计可减少45% 值降低50%，力争2050年实现碳中和 CO,排放. 1.2.4鞍钢集团有限公司 1.1.4美国AISI 鞍钢集团在2021年5月28日宣布2021年底 美国钢铁协会(AISL,American iron and steel 发布低碳冶金路线图，2025年前实现碳排放总量 institute)认为美国三分之一的CO,排放来自发电 达峰，2030年实现前沿低碳冶金技术产业化突破， 行业，而钢铁行业仅占1%.因此，美国目前所有的 深度降碳工艺大规模推广应用，力争2035年碳排 低碳排放政策大多是针对发电行业量身定制的， 放总量较峰值降低30%，持续发展低碳冶金技 目前针对钢铁行业低碳排放的技术主要包括熔融 术，成为中国钢铁行业首批实现碳中和的大型钢 氧化物电解和氢气闪融.前者是麻省理工学院开 铁企业 发的一项新技术，电流通过液态氧化铁时，氧化铁 1.2.5其它 分解成热金属和氧气，目前已完成实验室规模研 除上述国企之外，一些民营企业也陆续提出 究；后者主要是通过使用悬浮状态的热还原气体 低碳排放计划和举措.德龙集团和新天钢集团提 将铁精粉还原，经实验室研究证明该工艺与高炉 出了“低碳发展，高效节能，打造钢铁行业低碳冶 炼铁相比可降低能耗38%.美国其他C02低碳技 炼标杆”目标，2021年发布低碳冶金路线图， 术如风电、太阳能发电和核电等主要服务于电力 2022年起吨钢碳排放量力争逐年降低，早于行业 行业，在此背景下，通过使用低成本发电技术生产 一年完成碳达峰.建龙集团运用富氢熔融还原新 氢气，钢铁行业二氧化碳排放将会进一步大幅度 工艺，推动传统“碳治金”向新型“氢冶金”转变， 下降 可年产30万t高纯铸造生铁 12国内钢铁行业碳中和技术与节点 2钢铁行业碳中和技术路径 1.2.1中国宝武钢铁集团有限公司 宝武集团率先在2021年1月20日宣告低碳 本文以碳减排、碳零排和碳负排为框架，对当 排放目标，2021年发布低碳冶金路线图，2023年力 前众多钢铁低碳技术进行了分类梳理，具体技术 争实现碳达峰，2025年具备减碳30%工艺技术能 路线如图1所示

立实用技术，2030 年实现实用化目标，2050 年实 现以氢直接还原铁矿石的高炉减排 CO2 技术的 研发. 1.1.3    韩国 POSCO POSCO（Pohang iron and steel company）是韩国 低碳排放的主要项目，将低碳排放的目标分为短 期、中期和长期目标. 短期目标是到 2030 年 CO2 减排 20%；中期目标是到 2040 年 CO2 减排 50%； 长期目标是到 2050 年实现碳中和，基准是 2017— 2019 年浦项钢铁 CO2 排放量的平均值（ 7880 万 吨）. 钢铁行业低碳技术主要分为四类：（1）制氢技 术，利用钢铁生产过程中产生的副产物如焦炉煤 气和废弃碳源制取氢气；（2）烧结矿显热回收和余 热回收，对工厂产生的 350 °C 废气进行压缩并将 余热储存起来在生产过程中进行再利用；（3）胺溶 液吸收捕获二氧化碳，利用氨水吸收及分离高炉 煤气中的 CO2； （4）低碳炼铁 FINEX 技术，FINEX 使用资源丰富且廉价的“细粉”（细磨矿石）以及非 焦煤 ，生产出可用于冶金等行业的优质气体 （H2 和 CO），短期目标为使用富氢气体进行还原 铁，长期目标为在 2050 年研发功能更为齐全的氢 基炼铁技术 ，配合二氧化碳捕集和封存 （ CO2 capture  and  storage， CCS） 技 术 预 计 可 减 少 45% CO2 排放. 1.1.4    美国 AISI 美国钢铁协会 （ AISI,  American  iron  and  steel institute）认为美国三分之一的 CO2 排放来自发电 行业，而钢铁行业仅占 1%. 因此，美国目前所有的 低碳排放政策大多是针对发电行业量身定制的， 目前针对钢铁行业低碳排放的技术主要包括熔融 氧化物电解和氢气闪融. 前者是麻省理工学院开 发的一项新技术，电流通过液态氧化铁时，氧化铁 分解成热金属和氧气，目前已完成实验室规模研 究；后者主要是通过使用悬浮状态的热还原气体 将铁精粉还原，经实验室研究证明该工艺与高炉 炼铁相比可降低能耗 38%. 美国其他 CO2 低碳技 术如风电、太阳能发电和核电等主要服务于电力 行业，在此背景下，通过使用低成本发电技术生产 氢气，钢铁行业二氧化碳排放将会进一步大幅度 下降. 1.2    国内钢铁行业碳中和技术与节点 1.2.1    中国宝武钢铁集团有限公司 宝武集团率先在 2021 年 1 月 20 日宣告低碳 排放目标，2021 年发布低碳冶金路线图，2023 年力 争实现碳达峰，2025 年具备减碳 30% 工艺技术能 力 ，2035 年力争减碳 30%，2050 年力争实现碳中 和. 并通过优化能源结构，减少化石能源用量，提 高新能源比例实现低碳排放. 主要低碳排放措施 为：（1）创立全球低碳冶金创新联盟；（2）建设面向 全球的低碳冶金创新试验基地；（3）以信息化数字 化实现能源高效利用；（4）优化能源结构提高清洁 能源比例等. 1.2.2    河钢集团有限公司 河钢集团于 2021 年 3 月 12 日发布低碳绿色 发展行动计划，明确了碳达峰、碳中和规划目标： 2021 年发布低碳冶金路线图，2022 年实现碳达峰， 2025 年实现碳排放量较峰值降 10% 以上，2030 年 实现碳排放量较峰值降 30％以上，2050 年实现碳 中和. 碳减排路径主要包括：（1）优化能源结构、 产业布局和流程结构；（2）健全钢铁生产全生命周 期评价；（3）加强超低排放管控和固废减量及循 环利用；（4）建设全球氢能还原与利用技术研发 中心. 1.2.3    包头钢铁 (集团) 有限责任公司 包钢集团于 2021 年 5 月 14 日披露了其“双碳 目标”：力争 2023 年实现碳达峰，2030 年具备减碳 30% 的工艺技术能力，力争 2042 年碳排放量较峰 值降低 50%，力争 2050 年实现碳中和. 1.2.4    鞍钢集团有限公司 鞍钢集团在 2021 年 5 月 28 日宣布 2021 年底 发布低碳冶金路线图，2025 年前实现碳排放总量 达峰，2030 年实现前沿低碳冶金技术产业化突破， 深度降碳工艺大规模推广应用，力争 2035 年碳排 放总量较峰值降低 30%，持续发展低碳冶金技 术，成为中国钢铁行业首批实现碳中和的大型钢 铁企业. 1.2.5    其它 除上述国企之外，一些民营企业也陆续提出 低碳排放计划和举措. 德龙集团和新天钢集团提 出了“低碳发展，高效节能，打造钢铁行业低碳冶 炼 标 杆 ” 目 标 ， 2021 年 发 布 低 碳 冶 金 路 线 图 ， 2022 年起吨钢碳排放量力争逐年降低，早于行业 一年完成碳达峰. 建龙集团运用富氢熔融还原新 工艺，推动传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变， 可年产 30 万 t 高纯铸造生铁. 2    钢铁行业碳中和技术路径 本文以碳减排、碳零排和碳负排为框架，对当 前众多钢铁低碳技术进行了分类梳理，具体技术 路线如图 1 所示. 邢    奕等： 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 · 3 ·

工程科学学报，第44卷，第X期 Direct Scrap steel reduce Blast furnace top gas circulation ron Crude emissions Iron Process Electric furnace short process technology Direet reduction ironmaking ore/pellets steel Shaft furnace Electric stove Carbon Raw material substitution zero Sintering technology ron nide Carbon Capture and utilization Carbon capture technology Blast furnace converter negative End Coke ove technology Carbon cycle technology Cross-industry co-production technology 图1钢铁碳中和技术路径分析 Fig.1 Path analysis of steel carbon neutralization technology 2.1碳减排 Coke and ore Blast furnace gas 2.1.1氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环技术 我国粗钢生产流程结构以高炉一转炉长流程 为主，2019年长流程粗钢占比为89.8%.高炉作为 Separation 炼铁主要工序，其碳排放占高炉-转炉长流程碳排 放的67%6-刀.因此，若要实现钢铁行业碳中和的 目标，高炉是实现低碳排放的重要主体 我国高炉的热效率已达到95%以上，从降低 Coal- Powder 热消耗来降低间接碳减排的可能性已很小，但此 Oxygen 时副产物煤气仍具有较高的热值，氧气鼓吹高炉 Oxygen blast furnace 炉顶煤气循环工艺可实现煤气的回收和低碳排放 图2氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环工艺 Fig.2 Oxygen blowing blast furnace top gas circulation process 的双重功能.该工艺的主要技术原理为空气被通 入的大量氧气所替代，炉内的主要煤气成分由之 和物料配比进行低碳实验.已实现第一阶段鼓风 前的N2、CO2和C0变为CO2和CO,采用变压吸 氧含量超过35%，高炉喷煤比超过200kgt,产能 附工艺对高炉煤气进行分离.工艺流程图如图2 提升40%.下一阶段将提高鼓风氧气体积分数至 所示.回收得到的高纯度CO可作为还原剂代替 50%,引入二氧化碳捕集技术实现煤气循环 焦炭，增加喷煤比，减少焦炭比，生产每吨粗钢排 2.1.2电炉短流程技术 放的二氧化碳的质量分数约降低30%.同时，对氧 电炉短流程炼钢工艺的原材料主要是废钢和 气高炉排放的二氧化碳进行捕集利用可进一步减 少量铁水，使用清洁能源电能为主要能源冶炼钢 少碳排放的质量分数约20%~30%.该工艺也存在 材.废钢经简单加工破碎或剪切、打包后装入电 以下问题：氧气与焦炭的反应过程为吸热反应，高 弧炉中，利用石墨电极与废钢之间产生电弧所发 浓度的冷态氧气与之前的热风空气相比需要消耗 生的热量来熔炼废钢，并配以精炼炉完成脱气、调 更多的燃料产生热量，随着燃料喷吹量和供氧量 成份、调温度和去夹杂等功能，得到合格钢水.由 的增加，鼓风带入的热量减少使得炉料和炉身供 于短流程炼钢省去了采矿、选矿、烧结球团和焦 热不足，大幅度降低了烧结可矿的还原脱碳过程. 化工艺流程，碳排放量大大减小，生产每吨粗钢约 瑞典LKAB公司在9m3试验高炉上进行喷吹 排放0.6tCO2因此，以短流程炼钢替代长流程 循环煤气的试验研究.试验高炉采用炉缸和炉身 实现炼钢生产结构调整，能够显著降低总体排放. 下部两排风口，炉缸风口循环煤气量为550m3t1 中国电炉短流程生产粗钢比例为10%左右， (1250℃)、炉身下部风口循环煤气量约为550m3t 远低于世界28.8%的平均水平例制约我国短流程 (1000℃)条件下，保持喷煤比为170kgt不变，焦 发展缓慢的原因主要有成本和技术两点：(1)短流 比由400~405kgt降至260~265kgt. 程炼钢成本高于长流程高炉炼钢.长流程炼钢成 新疆八一钢铁在430m3氧气高炉进行我国首 本约4200￥t,短流程炼钢成本约4900￥t10,其 个氧气鼓吹高炉工艺研究，按照不同氧浓度配比 成本的67%来自于废钢，而国际市场废钢价格高

Iron ore/pellets Iron ore Direct reduce iron Shaft furnace Sintering Pellets Coke oven Blast furnace converter Electric stove Scrap steel Crude steel Crude steel Carbon emissions technology Process Blast furnace top gas circulation Electric furnace short process Direct reduction ironmaking Carbon capture technology Carbon cycle technology Cross-industry co-production technology Hydrogen metallurgical technology Electrolytic reduction technology Source End Process reengineering Raw material substitution Carbon Capture and utilization negative technology Carbon zero technology 图 1    钢铁碳中和技术路径分析 Fig.1    Path analysis of steel carbon neutralization technology 2.1    碳减排 2.1.1    氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环技术 我国粗钢生产流程结构以高炉−转炉长流程 为主，2019 年长流程粗钢占比为 89.8%. 高炉作为 炼铁主要工序，其碳排放占高炉−转炉长流程碳排 放的 67% [6−7] . 因此，若要实现钢铁行业碳中和的 目标，高炉是实现低碳排放的重要主体. 我国高炉的热效率已达到 95% 以上，从降低 热消耗来降低间接碳减排的可能性已很小，但此 时副产物煤气仍具有较高的热值，氧气鼓吹高炉 炉顶煤气循环工艺可实现煤气的回收和低碳排放 的双重功能. 该工艺的主要技术原理为空气被通 入的大量氧气所替代，炉内的主要煤气成分由之 前的 N2、CO2 和 CO 变为 CO2 和 CO，采用变压吸 附工艺对高炉煤气进行分离. 工艺流程图如图 2 所示. 回收得到的高纯度 CO 可作为还原剂代替 焦炭，增加喷煤比，减少焦炭比，生产每吨粗钢排 放的二氧化碳的质量分数约降低 30%. 同时，对氧 气高炉排放的二氧化碳进行捕集利用可进一步减 少碳排放的质量分数约 20%～30%. 该工艺也存在 以下问题：氧气与焦炭的反应过程为吸热反应，高 浓度的冷态氧气与之前的热风空气相比需要消耗 更多的燃料产生热量，随着燃料喷吹量和供氧量 的增加，鼓风带入的热量减少使得炉料和炉身供 热不足，大幅度降低了烧结矿的还原脱碳过程. 瑞典 LKAB 公司在 9 m3 试验高炉上进行喷吹 循环煤气的试验研究. 试验高炉采用炉缸和炉身 下部两排风口，炉缸风口循环煤气量为 550 m3 ·t−1 (1250 ℃)、炉身下部风口循环煤气量约为 550 m3 ·t−1 (1000 ℃) 条件下，保持喷煤比为 170 kg·t−1 不变，焦 比由 400～405 kg·t−1 降至 260～265 kg·t−1 . 新疆八一钢铁在 430 m3 氧气高炉进行我国首 个氧气鼓吹高炉工艺研究，按照不同氧浓度配比 和物料配比进行低碳实验. 已实现第一阶段鼓风 氧含量超过 35%，高炉喷煤比超过 200 kg·t−1，产能 提升 40%. 下一阶段将提高鼓风氧气体积分数至 50%，引入二氧化碳捕集技术实现煤气循环. 2.1.2    电炉短流程技术 电炉短流程炼钢工艺的原材料主要是废钢和 少量铁水，使用清洁能源电能为主要能源冶炼钢 材. 废钢经简单加工破碎或剪切、打包后装入电 弧炉中，利用石墨电极与废钢之间产生电弧所发 生的热量来熔炼废钢，并配以精炼炉完成脱气、调 成份、调温度和去夹杂等功能，得到合格钢水. 由 于短流程炼钢省去了采矿、选矿、烧结/球团和焦 化工艺流程，碳排放量大大减小，生产每吨粗钢约 排放 0.6 tCO2 [8] . 因此，以短流程炼钢替代长流程 实现炼钢生产结构调整，能够显著降低总体排放. 中国电炉短流程生产粗钢比例为 10% 左右， 远低于世界 28.8% 的平均水平[9] . 制约我国短流程 发展缓慢的原因主要有成本和技术两点：（1）短流 程炼钢成本高于长流程高炉炼钢. 长流程炼钢成 本约 4200 ¥·t−1，短流程炼钢成本约 4900 ¥·t−1[10] ，其 成本的 67% 来自于废钢，而国际市场废钢价格高 Coke and ore Separation Oxygen CO CO2 Coal Powder Oxygen blast furnace Blast furnace gas 图 2    氧气鼓吹高炉炉顶煤气循环工艺 Fig.2    Oxygen blowing blast furnace top gas circulation process · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期

邢奕等：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 5 且限制优质废钢出口，这是制约我国短流程炼钢 2.1.3直接还原技术 发展的主要原因.另外，国内短流程电耗高和工业 直接还原是指以气体、液体或者非焦煤为能 电价高，我国全废钢冶炼吨钢电耗和工业电价分 源与还原剂，在低于铁矿石和氧化球团矿软化温 别为400kw-ht和0.64￥(kwh),而国外发达国 度下进行还原得到固态金属铁的炼铁工艺，其产 家这一数值约为280kWh和0.45￥(kW-h),国 品称为直接还原铁，可作为电炉炼钢的优质原料 内短流程相对国外吨钢成本要高130￥.(2)国 (简称DRI))主要工艺原理如图4所示，铁矿石 内废钢稳定性差和短流程炼钢技术存在技术难 经过球团工序或者氧化熔融处理得到氧化球团， 题.分拣技术不过关导致无法控制废钢成分，回收 随后依次进入气基还原竖炉、电炉融化和精炼连 原则为按照废钢的质量和轻薄简单划分.2020年 续铸轧分别转化为直接还原铁、钢水和成品钢材， 我国废钢资源总量达到2.1亿t,钢铁行业消耗主 其中在电炉和精炼连铸连轧工序伴随有废钢产 要为电炉原料、高炉增产和转炉热平衡.而短流 生.直接还原铁技术优势在于采用其它还原剂代 程炼钢由于技术原因无法控制钢材中Cu、Zn、 替焦煤，完全省去焦化工艺，掺杂部分高品位铁精 Pb、P、N和H等杂质元素，加上国内废钢质量参 矿和球团矿减少球团工艺占比，碳排放量为相同 差不齐，造成国内短流程炼钢只能应用于型材、棒 产量高炉炼铁工艺的80%~85%直接还原铁工 线材和少量不锈钢等低端产品，限制电炉短流程 艺有以下优点：(1)扩大了对能源的利用范围.直 在我国大规模应用 接还原炼铁可以完全不用焦炭，因此可用各种非 电炉按照加料方式可分为竖炉和横炉，未来 煤焦、燃料油、气体燃料、电能等代替日益缺乏的 主要发展方向为废钢预热和连续加料.目前，竖炉 冶金焦.(2)扩大了原料的适应性.直接还原铁有 主要包括Quantum电炉、ECOARC电炉和Sharc 的可处理品位很低的贫矿，有的使用品位极高的 电炉-l2 Quantum电炉通过废钢料槽升降小车代 铁精矿，可直接用矿粉作原料.(3)改善产品的质 替天车料篮加料，预热温度在600℃以上，世界投 量.直接还原铁有害杂质少，可作为电炉废钢冶炼 产和在建的Quantum电炉约有11座，其中土耳 良好的稀释原料，生产高产品质量的特种钢、洁净 其、孟加拉和墨西哥各1座，中国8座；ECOARC 钢和优质钢.目前电炉炼钢一般参杂30%~50% 电炉预热温度在800℃以上，可将预热过程产生 的直接还原铁原料) 的二愿英全部处理掉，世界投产和在建的ECOARC 直接还原技术按照所用还原剂的不同可分为 电炉约有9座，其中日本5座、中国2座、韩国和 气基（天然气）和煤基两种工艺.前者的炉型包括 泰国各1座：Sharc电炉为直流供电电炉，采用双竖 竖炉、流化床和反应罐流程，后者的炉型包括回转 炉式生产，我国河钢石钢引进130t电炉2座，土耳 窑和竖炉流程.气基直接还原技术的主导工艺有： 其运行1座l00t电炉.Consteel电炉为连续水平 Midrex法和HYL/Energiron法等，煤基直接还原工 加料式电炉实现了布料、废钢预热、连续加料和 艺主要有Fastmelt工艺、ITmk3工艺和Iron Dynamics 平熔池冶集成在一个设备中完成（图3），在我国应 工艺.2019年全球直接还原铁年度产量为1.081 用最为广泛.自2017年以来企业新上的电炉设备 亿吨，全球直接还原炼铁技术以气基为主，气基还 85%以上为连续水平加料，其最大优点为冶炼过 原产量占总产量的75.8%.从生产技术上来看，Midrex 程中可不开炉盖连续加入废钢，能量不间断输入 工艺的直接还原铁产量占总产量的60.9%，回转 避免了巨大的能量损失，吨钢电耗可降低30 窑工艺直接还原铁产量占总产量的24% l00kWh.但Consteel电炉水平烟道尾气预热温度 中国直接还原铁的市场需求量巨大，2020年 较低，约为400℃，此温度为产生二嗯英的高峰区 需求量在1500万吨以上.中国大部分铁矿石来自 间，需要考虑二愿英治理问题 进口，2020年上半年直接还原铁进口量约为 Scrap preheating Flat bath smelting 130万吨.国内直接还原炼铁技术仍处在起步阶 Batching Continuous feeding 段，主要受还原气体天然气少分布不均制约，但我 国煤炭资源较为丰富，可利用该优势发展煤基直 接还原技术和煤制气-竖炉直接还原技术.对于煤 基直接还原技术，我国曾建煤基回转窑直接还原 图3 Consteel电弧炉 铁生产线7条，年产能约65万吨.随世界铁矿石 Fig.3 Consteel electric arc furnace 价格上升依靠进口球团生产DRI出现亏损，同时

且限制优质废钢出口，这是制约我国短流程炼钢 发展的主要原因. 另外，国内短流程电耗高和工业 电价高，我国全废钢冶炼吨钢电耗和工业电价分 别为 400 kW·h/t 和 0.64 ¥·(kW·h)−1，而国外发达国 家这一数值约为 280 kW·h·t−1 和 0.45 ¥·(kW·h)−1，国 内短流程相对国外吨钢成本要高 130 ¥·t−1 . （2）国 内废钢稳定性差和短流程炼钢技术存在技术难 题. 分拣技术不过关导致无法控制废钢成分，回收 原则为按照废钢的质量和轻薄简单划分. 2020 年 我国废钢资源总量达到 2.1 亿 t，钢铁行业消耗主 要为电炉原料、高炉增产和转炉热平衡. 而短流 程炼钢由于技术原因无法控制钢材 中 Cu、 Zn、 Pb、P、N 和 H 等杂质元素，加上国内废钢质量参 差不齐，造成国内短流程炼钢只能应用于型材、棒 线材和少量不锈钢等低端产品，限制电炉短流程 在我国大规模应用. 电炉按照加料方式可分为竖炉和横炉，未来 主要发展方向为废钢预热和连续加料. 目前，竖炉 主要包 括 Quantum 电炉 、 ECOARC 电 炉 和 Sharc 电炉[11−12] . Quantum 电炉通过废钢料槽升降小车代 替天车料篮加料，预热温度在 600 ℃ 以上，世界投 产和在建的 Quantum 电炉约有 11 座 ，其中土耳 其、孟加拉和墨西哥各 1 座，中国 8 座 ；ECOARC 电炉预热温度在 800 ℃ 以上，可将预热过程产生 的二噁英全部处理掉，世界投产和在建的 ECOARC 电炉约有 9 座，其中日本 5 座、中国 2 座、韩国和 泰国各 1 座；Sharc 电炉为直流供电电炉，采用双竖 炉式生产，我国河钢石钢引进 130 t 电炉 2 座，土耳 其运行 1 座 100 t 电炉. Consteel 电炉为连续水平 加料式电炉实现了布料、废钢预热、连续加料和 平熔池冶集成在一个设备中完成（图 3），在我国应 用最为广泛. 自 2017 年以来企业新上的电炉设备 85% 以上为连续水平加料，其最大优点为冶炼过 程中可不开炉盖连续加入废钢，能量不间断输入 避免了巨大的能量损失 ，吨钢电耗可降低 30～ 100 kW·h. 但 Consteel 电炉水平烟道尾气预热温度 较低，约为 400 ℃，此温度为产生二噁英的高峰区 间，需要考虑二噁英治理问题. Batching Scrap preheating Continuous feeding Flat bath smelting 图 3    Consteel 电弧炉 Fig.3    Consteel electric arc furnace 2.1.3    直接还原技术 直接还原是指以气体、液体或者非焦煤为能 源与还原剂，在低于铁矿石和氧化球团矿软化温 度下进行还原得到固态金属铁的炼铁工艺，其产 品称为直接还原铁，可作为电炉炼钢的优质原料 （简称 DRI） [13] . 主要工艺原理如图 4 所示，铁矿石 经过球团工序或者氧化熔融处理得到氧化球团， 随后依次进入气基还原竖炉、电炉融化和精炼连 续铸轧分别转化为直接还原铁、钢水和成品钢材， 其中在电炉和精炼连铸连轧工序伴随有废钢产 生. 直接还原铁技术优势在于采用其它还原剂代 替焦煤，完全省去焦化工艺，掺杂部分高品位铁精 矿和球团矿减少球团工艺占比，碳排放量为相同 产量高炉炼铁工艺的 80%～85% [14] . 直接还原铁工 艺有以下优点：（1）扩大了对能源的利用范围. 直 接还原炼铁可以完全不用焦炭，因此可用各种非 煤焦、燃料油、气体燃料、电能等代替日益缺乏的 冶金焦. （2）扩大了原料的适应性. 直接还原铁有 的可处理品位很低的贫矿，有的使用品位极高的 铁精矿，可直接用矿粉作原料. （3）改善产品的质 量. 直接还原铁有害杂质少，可作为电炉废钢冶炼 良好的稀释原料，生产高产品质量的特种钢、洁净 钢和优质钢. 目前电炉炼钢一般掺杂 30%～50% 的直接还原铁原料[15] . 直接还原技术按照所用还原剂的不同可分为 气基 (天然气) 和煤基两种工艺. 前者的炉型包括 竖炉、流化床和反应罐流程，后者的炉型包括回转 窑和竖炉流程. 气基直接还原技术的主导工艺有： Midrex 法和 HYL/Energiron 法等，煤基直接还原工 艺主要有 Fastmelt 工艺、ITmk3 工艺和 Iron Dynamics 工艺. 2019 年全球直接还原铁年度产量为 1.081 亿吨，全球直接还原炼铁技术以气基为主，气基还 原产量占总产量的75.8%. 从生产技术上来看，Midrex 工艺的直接还原铁产量占总产量的 60.9% [16] ，回转 窑工艺直接还原铁产量占总产量的 24%. 中国直接还原铁的市场需求量巨大，2020 年 需求量在 1500 万吨以上. 中国大部分铁矿石来自 进 口 ， 2020 年 上 半 年 直 接 还 原 铁 进 口 量 约 为 130 万吨. 国内直接还原炼铁技术仍处在起步阶 段，主要受还原气体天然气少分布不均制约，但我 国煤炭资源较为丰富，可利用该优势发展煤基直 接还原技术和煤制气–竖炉直接还原技术. 对于煤 基直接还原技术，我国曾建煤基回转窑直接还原 铁生产线 7 条，年产能约 65 万吨. 随世界铁矿石 价格上升依靠进口球团生产 DRI 出现亏损，同时 邢    奕等： 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 · 5 ·

6 工程科学学报，第44卷，第X期 Partial pelletizing Oxidized Gas-based shaft Iron ore oxidation roasting pellets fumnace reduction Direct reduced iron Steel Refining/Continuous Molten Electric fumace Casting/Rolling steel melting Steel slag Steel slag 图4直接还原炼铁技术 Fig.4 Direct reduction ironmaking technology 矿山企业生产铁精矿的效益又大于DRI生产，导 Sinter、coke H:+H2O+CO,+N2 致我国7条生产炼钢用DI的回转窑全部因经济 亏损而被迫停产闲置叨对于气基竖炉直接还原 炼铁技术，2018年辽宁华信钢铁集团开展了1万 3H2+2Fe2O3→4Fe+6H,0 3C+2Fe03+4Fe+3C0, 吨DRI和10万吨精品钢的煤制气-富氢气基竖炉- Coal powder 3C0+2Fe,0,→4Fe+3C02 and H, 电炉短流程示范工程项目，还原气为煤制气； 2019年内蒙明拓集团采用Midrex气基竖炉建设 Hydrogen-rich blast furnace 年产能力110万吨直接还原项目，还原气为合成 因5富氢高炉氢冶金技术 煤气；2021年5月，河钢集团在张家口筹建年产 Fig.5 Hydrogen metallurgical technology of hydrogen-rich blast fumace 60万吨Energiron直接还原炼铁项目，同时规划在 唐山、邯郸和宣化等地建设总计年产300万吨直 量为27.5kg1铁水，此时焦比和碳排放量分别降 接还原炼铁项目；2021年第3季度，中国宝武在湛 低24%和21%. 江钢铁建设2座百万吨级氢基竖炉直接还原炼铁 2016年4月，能源供应商瑞典大瀑布电力公 示范工程，分别采用不同比例的焦炉煤气、天然 司、瑞典钢铁集团和瑞典矿业集团联合开展 气、氢气和电解水产氢作为还原气体 HYBRIT氢冶金项目.项目计划在2018一2024年 2.2碳零排 进行全面可行性研究，并建立一个中试厂进行试 2.2.1氢冶金技术 验：在2025一2035年建设示范厂.该工艺使用的 氢冶金技术(Hydrogen-based steel making)采用 氢气来自电解水制氢，电解水使用的电力来自于 氢气代替炭还原生成水，可大幅降低CO2排放量， 水力、风力等清洁能源发电站.根据2018年披露 其主要化学反应原理如图5所示，被认为是最具 的数据显示，采用该工艺后吨钢CO2排放量仅为 发展潜力的低碳排放技术.氢气直接还原炼钢技 25kg,成本约为传统长流程工艺的120%~130%. 术是真正意义上的绿色可持续炼钢技术工艺，然 2019年1月，中国宝武与中核集团、清华大学 而该技术的发展很大程度上依赖制氢的成本和低 签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协 碳性，并且代替碳基还原剂会产生新的工艺问题： 议》.经初步计算，一台60万千瓦高温气冷堆机组 (1)纯氢气与铁矿石为吸热反应，完全代替燃料煤 可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的需 炭后系统内热量无法互补6,1ッ，延缓后续氢气还原 求，每年可减排约300万吨二氧化碳，减少能源消 反应；(2)氢气密度低，仅为C还原剂的1/6，进入 费约100万吨标准煤 炉子后迅速向炉顶逃逸，不能很好地停留在炉子 2.2.2电解还原炼铁技术 下部完成高温还原反应，且无法作为骨架支撑炉 分离铁矿石中的氧元素和铁元素有两种方 料：(3)氢气无法作为生铁渗碳的碳源，降低钢材 法，一种是利用化学还原剂如碳或氢，另一种是利 成品质量.因此，氢冶金技术需要控制氢气喷入 用电能还原，电解还原炼铁技术则属于后者.该工 量，根据数值模拟实验显示0，氢气的最佳喷入含 艺利用电流加热氧化铁和其他金属矿物组成的液

矿山企业生产铁精矿的效益又大于 DRI 生产，导 致我国 7 条生产炼钢用 DRI 的回转窑全部因经济 亏损而被迫停产闲置[17] . 对于气基竖炉直接还原 炼铁技术，2018 年辽宁华信钢铁集团开展了 1 万 吨 DRI 和 10 万吨精品钢的煤制气−富氢气基竖炉− 电炉短流程示范工程项目 ，还原气为煤制气 ； 2019 年内蒙明拓集团采用 Midrex 气基竖炉建设 年产能力 110 万吨直接还原项目，还原气为合成 煤气； 2021 年 5 月，河钢集团在张家口筹建年产 60 万吨 Energiron 直接还原炼铁项目，同时规划在 唐山、邯郸和宣化等地建设总计年产 300 万吨直 接还原炼铁项目；2021 年第 3 季度，中国宝武在湛 江钢铁建设 2 座百万吨级氢基竖炉直接还原炼铁 示范工程，分别采用不同比例的焦炉煤气、天然 气、氢气和电解水产氢作为还原气体. 2.2    碳零排 2.2.1    氢冶金技术 氢冶金技术（Hydrogen-based steel making）采用 氢气代替炭还原生成水，可大幅降低 CO2 排放量[18] ， 其主要化学反应原理如图 5 所示，被认为是最具 发展潜力的低碳排放技术. 氢气直接还原炼钢技 术是真正意义上的绿色可持续炼钢技术工艺，然 而该技术的发展很大程度上依赖制氢的成本和低 碳性，并且代替碳基还原剂会产生新的工艺问题： （1）纯氢气与铁矿石为吸热反应，完全代替燃料煤 炭后系统内热量无法互补[6,19] ，延缓后续氢气还原 反应；（2）氢气密度低，仅为 C 还原剂的 1/6，进入 炉子后迅速向炉顶逃逸，不能很好地停留在炉子 下部完成高温还原反应，且无法作为骨架支撑炉 料；（3）氢气无法作为生铁渗碳的碳源，降低钢材 成品质量. 因此，氢冶金技术需要控制氢气喷入 量，根据数值模拟实验显示[20] ，氢气的最佳喷入含 量为 27.5 kg·t−1 铁水，此时焦比和碳排放量分别降 低 24% 和 21%. 2016 年 4 月，能源供应商瑞典大瀑布电力公 司 、瑞典钢铁集团和瑞典矿业集团联合开 展 HYBRIT 氢冶金项目. 项目计划在 2018—2024 年 进行全面可行性研究，并建立一个中试厂进行试 验；在 2025—2035 年建设示范厂. 该工艺使用的 氢气来自电解水制氢，电解水使用的电力来自于 水力、风力等清洁能源发电站. 根据 2018 年披露 的数据显示，采用该工艺后吨钢 CO2 排放量仅为 25 kg，成本约为传统长流程工艺的 120%～130%. 2019 年 1 月，中国宝武与中核集团、清华大学 签订《核能−制氢−冶金耦合技术战略合作框架协 议》. 经初步计算，一台 60 万千瓦高温气冷堆机组 可满足 180 万吨钢对氢气、电力及部分氧气的需 求，每年可减排约 300 万吨二氧化碳，减少能源消 费约 100 万吨标准煤. 2.2.2    电解还原炼铁技术 分离铁矿石中的氧元素和铁元素有两种方 法，一种是利用化学还原剂如碳或氢，另一种是利 用电能还原，电解还原炼铁技术则属于后者. 该工 艺利用电流加热氧化铁和其他金属矿物组成的液 Iron ore Partial pelletizing/ oxidation roasting Refining/Continuous Casting/Rolling Oxidized pellets Gas-based shaft furnace reduction Direct reduced iron Electric furnace melting Steel slag Steel slag Steel Molten steel 图 4    直接还原炼铁技术 Fig.4    Direct reduction ironmaking technology Sinter、coke Hydrogen-rich blast furnace Coal powder and H2 3H2+2Fe2O3 3C+2Fe2O3 3CO+2Fe2O3 H2+H2O+CO2+N2 →4Fe+6H2O →4Fe+3CO2 →4Fe+3CO2 图 5    富氢高炉氢冶金技术 Fig.5    Hydrogen metallurgical technology of hydrogen-rich blast furnace · 6 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期

邢奕等：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 7 体溶液（约1600℃）发生电化学反应，从而将化合 行业能源结构保持不变的条件下，CO2的捕集利 物氧化铁分解产生氧气和铁水，带负电的氧离子 用可有效弥补钢铁生产工艺优化降碳措施的不 迁移到正极后生成氧气泡到顶部，带正电的铁离 足.目前钢铁行业主要以燃烧后捕集为主，CO2捕 子迁移到负极后被还原为铁5，该工艺采用电解 集方法的特点总结在表1中，根据捕集原理可以 的方法，不需要传统炼铁工艺中所使用的焦炉、链 分为物理吸附法和化学吸收法两大类P-21前者 筐机回转窑和高炉等设备，如果使用无碳电力，可 利用范德华力将CO2气体捕集在材料表面和孔 达到零CO2排放的目标 道，后者利用酸碱化学反应将CO2气体与液体通 安塞乐米塔尔公司对该工艺进行可行性实验 过化学键强有力结合 室研究，得到的铁纯度可达99.98%，能耗为 日本JFE钢铁公司选用沸石ZEOLUMF-9HA 2600~3000kWht,但中试工厂产能为5kgd 作为CO2吸附剂，高炉煤气依次经过预处理装置 麻省理工学院设立波土顿金属公司用于开展研 脱湿塔和脱硫塔去除水分和硫化物，低温净煤气 究，2014年该公司委托开发首个原形高温熔盐电 进入两段变压装置，分别得到CO,和C0气体.该 解槽，目前已经产出共计超过1t金属.该公司设 技术投资4.3亿日元成功应用在日本制铁所福山 定了4MWh吨钢材的目标，如果实现这一目标， 厂，CO2日处理能力为3t,回收率和纯度分别为 将需要46GW低碳电力产能作为支撑，这相当于 80%和99%.2010年建设1000m3h高炉煤气中 5500个全球最大功率海上风力发电机，或者28座 试设备.2012年配套建成CO2净化/液化装置，目 1.6GW核反应堆.根据国际能源署提出的加速创 前已实现CO2回收率超过90%、液态CO2纯度超 新方案，在极端条件下，2050年之前可以达到1亿 过99.5% 吨铁矿石的电解能力 中国碳捕捉研究和示范主要集中在煤炭、油 2.3碳负排技术 气和电力行业，钢铁行业碳捕集基本处于空白.中 碳捕获、利用与储存(Carbon Capture,. 国钢铁公司选用体积分数为30%单乙醇胺为吸收 Utilization and Storage,CCUS)技术是将由人为活 剂进行为期约1个月的碳捕集实验，CO2回收率超 动已经排放到空气的二氧化碳进行捕集，然后通 过95%.后续采用自产氨水作为吸收剂并成功于 过化学转化生成高附加价值的产品和长时间封存 2015年商业化.2014年宝钢与中南大学合作开展 到地质环境中，以此来减少空气中二氧化碳浓度. 烧结烟气脱硫渣碳酸化固定CO,的研究，使工业 当CCUS技术耦合其他二氧化碳源头低碳排放技 废气中的CO2与脱硫渣中的钙反应生成碳酸钙， 术，钢铁行业的二氧化碳排放量可实现数学意义 从而实现CO2的固定 上的“负排放”， 2.3.2碳循环及跨行业联产技术 2.3.1碳捕集 (1)CO2厂内循环利用技术 钢铁生产是以碳还原氧化铁为主的高温化学 CO2作为碳的完全氧化产物，热力学和化学性 过程，生产过程中会排放大量的CO2.在我国钢铁 质十分稳定，但在高温下也可以与碳发生氧化还 表1.物理吸附与化学吸收方法捕集CO2比较 Table 1 Comparison of CO2 capture by the physical adsorption and chemical absorption methods Capture Representative Common materials technology method Advantages Disadvantages 1.Low energy consumption 1.The flue gas needs to be cooled and Physical Pressure swing 13X molecular sieve 2.Mature technology and flexible operation dewatered before adsorption method adsorption 3.No corrosive problem 2.The capture efficiency is low and there is a 4.Suitable for high concentration CO2 lack of high capture performance materials 1.The absorbent is easy to evaporate and lose 2.The regeneration energy consumption is high Chemica Liquid amine Alkane alcohol amine 1.Suitable for low concentration and large flow 3.The absorption liquid easily corrodes the solution,amino acid salt flue gas equipment method absorption solution 2.High absorption efficiency 4.The solution circulation is large and the area occupied by the absorption tower and regeneration tower is large 1.Wide sources of calcium oxide 1.Low capture efficiency Others Carbonization Calcium-based 2.Low price 2.Poor sintering resistance and cannot be reaction materals 3.Carbonated products can be used as road recycled many times materials 3.High regeneration energy consumption

体溶液 (约 1600 ℃) 发生电化学反应，从而将化合 物氧化铁分解产生氧气和铁水，带负电的氧离子 迁移到正极后生成氧气泡到顶部，带正电的铁离 子迁移到负极后被还原为铁[5,8] . 该工艺采用电解 的方法，不需要传统炼铁工艺中所使用的焦炉、链 筐机回转窑和高炉等设备，如果使用无碳电力，可 达到零 CO2 排放的目标. 安塞乐米塔尔公司对该工艺进行可行性实验 室 研 究 ， 得 到 的 铁 纯 度 可 达 99.98%， 能 耗 为 2600～3000 kW·h·t−1，但中试工厂产能为 5 kg·d−1 . 麻省理工学院设立波士顿金属公司用于开展研 究，2014 年该公司委托开发首个原形高温熔盐电 解槽，目前已经产出共计超过 1 t 金属. 该公司设 定了 4 MW·h 吨钢材的目标，如果实现这一目标， 将需要 46 GW 低碳电力产能作为支撑，这相当于 5500 个全球最大功率海上风力发电机，或者 28 座 1.6 GW 核反应堆. 根据国际能源署提出的加速创 新方案，在极端条件下，2050 年之前可以达到 1 亿 吨铁矿石的电解能力. 2.3    碳负排技术 碳 捕 获 、 利 用 与 储 存 （ Carbon  Capture， Utilization and Storage，CCUS）技术是将由人为活 动已经排放到空气的二氧化碳进行捕集，然后通 过化学转化生成高附加价值的产品和长时间封存 到地质环境中，以此来减少空气中二氧化碳浓度. 当 CCUS 技术耦合其他二氧化碳源头低碳排放技 术，钢铁行业的二氧化碳排放量可实现数学意义 上的“负排放”. 2.3.1    碳捕集 钢铁生产是以碳还原氧化铁为主的高温化学 过程，生产过程中会排放大量的 CO2 . 在我国钢铁 行业能源结构保持不变的条件下，CO2 的捕集利 用可有效弥补钢铁生产工艺优化降碳措施的不 足. 目前钢铁行业主要以燃烧后捕集为主，CO2 捕 集方法的特点总结在表 1 中，根据捕集原理可以 分为物理吸附法和化学吸收法两大类[21−23] . 前者 利用范德华力将 CO2 气体捕集在材料表面和孔 道，后者利用酸碱化学反应将 CO2 气体与液体通 过化学键强有力结合. 日本 JFE 钢铁公司选用沸石 ZEOLUMF−9HA 作为 CO2 吸附剂，高炉煤气依次经过预处理装置 脱湿塔和脱硫塔去除水分和硫化物，低温净煤气 进入两段变压装置，分别得到 CO2 和 CO 气体. 该 技术投资 4.3 亿日元成功应用在日本制铁所福山 厂 ，CO2 日处理能力为 3 t，回收率和纯度分别为 80% 和 99%. 2010 年建设 1000 m 3 ·h−1 高炉煤气中 试设备. 2012 年配套建成 CO2 净化/液化装置，目 前已实现 CO2 回收率超过 90%、液态 CO2 纯度超 过 99.5%. 中国碳捕捉研究和示范主要集中在煤炭、油 气和电力行业，钢铁行业碳捕集基本处于空白. 中 国钢铁公司选用体积分数为 30% 单乙醇胺为吸收 剂进行为期约 1 个月的碳捕集实验，CO2 回收率超 过 95%. 后续采用自产氨水作为吸收剂并成功于 2015 年商业化. 2014 年宝钢与中南大学合作开展 烧结烟气脱硫渣碳酸化固定 CO2 的研究，使工业 废气中的 CO2 与脱硫渣中的钙反应生成碳酸钙， 从而实现 CO2 的固定. 2.3.2    碳循环及跨行业联产技术 （1）CO2 厂内循环利用技术 . CO2 作为碳的完全氧化产物，热力学和化学性 质十分稳定，但在高温下也可以与碳发生氧化还 表 1 物理吸附与化学吸收方法捕集 CO2 比较 Table 1 Comparison of CO2 capture by the physical adsorption and chemical absorption methods Capture technology Representative method Common materials Advantages Disadvantages Physical method Pressure swing adsorption 13X molecular sieve 1. Low energy consumption 2. Mature technology and flexible operation 3. No corrosive problem 4. Suitable for high concentration CO2 1. The flue gas needs to be cooled and dewatered before adsorption 2. The capture efficiency is low and there is a lack of high capture performance materials Chemical method Liquid amine absorption Alkane alcohol amine solution, amino acid salt solution 1. Suitable for low concentration and large flow flue gas 2. High absorption efficiency 1. The absorbent is easy to evaporate and lose 2. The regeneration energy consumption is high 3. The absorption liquid easily corrodes the equipment 4. The solution circulation is large and the area occupied by the absorption tower and regeneration tower is large Others Carbonization reaction Calcium-based materials 1. Wide sources of calcium oxide 2. Low price 3. Carbonated products can be used as road materials 1. Low capture efficiency 2. Poor sintering resistance and cannot be recycled many times 3. High regeneration energy consumption 邢    奕等： 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 · 7 ·

工程科学学报，第44卷，第X期 原反应，利用CO2的热稳定性、覆盖保护性、温度 吨粗钢约可利用100kgCO2.CO2用于钢铁生产， 调控性和搅拌性等特点应用在钢铁行业各个工 主要是利用CO2的弱氧化性，目前CO2在钢铁行 序，消纳CO2且资源化利用实现低碳排放，生产每 业内部资源化应用的场景如图6所示. Application of carbon dioxide in the resource utilization of steel metallurgical process Stirring Temperature Cover Dilution control protecdon Flue gas Converter steelmaking -furnace Flue gas Rolling Rotary circulating reheating Ladle hearth oven siiering furnace mumace 图6 CO2在钢铁各工序中的应用叫 Fig.6」 Application of CO in various processes of iron and steel CO2用于钢铁工业生产具有以下优点：(1)生 预计吨钢减少CO2排放21.3kg.太钢于2017年开 产成本低，用CO,代替Ar用于不锈钢冶炼，吨钢 始二氧化碳替代氩气用于炼钢生产的理论研究 可减少20~45元的生产成本.(2)热力学优势， 2019年开始正式试验系统分析了二氧化碳对炼钢 CO,作为反应气体参加的许多反应属于微吸热反 过程的脱碳速度、熔池温度、炉衬侵蚀等的影响， 应，可实现熔池炼钢过程的温度调控.(3)易排气： 后于2020年完成了300多炉二氧化碳在碳钢生产 CO2密度大，容易将钢液中的其他气体排出，保护 线及不锈钢生产线的工业化试验，取得了降低氩 钢液质量.(4)搅拌能力强：产物气分子体积增加 气、氧气消耗，提高脱碳效率的良好效果，降低了 一倍可强化熔池搅拌(CO2+C=2CO).但同时也存 吨钢的冶炼成本 在以下问题，若采用煤炭质供气，原件侵蚀比较严 (2)CO2厂外跨行业“钢-化”联产技术 重，需要加强对炉底的侵蚀防护，另外还需考虑对 钢铁工业尾气富含二氧化碳、甲烷和一氧化 CO2的回收与提纯.工艺方面，对于喷吹CO2的最 碳等C1化合物，可利用钢铁尾气生产醇类化工产 佳工艺条件、炉内热量的变化规律、CO2利用率这 品，目前主要有两种方法，分别是发酵法和合成气 些问题还没有明确的研究结果 制乙醇(DMTE).发酵法由美国朗泽科技研发， 国内首钢京唐公司同北京科技大学合作，共 具体工艺流程如图7所示，将经过预处理的尾气 同承担国家科技部“十二五”科技支撑项目 送至生物发酵装置，经发酵、蒸馏脱水后产出体积 “CO2O2混合喷吹炼钢工艺技术及装备示范”课 分数≥99.5%的燃料乙醇，同时分离出高品质的菌 题.该项目建设国内第一条年产300万吨钢的 体蛋白，可作为高端水产蛋白饲料原料：之后的污 CO2O2混合喷吹炼钢技术产业化示范工程（含年 水还可用于生产沼气，再经提纯后用于生产压缩 产5万吨C02的回收装置).该项目建设投产后， 天然气 Distillation Raw gas Fuel Pretreatment Ferment dehydration ethanol 图7发酵法工艺流程图 Fig.7 Process flow diagram of the fermentation method 2012年首钢京唐公司与朗泽科技合作，建设 经甲醇脱水、二甲醚碳基化和乙酸甲酯加氢路线 年产300t乙醇示范工程，占地约5000m2,以焦炉 生产乙醇，具体工艺路线如图8所示.DMTE工艺 煤气、高炉煤气和转炉煤气的混合气体为原料，通 具有乙醇生产成本低、合成气利用率高和占地面 过该项目技术示范形成钢铁工业尾气发酵制备燃 积小等特点，大规模无水乙醇生产成本优势显著. 料乙醇的核心技术 截止2021年，国内榆神能化、新疆天业和安 DMTE技术由大连化物所刘中民院士团队自 阳利源集团等共计7家单位采用DMTE技术生产 主研发，利用钢铁工业尾气中的CO和H,为原料， 乙醇，许可规模达195万ta,预计十四五期间

原反应，利用 CO2 的热稳定性、覆盖保护性、温度 调控性和搅拌性等特点应用在钢铁行业各个工 序，消纳 CO2 且资源化利用实现低碳排放，生产每 吨粗钢约可利用 100 kg CO2 . CO2 用于钢铁生产， 主要是利用 CO2 的弱氧化性. 目前 CO2 在钢铁行 业内部资源化应用的场景如图 6 所示. Stirring Temperature control Cover protection Flue gas circulating sintering Smelting stainless steel Continuous casting protection Out-of-furnace refining Electric furnace steelmaking Converter ironmaking Blast furnace steelmaking Rolling reheating furnace Ladle oven Rotary hearth furnace Dilution Flue gas circulating combustion Application of carbon dioxide in the resource utilization of steel metallurgical process 图 6    CO2 在钢铁各工序中的应用[24] Fig.6    Application of CO2 in various processes of iron and steel [24] CO2 用于钢铁工业生产具有以下优点：（1）生 产成本低，用 CO2 代替 Ar 用于不锈钢冶炼，吨钢 可减少 20～45 元的生产成本. （ 2）热力学优势， CO2 作为反应气体参加的许多反应属于微吸热反 应，可实现熔池炼钢过程的温度调控. （3）易排气： CO2 密度大，容易将钢液中的其他气体排出，保护 钢液质量. （4）搅拌能力强：产物气分子体积增加 一倍可强化熔池搅拌（CO2+C=2CO）. 但同时也存 在以下问题，若采用煤炭质供气，原件侵蚀比较严 重，需要加强对炉底的侵蚀防护，另外还需考虑对 CO2 的回收与提纯. 工艺方面，对于喷吹 CO2 的最 佳工艺条件、炉内热量的变化规律、CO2 利用率这 些问题还没有明确的研究结果. 国内首钢京唐公司同北京科技大学合作，共 同 承 担 国 家 科 技 部 “ 十 二 五 ” 科 技 支 撑 项 目 “CO2−O2 混合喷吹炼钢工艺技术及装备示范”课 题. 该项目建设国内第一条年产 300 万吨钢的 CO2−O2 混合喷吹炼钢技术产业化示范工程（含年 产 5 万吨 CO2 的回收装置）. 该项目建设投产后， 预计吨钢减少 CO2 排放 21.3 kg. 太钢于 2017 年开 始二氧化碳替代氩气用于炼钢生产的理论研究. 2019 年开始正式试验系统分析了二氧化碳对炼钢 过程的脱碳速度、熔池温度、炉衬侵蚀等的影响， 后于 2020 年完成了 300 多炉二氧化碳在碳钢生产 线及不锈钢生产线的工业化试验，取得了降低氩 气、氧气消耗，提高脱碳效率的良好效果，降低了 吨钢的冶炼成本. （2）CO2 厂外跨行业 “钢−化”联产技术. 钢铁工业尾气富含二氧化碳、甲烷和一氧化 碳等 C1 化合物，可利用钢铁尾气生产醇类化工产 品，目前主要有两种方法，分别是发酵法和合成气 制乙醇（DMTE） [25] . 发酵法由美国朗泽科技研发， 具体工艺流程如图 7 所示，将经过预处理的尾气 送至生物发酵装置，经发酵、蒸馏脱水后产出体积 分数≥99.5% 的燃料乙醇，同时分离出高品质的菌 体蛋白，可作为高端水产蛋白饲料原料；之后的污 水还可用于生产沼气，再经提纯后用于生产压缩 天然气. Raw gas Pretreatment Ferment Distillation dehydration Fuel ethanol 图 7    发酵法工艺流程图 Fig.7    Process flow diagram of the fermentation method 2012 年首钢京唐公司与朗泽科技合作，建设 年产 300 t 乙醇示范工程，占地约 5000 m 2 ，以焦炉 煤气、高炉煤气和转炉煤气的混合气体为原料，通 过该项目技术示范形成钢铁工业尾气发酵制备燃 料乙醇的核心技术. DMTE 技术由大连化物所刘中民院士团队自 主研发，利用钢铁工业尾气中的 CO 和 H2 为原料， 经甲醇脱水、二甲醚羰基化和乙酸甲酯加氢路线 生产乙醇，具体工艺路线如图 8 所示. DMTE 工艺 具有乙醇生产成本低、合成气利用率高和占地面 积小等特点，大规模无水乙醇生产成本优势显著. 截止 2021 年，国内榆神能化、新疆天业和安 阳利源集团等共计 7 家单位采用 DMTE 技术生产 乙醇，许可规模达 195 万 t·a−1，预计十四五期间， · 8 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期

邢奕等：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 9 1555m3 0.746t Methonal Syngas Dehydration Hydrogen Carbon monoxide 1.0t Carbon Dimethylether Methylace ylation Ethanol tate 图8DMTE生产乙醇技术路线图 Fig.8 Dimethyltellurium technology roadmap for ethanol production DMTE技术乙醇产能预计超过300万ta,年产值 的废钢，且废钢质量参差不齐，废钢进口受到国外 达150亿 管制，以煤和焦炭为主的高炉炼铁为核心的长流 2.3.3碳封存 程制造工艺近些年不会发生根本变化.(4)直接还 捕集的CO2除了在钢铁厂内部循环利用和厂 原炼铁技术在国内刚刚起步，且国内“富煤、贫 外化学转化之外，也可将其运输至储存地点，在高 油、少气”的能源现状限制其快速发展 温高压条件下以超临界形式注入地下进行长期封 3.2钢铁行业低碳排放技术路线展望 存，实现与大气的长期隔离.封存CO2的地点通常 钢铁行业低碳排放技术路线展望如下： 为深层盐水层、枯竭的油气田和采煤层，在地质封 (1)通过优化工艺生产流程的方式减少工业 存的同时，起到强化提高石油、地热、地层深部咸 生产过程中的直接碳排放，利用副产能源重整技 水等能源开采的作用 术提高能源利用效率，降低间接碳排放.高炉炼铁 国内的地质封存与利用技术主要以提高石油 作为碳排放量最高的工序，应首先对其进行升级 采集率为主，煤层气驱替技术目前处于研发阶段 改造，可采取氧气鼓风高炉炉顶煤气循环+氢气喷 以国内油田的CO2驱油项目为例，吉林油田和新 吹+CCUS组合技术，预计生产每吨粗钢可减少 疆油田的注汽产油比分别为4.67：1和3.57：1，即 500kgCO2排放.另外在降碳方面应优先选用高成 注入4.67t或3.57t二氧化碳能够产出1t油.中科 熟度减碳技术，如1000mm超厚料层低碳烧结技 院武汉土力研究所等单位在鄂尔多斯盆地开展 术、长流程废钢预热技术和CO2转炉高炉底吹技 C0,驱煤层气研究7，在2015年完成燃煤电厂 术，有效支撑2030年碳达峰目标的实现 CO2捕集和驱替煤层气研究与试验示范，2018一 (2)改变钢铁行业能源结构，高CO2排放因子 2020年完成了C02驱煤层气关键技术研究.国家 煤炭应逐渐一步一步转变为煤气→天然气→氢气 能源投资集团有限责任公司在内蒙古建成了世界 清洁能源实现钢铁碳零排.采用碳含量较低的燃 上规模最大的深部咸水层地质封存示范项目P, 料和或还原剂，降低工业过程产生的直接碳排放 截止目前已封存30余万吨CO2 利用光伏发电、风能和地热能等清洁能源发电替 3总结与展望 代火力发电，减少因能源消耗产生的间接碳排放 另外，废弃生物质的使用还有许多潜在的好处，包 3.1钢铁行业碳排放现状总结 括回收其能量含量、节约不可再生化石燃料、降 (1)我国钢铁行业能源资源消耗密集且以化 低生产成本和消除垃圾填埋场处理.未来可使用 石能源为主，占全国碳排放总量18%以上，为碳排 废塑料和废轮胎（其中也含有一些铁）代替一些煤 放量最高的非电行业.(2)粗钢产销量大，粗钢产 在钢铁厂和电弧炉中生产钢铁 量从21世纪初1.3亿吨增长至2020年的10.65亿 (3)大力发展CO2捕集与碳循环钢化联产碳 吨，钢铁生产将逐渐从以往的爆发式增长进人到 负排技术，进一步深度脱碳.预计2050年钢铁行 平台稳定期，预计近些年粗钢产量保持在10~ 业粗钢产量为7亿吨刷，短流程电炉炼钢占比与 12亿吨左右.(3)我国钢铁行业生产工艺流程以吨 当前美国相同，达到70%（碳排放因子取生产每吨 钢C02排放量为1.7~2.2t的长流程高炉-转炉为 粗钢约排放0.6tCO2),长流程氧气鼓吹氢基高炉 主，其生产的粗钢比例约占总产量的90%，而吨钢 占比达到30%（碳排放因子取生产每吨粗钢排放 CO2排放量为0.6t的短流程电弧炉炼钢的粗钢产 约1.4tC02,则2050年排放约6.88亿吨C02,碳 量仅占10%.但我国电费偏高，缺少足够用于电炉 中和难度大，需要通过末端碳捕集的方式才能实

DMTE 技术乙醇产能预计超过 300 万 t·a−1，年产值 达 150 亿. 2.3.3    碳封存 捕集的 CO2 除了在钢铁厂内部循环利用和厂 外化学转化之外，也可将其运输至储存地点，在高 温高压条件下以超临界形式注入地下进行长期封 存，实现与大气的长期隔离. 封存 CO2 的地点通常 为深层盐水层、枯竭的油气田和采煤层，在地质封 存的同时，起到强化提高石油、地热、地层深部咸 水等能源开采的作用[26] . 国内的地质封存与利用技术主要以提高石油 采集率为主，煤层气驱替技术目前处于研发阶段. 以国内油田的 CO2 驱油项目为例，吉林油田和新 疆油田的注汽产油比分别为 4.67∶1 和 3.57∶1，即 注入 4.67 t 或 3.57 t 二氧化碳能够产出 1 t 油. 中科 院武汉土力研究所等单位在鄂尔多斯盆地开展 CO2 驱煤层气研究 [27] ， 在 2015 年完成燃煤电 厂 CO2 捕集和驱替煤层气研究与试验示范，2018— 2020 年完成了 CO2 驱煤层气关键技术研究. 国家 能源投资集团有限责任公司在内蒙古建成了世界 上规模最大的深部咸水层地质封存示范项目[28] ， 截止目前已封存 30 余万吨 CO2 . 3    总结与展望 3.1    钢铁行业碳排放现状总结 （1）我国钢铁行业能源资源消耗密集且以化 石能源为主，占全国碳排放总量 18% 以上，为碳排 放量最高的非电行业. （2）粗钢产销量大，粗钢产 量从 21 世纪初 1.3 亿吨增长至 2020 年的 10.65 亿 吨，钢铁生产将逐渐从以往的爆发式增长进入到 平台稳定期 ，预计近些年粗钢产量保持在 10～ 12 亿吨左右. （3）我国钢铁行业生产工艺流程以吨 钢 CO2 排放量为 1.7～2.2 t 的长流程高炉−转炉为 主，其生产的粗钢比例约占总产量的 90%，而吨钢 CO2 排放量为 0.6 t 的短流程电弧炉炼钢的粗钢产 量仅占 10%. 但我国电费偏高，缺少足够用于电炉 的废钢，且废钢质量参差不齐，废钢进口受到国外 管制，以煤和焦炭为主的高炉炼铁为核心的长流 程制造工艺近些年不会发生根本变化. （4）直接还 原炼铁技术在国内刚刚起步，且国内“富煤、贫 油、少气”的能源现状限制其快速发展. 3.2    钢铁行业低碳排放技术路线展望 钢铁行业低碳排放技术路线展望如下： （1）通过优化工艺生产流程的方式减少工业 生产过程中的直接碳排放，利用副产能源重整技 术提高能源利用效率，降低间接碳排放. 高炉炼铁 作为碳排放量最高的工序，应首先对其进行升级 改造，可采取氧气鼓风高炉炉顶煤气循环+氢气喷 吹+CCUS 组合技术 ，预计生产每吨粗钢可减少 500 kgCO2 排放. 另外在降碳方面应优先选用高成 熟度减碳技术，如 1000 mm 超厚料层低碳烧结技 术、长流程废钢预热技术和 CO2 转炉高炉底吹技 术，有效支撑 2030 年碳达峰目标的实现. （2）改变钢铁行业能源结构，高 CO2 排放因子 煤炭应逐渐一步一步转变为煤气→天然气→氢气 清洁能源实现钢铁碳零排. 采用碳含量较低的燃 料和/或还原剂，降低工业过程产生的直接碳排放. 利用光伏发电、风能和地热能等清洁能源发电替 代火力发电，减少因能源消耗产生的间接碳排放. 另外，废弃生物质的使用还有许多潜在的好处，包 括回收其能量含量、节约不可再生化石燃料、降 低生产成本和消除垃圾填埋场处理. 未来可使用 废塑料和废轮胎 (其中也含有一些铁) 代替一些煤 在钢铁厂和电弧炉中生产钢铁. （3）大力发展 CO2 捕集与碳循环钢化联产碳 负排技术，进一步深度脱碳. 预计 2050 年钢铁行 业粗钢产量为 7 亿吨[18] ，短流程电炉炼钢占比与 当前美国相同，达到 70%(碳排放因子取生产每吨 粗钢约排放 0.6 t CO2 )，长流程氧气鼓吹氢基高炉 占比达到 30%(碳排放因子取生产每吨粗钢排放 约 1.4 t CO2 )，则 2050 年排放约 6.88 亿吨 CO2，碳 中和难度大，需要通过末端碳捕集的方式才能实 0.746 t Methonal Syngas 1555 m3 Steel plant exhaust gas Hydrogen 1.0 t Ethanol Separa tion Dehydration Dimethylether Carbon monoxide Carbon ylation Methylace tate Hydrog enation 图 8    DMTE 生产乙醇技术路线图 Fig.8    Dimethyltellurium technology roadmap for ethanol production 邢    奕等： 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 · 9 ·