丁   晖

（马钢集团）

摘  要：在双碳背景下，碳达峰、碳中和已经成为钢铁行业高质量发展的硬约束，炼铁技术发展面临着巨大的挑战和机遇。为实现钢铁工业绿色低碳转型，各高等院校、科研院所以及钢铁企业不断研究、推广、应用低碳技术，持续降低能耗和污染物排放，取得积极进展。本文分析了当前钢铁工业现状及存在的问题，汇总了双碳背景下炼铁技术发展的新趋势和关键技术，包括高炉节能减排技术、非高炉炼铁技术等。

关键词：双碳目标；炼铁技术；低碳转型；非高炉炼铁；碳捕获和储存

1  前言

力争二氧化碳排放在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是我们对国际社会的庄严承诺，也是推动高质量发展，推动实现“两个一百年”奋斗目标的关键措施。当前，我国产业偏重、能源偏煤、效率偏低的发展模式仍未根本改变，降碳任务艰巨繁重。我国碳排放总量约为美国的2倍多，欧盟的3倍多，排放总量超过113亿吨，约占全球的30%，实现碳中和所需碳排放减量远高于国际发达经济体。国内粗钢产量占到全球粗钢产量一半以上，且钢铁生产主流工艺是高炉—转炉长流程，在我国长流程占比约90%。由于其碳基还原的特性（其能源结构见图2，煤炭占比达到83%），钢铁产业碳排放占全球钢铁产业碳排放总量的60％以上，是全球钢铁行业最大的碳排放源。具体到国内来看，钢铁行业碳排放占全国碳排放总量的15%左右，其中高炉流程中直接排碳占60%以上，碳排放量位居制造业31个门类首位。从排放强度上看，我国钢铁行业2020年碳排放强度2.03tCO₂/t钢，高于世界1.8tCO₂/t钢的平均水平。

2  我国钢铁工业“双碳”挑战与机遇

2.1 我国钢铁工业的“双碳”挑战

世界正迎来以绿色低碳为特征的新—轮产业革命和技术变革，全球绿色低碳转型创新已经成为不可逆的大趋势。许多国家正通过征碳税、碳排放交易或限额交易来帮助实现碳中和。据国际货币基金组织预测2030年全球平均碳价达75美元/吨，低碳转型和碳金融收益预期可观。

2023年2月欧洲议会通过欧盟碳边境调节机制(CBAM)，将对含钢铁在内的进口商品征收碳税，钢铁出口利润空间将进一步压缩。另一方面，市场对低碳钢铁材料提出了迫切需求。2022年8月4日，河钢集团与宝马集团签署《打造绿色低碳钢铁供应链合作备忘录》指出，从2023年中期开始，河钢将汽车板CO₂排放降低10-30%，2026年起，基于绿电和电炉等工艺，将汽车板CO₂排放逐步降低95%。2022年11月22日，宝钢与奔驰签署《关于构建绿色钢铁供应链的合作备忘录》，2023年逐步提供碳排放强度大幅降低的汽车用钢，2026年起，借助氢基竖炉-电炉技术，宝钢汽车用钢CO₂排放强度逐步降低50-80%，随后进一步提供减碳95%的绿钢。

如下图4所示，欧美等发达经济体较早实现了工业化，已实现经济发展与碳排放脱钩，分别于上世纪80年代和本世纪初实现“碳达峰”，而我国是世界上最大的发展中国家，仍处在工业化和现代化的推进期，能源需求还需继续保持合理增长，碳达峰时间要到2030年。欧美等发达经济体从“碳达峰”到“碳中和”时间长，有50~70年时间；我国从碳达峰到碳中和只有30年时间，宝武集团时间更短，仅为27年，且比国家提前10年。与欧美国等发达国家相比，我国是在人均GDP相对较低、所用时间明显更短的情况下提出“双碳”目标，需要付出的努力和成本远大于这些国家。

我国钢铁行业当下面临的几项主要问题：（1）产量大，排放量大，碳排放强度全球偏高；（2）能源资源禀赋，以高炉——转炉长流程为主，短流程占比低；（3）钢铁企业数量多，且结构、水平差异大；（4）碳排放机理复杂涉及能源燃烧排放、工业生产过程排放、电力和热力消耗所对应的间接排放等多种碳排放机理；（5）碳减排目标硬约束&经济可行降碳空间有限；（6）国家政策发展要求&行业企业技术配套不完善；（7）双重减排压力同时存在；（8）国家低碳政策影响与约束；（9）绝大多数钢企处于低碳发展处级阶段。

2.2 我国钢铁工业的“双碳”机遇

我国钢铁工业已具备较强的全球竞争力，钢铁工业作为我国经济的基础性产业，经过多年的快速和全面的发展，拥有了世界上最完整、最大规模的钢铁工业体系，配备了世界最先进的装备、工艺和技术，为国家和世界提供者丰富的、不断升级的钢铁产品，是真正的国之重器，钢铁脊梁。在规模、技术、效益、品牌、产品、服务、管理等各个方面，综合实力稳居世界一流方阵，是我国工业领域最具全球竞争力的重点行业之一。几十年来，尤其是最近几年来的中国钢铁实践，走出了最短时间最高标准最大规模的超低排放绿色成长之路，积累了经验，奠定了基础，赢得了全世界钢铁同行的尊敬。钢铁工业“双碳”目标的实现将为我国贯彻新发展理念、实现经济高质量发展提供新的历史机遇，推动经济转型增效，引领全球绿色低碳技术和产业革命。

3   双碳背景下的炼铁技术转型方向

减少钢铁生产中二氧化碳排放强度的短期策略是通过提高高炉操作水平，降低高炉的消耗。改变高炉的能源结构，减少高炉对碳燃料的依赖。如下图所示，具体可以从减少煤气化学能、降低过程能耗、寻找碳替代品等三个途径着手。主要方向包括：极致能效、冶金资源循环利用、低碳冶炼技术应用、负碳技术的应用等内容。

3.1极致能效

（1）技术目标以除固体燃料外能效提升20%为挑战目标，实现吨钢碳排放强度降低5%以上，其中，BACT应用实现吨钢碳排放强度降低3%，界面能效提升实现吨钢碳排放强度降低2%。（2）技术措施对标极限能耗：开发全工序理论极限和技术极限能耗模型，建成动态更新BACT库，大力推广应用，优化改进工艺流程、公辅系统，提高金属收得率，显著降低能耗。余热余能资源化余热资源深度回收利用：突破焦炉荒煤气显热、高炉渣显热等高温显热回收难题，充分回收烧结废气余热、烧结矿显热、蒸汽冷凝水余热锅炉排污余热、空压机余热、循环冷却水余热、烧结球团烟气余热等中低温余热资源。副产煤气协同回收资源化：极限回收高炉、焦炉、转炉煤气等副产煤气，通过产业区域协同、钢铁-化工联产实现副产煤气资源化。余压资源充分回收利用：深度挖掘余压资源潜力，实现高炉炉顶余压、管网蒸汽余压、循环冷却水余压等资源的高效利用。界面能效提升铁钢界面智能高效热连接：通过铁钢界面TPC保温、碳析出的综合利用，开发温降预测模型，建立智能运输与调度，实现一对一柔性连接，降低铁钢界面的热损失。

3.2 冶金资源循环利用

（1）技术目标实现厂内含铁含碳固废全量消纳，减少吨铁化石类固体燃料消耗10-15kg；形成全流程钢铁循环材料使用比例达到35%以上的成套工艺技术；掌握炼铁使用生物质能技术，实现以生物质炭替代20%以上的高炉喷吹煤，从而减少吨铁化石类固体燃料消耗35kg以上。通过采用以上工艺技术，实现降低吨钢CO₂排放量15-20%。（2）技术措施①含铁含碳固废全量高效利用：通过开发含铁含碳固废分级分质预处理技术、与冶金工艺耦合的质能高效利用技术以及全过程污染物控制技术，构建含铁含碳固废与冶金炉窑的多维度适配模型，实现全量、高效、资源化增值利用。②钢铁循环材料大比例使用：通过开发高炉使用钢铁循环材料技术，增加钢铁循环材料在高炉炼铁过程中的使用量，从而减少铁矿石还原耗热量，降低CO排放量。

3.3低碳冶炼技术——富氢碳循环

（1）技术目标开发碳铁复合炉料促进高炉内的间接还原，通过富氢碳循环提升氢和碳在高炉的利用效率，同时引入绿色电能来替代部分加热用碳基燃料，重构现有的高炉流程，实现吨铁碳排放减量35%以上。（2）技术措施①富氢碳循环高炉通过高富氧鼓风或全氧操作来优化高炉炉顶副产煤气的组成，使用煤气CO₂分离技术将炉顶的副产品煤气变为高炉还原势的煤气和高浓度的CO₂ ，引入绿色电能将高还原势煤气加热到较高温度后以便高炉大量喷吹高还原势的煤气，实现高炉对碳循环利用、利用率达到100%；同时在碳的循环过程中混入富氢物质强化高炉富氢冶炼效果，降低高炉流程对固体燃煤的消耗。

②新型炉料将低品质煤粉和铁矿粉按一定比例混合后，经过加热、成型、复合反应后得到的一种金属铁分散在碳基体中的高炉块状原料。将碳铁复合炉料与含铁炉料一同加入高炉，改善高炉内还原动力学条件，提升炉身效率，减少燃料消耗，降低高炉CO。

③微波烧结预还原技术将不同类型铁矿石预处理后，加热至高温造块，在高温状态下通入氢气进行冷却还原，制备得 到预还原金属化微波烧结矿，供高炉使用，从而降低高炉燃料消耗，从铁矿石造块、高炉炼铁两 个工序降低CO₂排放，实现可持续发展。

3.4 低碳冶金技术——氢基竖炉

（1）技术目标开发和试验氢基竖炉直接还原技术，以及高效水电解制氢、大能力氢气输运储存技术装备，通过氢基竖炉-电炉短流程的技术集成及应用，使吨钢CO₂排放量下降90%。（2）技术措施氢基竖炉直接还原炼铁新工艺：以气基竖炉工艺为基础，研究开发可自由使用天然气、焦炉煤气和绿色氢气等氢基气体作为还原气源的氢基竖炉直接还原工艺及技术装备，不同的气源比例可灵活调节，氢气的比例最高可达到100%。

开发和试验可供大型氢基竖炉使用的大规模、高效率、低成本制氢技术及其装备，研究和试验大容量气态储氢装置和管道长距离大流量氢气输送技术。建设光伏发电、风电设施及模块化组合的水电解制氢规模化试验装置，生产绿色氢气，并用大容量储罐存储。配套建设氢气输送管道，向氢基竖炉储氢罐供氢。通过示范工程试验，掌握全流程的制氢一储氢一输氢—全氢冶金技术和设备。

3.5  负碳技术——碳回收及利用

（1）技术目标实现冶金煤气CO₂捕集和净化工艺的大规模应用，规模化应用CO₂驱油、制备燃料或化工产品的相关技术，打造CO₂资源化产业集群，形成每年可以捕集利用1000万吨以上CO₂资源产业平台。（2）技术措施冶金煤气CO₂分离回收：开展冶金煤气分离CO₂技术研究，识别不同CO₂捕集方法的适用性，选择不同冶金煤气的适宜的捕集工艺。开发低能耗低消耗的CO₂吸附和脱附过程捕集剂，降低工艺过程生产能耗从而进一步降低CO₂回收分离的成本。CO₂制备清洁燃料或有机原料：开展CO₂压缩与氢气混合制甲醇装置放大的技术研究，开发新型高效催化剂，提高制甲醇的反应效率。开展生物发酵法冶金煤气制备乙醇技术研究，通过反应器的规模化放大，反应后物料的提纯能耗降低，废水提质利用及循环 使用研究技术开发应用，形成规模化冶金煤气绿色乙醇制备技术。

4  马钢低碳炼铁技术路径的研讨与实践

4.1 高炉低碳化炼铁技术思路

4.2 高炉低碳化炼铁技术

4.2.1 高炉低碳比冶炼技术

宝武系大型高炉中，先进高炉的焦比≤335kg/t、燃料比≤495kg/t。马钢高炉燃料比与之相差不大，但焦比相差较多。2020年马钢A号高炉烟煤比例41.4%。提高1%的烟煤比例，可降低入炉煤粉碳0.18%。提煤比(烟煤)降焦比，降总燃料比，降低高炉入炉总碳量，从而降低碳排放。如以煤比155kg/t铁，在性价比可许的范围内烟煤比例由41.1%提高到47.1%，则全厂每年可减少入炉碳量2.7万吨，从而降低高炉CO₂排放量10万吨/a。

4.2.2 高炉风口混合喷吹富氢燃料

在对高炉炼铁工艺流程不做大的改变的前提下，实现低碳化冶炼的关键是寻找碳的替代品。从高炉中碳的作用来看，发热剂和还原剂是其主要作用，因此氢元素被认为是碳的  最佳替代元素。研究表明氢还原由10%增加到20%，则高炉直接还原由30%下降到20%。目前对高炉风口混合喷吹的富氢燃料主要有以下两种方式：固体富氢燃料主要是城市固废塑料制品和橡胶制品：塑料制品和橡胶制品在燃烧时都产生氢和一氧化碳，可以有效的替代煤粉作为高炉的发热剂和还原剂。城市每天都会产生大量的固废，处理难度大。这项技术在宝钢已进行过短期的工业试验证明技术上是行得通的，最大的问题是这些固废收集、制粒以及资源的充足供应。气体富氢燃料主要为天然气和焦炉煤气：气体燃料喷吹相对简单，但由于天然气和焦炉煤气都是国民经济重要的能源，从资源上看，可持续性存在问题。效果预测在城市垃圾分类和报废汽车等主要橡胶制品拆解产业化的前提下，通过寻求政府支持，相对来说，喷吹固体富氢燃料的可能性更大一些。

4.2.3富氢碳循环高炉炼铁技术

高炉减碳从当前的生产来看，降低过程耗能和提高煤气利用率已趋极限，只能通过煤气化学能返回利用减少煤气化学能，使用氢(还原)和电(加热)替代。以富氢碳循环为手段，以降低高炉还原剂比为方向，重构高炉流程，最大程度利用碳和氢的化学能，使用绿色能源取代碳加热，实现高炉大幅减碳。理论上，富氢碳循环高炉冶炼技术能够实现高炉炼铁42%的减碳。八钢430m³高炉第二阶段实验已完成，设备改造后开展第三阶段实验。准备实施全氧生产。

4.3 其它低碳化炼铁技术

烧结CO₂排放约291kg/吨钢，烧结废气SO₂ 、NO_x和二噁英排放量分别占钢铁总排放量的60%、50%和90%以上。基于传统的烧结工艺流程，难以实现均热均质烧结，降低燃料消耗和提高烧结矿质量的空间有限。

4.3.1 烧结料面辅助喷吹降碳技术

（1）技术措施①料面喷加可燃煤气，减少化石能源碳消耗量烧结料层上部料层保持最高烧结温度，从而提高能效(产质量提升)及减少CO₂排放。烧结矿质量提高，促进高炉低燃料比运行，进一步降低碳消耗，减排。②料面喷加蒸汽，提高过程能效减排烧结料面适宜的蒸汽喷吹，通过提高碳的燃烧效率减少碳消耗，可起到CO₂减排和改善烧结矿质量的综合效果。（2）效果预测基于当前的长流程生产条件下，开展以降低能耗为目的的辅助综合喷吹技术，短期内实现减碳0.8%(30万吨/年)。

4.3.2 熔融氧化物高温电解制铁技术

（1）优点：①没有煤、焦炭等碳素原料的使用，省去了焦化、喷煤等工艺；②入炉的是铁精矿粉，省去了烧结、球团等工艺，大大简化了工艺流程；③比起高炉密集、高大的建筑群，此法占地面积小，设备简单；④不产生温室气体CO₂，在阳极产生氧气；由于没有焦炭带入硫等杂质，不会产生SO₂等有害气体，污染环境；极产出的铁水纯净度很高，便于后期处理。（2）缺点是单体产量低、电耗高等。