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