丁   暉

（馬鋼集團）

摘  要：在雙碳背景下，碳達峰、碳中和已經成為鋼鐵行業高質量發展的硬約束，煉鐵技術發展面臨著巨大的挑戰和機遇。為實現鋼鐵工業綠色低碳轉型，各高等院校、科研院所以及鋼鐵企業不斷研究、推廣、應用低碳技術，持續降低能耗和污染物排放，取得積極進展。本文分析了當前鋼鐵工業現狀及存在的問題，匯總了雙碳背景下煉鐵技術發展的新趨勢和關鍵技術，包括高爐節能減排技術、非高爐煉鐵技術等。

關鍵詞：雙碳目標；煉鐵技術；低碳轉型；非高爐煉鐵；碳捕獲和儲存

1  前言

力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是我們對國際社會的莊嚴承諾，也是推動高質量發展，推動實現“兩個一百年”奮斗目標的關鍵措施。當前，我國產業偏重、能源偏煤、效率偏低的發展模式仍未根本改變，降碳任務艱巨繁重。我國碳排放總量約為美國的2倍多，歐盟的3倍多，排放總量超過113億噸，約占全球的30%，實現碳中和所需碳排放減量遠高于國際發達經濟體。國內粗鋼產量占到全球粗鋼產量一半以上，且鋼鐵生產主流工藝是高爐—轉爐長流程，在我國長流程占比約90%。由于其碳基還原的特性（其能源結構見圖2，煤炭占比達到83%），鋼鐵產業碳排放占全球鋼鐵產業碳排放總量的60％以上，是全球鋼鐵行業最大的碳排放源。具體到國內來看，鋼鐵行業碳排放占全國碳排放總量的15%左右，其中高爐流程中直接排碳占60%以上，碳排放量位居制造業31個門類首位。從排放強度上看，我國鋼鐵行業2020年碳排放強度2.03tCO?/t鋼，高于世界1.8tCO?/t鋼的平均水平。

2  我國鋼鐵工業“雙碳”挑戰與機遇

2.1 我國鋼鐵工業的“雙碳”挑戰

世界正迎來以綠色低碳為特征的新—輪產業革命和技術變革，全球綠色低碳轉型創新已經成為不可逆的大趨勢。許多國家正通過征碳稅、碳排放交易或限額交易來幫助實現碳中和。據國際貨幣基金組織預測2030年全球平均碳價達75美元/噸，低碳轉型和碳金融收益預期可觀。

2023年2月歐洲議會通過歐盟碳邊境調節機制(CBAM)，將對含鋼鐵在內的進口商品征收碳稅，鋼鐵出口利潤空間將進一步壓縮。另一方面，市場對低碳鋼鐵材料提出了迫切需求。2022年8月4日，河鋼集團與寶馬集團簽署《打造綠色低碳鋼鐵供應鏈合作備忘錄》指出，從2023年中期開始，河鋼將汽車板CO?排放降低10-30%，2026年起，基于綠電和電爐等工藝，將汽車板CO?排放逐步降低95%。2022年11月22日，寶鋼與奔馳簽署《關于構建綠色鋼鐵供應鏈的合作備忘錄》，2023年逐步提供碳排放強度大幅降低的汽車用鋼，2026年起，借助氫基豎爐-電爐技術，寶鋼汽車用鋼CO?排放強度逐步降低50-80%，隨后進一步提供減碳95%的綠鋼。

如下圖4所示，歐美等發達經濟體較早實現了工業化，已實現經濟發展與碳排放脫鉤，分別于上世紀80年代和本世紀初實現“碳達峰”，而我國是世界上最大的發展中國家，仍處在工業化和現代化的推進期，能源需求還需繼續保持合理增長，碳達峰時間要到2030年。歐美等發達經濟體從“碳達峰”到“碳中和”時間長，有50~70年時間；我國從碳達峰到碳中和只有30年時間，寶武集團時間更短，僅為27年，且比國家提前10年。與歐美國等發達國家相比，我國是在人均GDP相對較低、所用時間明顯更短的情況下提出“雙碳”目標，需要付出的努力和成本遠大于這些國家。

我國鋼鐵行業當下面臨的幾項主要問題：（1）產量大，排放量大，碳排放強度全球偏高；（2）能源資源稟賦，以高爐——轉爐長流程為主，短流程占比低；（3）鋼鐵企業數量多，且結構、水平差異大；（4）碳排放機理復雜涉及能源燃燒排放、工業生產過程排放、電力和熱力消耗所對應的間接排放等多種碳排放機理；（5）碳減排目標硬約束&經濟可行降碳空間有限；（6）國家政策發展要求&行業企業技術配套不完善；（7）雙重減排壓力同時存在；（8）國家低碳政策影響與約束；（9）絕大多數鋼企處于低碳發展處級階段。

2.2 我國鋼鐵工業的“雙碳”機遇

我國鋼鐵工業已具備較強的全球競爭力，鋼鐵工業作為我國經濟的基礎性產業，經過多年的快速和全面的發展，擁有了世界上最完整、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，為國家和世界提供者豐富的、不斷升級的鋼鐵產品，是真正的國之重器，鋼鐵脊梁。在規模、技術、效益、品牌、產品、服務、管理等各個方面，綜合實力穩居世界一流方陣，是我國工業領域最具全球競爭力的重點行業之一。幾十年來，尤其是最近幾年來的中國鋼鐵實踐，走出了最短時間最高標準最大規模的超低排放綠色成長之路，積累了經驗，奠定了基礎，贏得了全世界鋼鐵同行的尊敬。鋼鐵工業“雙碳”目標的實現將為我國貫徹新發展理念、實現經濟高質量發展提供新的歷史機遇，推動經濟轉型增效，引領全球綠色低碳技術和產業革命。

3   雙碳背景下的煉鐵技術轉型方向

減少鋼鐵生產中二氧化碳排放強度的短期策略是通過提高高爐操作水平，降低高爐的消耗。改變高爐的能源結構，減少高爐對碳燃料的依賴。如下圖所示，具體可以從減少煤氣化學能、降低過程能耗、尋找碳替代品等三個途徑著手。主要方向包括：極致能效、冶金資源循環利用、低碳冶煉技術應用、負碳技術的應用等內容。

3.1極致能效

（1）技術目標以除固體燃料外能效提升20%為挑戰目標，實現噸鋼碳排放強度降低5%以上，其中，BACT應用實現噸鋼碳排放強度降低3%，界面能效提升實現噸鋼碳排放強度降低2%。（2）技術措施對標極限能耗：開發全工序理論極限和技術極限能耗模型，建成動態更新BACT庫，大力推廣應用，優化改進工藝流程、公輔系統，提高金屬收得率，顯著降低能耗。余熱余能資源化余熱資源深度回收利用：突破焦爐荒煤氣顯熱、高爐渣顯熱等高溫顯熱回收難題，充分回收燒結廢氣余熱、燒結礦顯熱、蒸汽冷凝水余熱鍋爐排污余熱、空壓機余熱、循環冷卻水余熱、燒結球團煙氣余熱等中低溫余熱資源。副產煤氣協同回收資源化：極限回收高爐、焦爐、轉爐煤氣等副產煤氣，通過產業區域協同、鋼鐵-化工聯產實現副產煤氣資源化。余壓資源充分回收利用：深度挖掘余壓資源潛力，實現高爐爐頂余壓、管網蒸汽余壓、循環冷卻水余壓等資源的高效利用。界面能效提升鐵鋼界面智能高效熱連接：通過鐵鋼界面TPC保溫、碳析出的綜合利用，開發溫降預測模型，建立智能運輸與調度，實現一對一柔性連接，降低鐵鋼界面的熱損失。

3.2 冶金資源循環利用

（1）技術目標實現廠內含鐵含碳固廢全量消納，減少噸鐵化石類固體燃料消耗10-15kg；形成全流程鋼鐵循環材料使用比例達到35%以上的成套工藝技術；掌握煉鐵使用生物質能技術，實現以生物質炭替代20%以上的高爐噴吹煤，從而減少噸鐵化石類固體燃料消耗35kg以上。通過采用以上工藝技術，實現降低噸鋼CO₂排放量15-20%。（2）技術措施①含鐵含碳固廢全量高效利用：通過開發含鐵含碳固廢分級分質預處理技術、與冶金工藝耦合的質能高效利用技術以及全過程污染物控制技術，構建含鐵含碳固廢與冶金爐窯的多維度適配模型，實現全量、高效、資源化增值利用。②鋼鐵循環材料大比例使用：通過開發高爐使用鋼鐵循環材料技術，增加鋼鐵循環材料在高爐煉鐵過程中的使用量，從而減少鐵礦石還原耗熱量，降低CO排放量。

3.3低碳冶煉技術——富氫碳循環

（1）技術目標開發碳鐵復合爐料促進高爐內的間接還原，通過富氫碳循環提升氫和碳在高爐的利用效率，同時引入綠色電能來替代部分加熱用碳基燃料，重構現有的高爐流程，實現噸鐵碳排放減量35%以上。（2）技術措施①富氫碳循環高爐通過高富氧鼓風或全氧操作來優化高爐爐頂副產煤氣的組成，使用煤氣CO?分離技術將爐頂的副產品煤氣變為高爐還原勢的煤氣和高濃度的CO? ，引入綠色電能將高還原勢煤氣加熱到較高溫度后以便高爐大量噴吹高還原勢的煤氣，實現高爐對碳循環利用、利用率達到100%；同時在碳的循環過程中混入富氫物質強化高爐富氫冶煉效果，降低高爐流程對固體燃煤的消耗。

②新型爐料將低品質煤粉和鐵礦粉按一定比例混合后，經過加熱、成型、復合反應后得到的一種金屬鐵分散在碳基體中的高爐塊狀原料。將碳鐵復合爐料與含鐵爐料一同加入高爐，改善高爐內還原動力學條件，提升爐身效率，減少燃料消耗，降低高爐CO。

③微波燒結預還原技術將不同類型鐵礦石預處理后，加熱至高溫造塊，在高溫狀態下通入氫氣進行冷卻還原，制備得 到預還原金屬化微波燒結礦，供高爐使用，從而降低高爐燃料消耗，從鐵礦石造塊、高爐煉鐵兩 個工序降低CO?排放，實現可持續發展。

3.4 低碳冶金技術——氫基豎爐

（1）技術目標開發和試驗氫基豎爐直接還原技術，以及高效水電解制氫、大能力氫氣輸運儲存技術裝備，通過氫基豎爐-電爐短流程的技術集成及應用，使噸鋼CO?排放量下降90%。（2）技術措施氫基豎爐直接還原煉鐵新工藝：以氣基豎爐工藝為基礎，研究開發可自由使用天然氣、焦爐煤氣和綠色氫氣等氫基氣體作為還原氣源的氫基豎爐直接還原工藝及技術裝備，不同的氣源比例可靈活調節，氫氣的比例最高可達到100%。

開發和試驗可供大型氫基豎爐使用的大規模、高效率、低成本制氫技術及其裝備，研究和試驗大容量氣態儲氫裝置和管道長距離大流量氫氣輸送技術。建設光伏發電、風電設施及模塊化組合的水電解制氫規?；囼炑b置，生產綠色氫氣，并用大容量儲罐存儲。配套建設氫氣輸送管道，向氫基豎爐儲氫罐供氫。通過示范工程試驗，掌握全流程的制氫一儲氫一輸氫—全氫冶金技術和設備。

3.5  負碳技術——碳回收及利用

（1）技術目標實現冶金煤氣CO?捕集和凈化工藝的大規模應用，規模化應用CO?驅油、制備燃料或化工產品的相關技術，打造CO?資源化產業集群，形成每年可以捕集利用1000萬噸以上CO?資源產業平臺。（2）技術措施冶金煤氣CO?分離回收：開展冶金煤氣分離CO?技術研究，識別不同CO?捕集方法的適用性，選擇不同冶金煤氣的適宜的捕集工藝。開發低能耗低消耗的CO?吸附和脫附過程捕集劑，降低工藝過程生產能耗從而進一步降低CO?回收分離的成本。CO?制備清潔燃料或有機原料：開展CO?壓縮與氫氣混合制甲醇裝置放大的技術研究，開發新型高效催化劑，提高制甲醇的反應效率。開展生物發酵法冶金煤氣制備乙醇技術研究，通過反應器的規?；糯螅磻笪锪系奶峒兡芎慕档?，廢水提質利用及循環 使用研究技術開發應用，形成規模化冶金煤氣綠色乙醇制備技術。

4  馬鋼低碳煉鐵技術路徑的研討與實踐

4.1 高爐低碳化煉鐵技術思路

4.2 高爐低碳化煉鐵技術

4.2.1 高爐低碳比冶煉技術

寶武系大型高爐中，先進高爐的焦比≤335kg/t、燃料比≤495kg/t。馬鋼高爐燃料比與之相差不大，但焦比相差較多。2020年馬鋼A號高爐煙煤比例41.4%。提高1%的煙煤比例，可降低入爐煤粉碳0.18%。提煤比(煙煤)降焦比，降總燃料比，降低高爐入爐總碳量，從而降低碳排放。如以煤比155kg/t鐵，在性價比可許的范圍內煙煤比例由41.1%提高到47.1%，則全廠每年可減少入爐碳量2.7萬噸，從而降低高爐CO?排放量10萬噸/a。

4.2.2 高爐風口混合噴吹富氫燃料

在對高爐煉鐵工藝流程不做大的改變的前提下，實現低碳化冶煉的關鍵是尋找碳的替代品。從高爐中碳的作用來看，發熱劑和還原劑是其主要作用，因此氫元素被認為是碳的  最佳替代元素。研究表明氫還原由10%增加到20%，則高爐直接還原由30%下降到20%。目前對高爐風口混合噴吹的富氫燃料主要有以下兩種方式：固體富氫燃料主要是城市固廢塑料制品和橡膠制品：塑料制品和橡膠制品在燃燒時都產生氫和一氧化碳，可以有效的替代煤粉作為高爐的發熱劑和還原劑。城市每天都會產生大量的固廢，處理難度大。這項技術在寶鋼已進行過短期的工業試驗證明技術上是行得通的，最大的問題是這些固廢收集、制粒以及資源的充足供應。氣體富氫燃料主要為天然氣和焦爐煤氣：氣體燃料噴吹相對簡單，但由于天然氣和焦爐煤氣都是國民經濟重要的能源，從資源上看，可持續性存在問題。效果預測在城市垃圾分類和報廢汽車等主要橡膠制品拆解產業化的前提下，通過尋求政府支持，相對來說，噴吹固體富氫燃料的可能性更大一些。

4.2.3富氫碳循環高爐煉鐵技術

高爐減碳從當前的生產來看，降低過程耗能和提高煤氣利用率已趨極限，只能通過煤氣化學能返回利用減少煤氣化學能，使用氫(還原)和電(加熱)替代。以富氫碳循環為手段，以降低高爐還原劑比為方向，重構高爐流程，最大程度利用碳和氫的化學能，使用綠色能源取代碳加熱，實現高爐大幅減碳。理論上，富氫碳循環高爐冶煉技術能夠實現高爐煉鐵42%的減碳。八鋼430m³高爐第二階段實驗已完成，設備改造后開展第三階段實驗。準備實施全氧生產。

4.3 其它低碳化煉鐵技術

燒結CO?排放約291kg/噸鋼，燒結廢氣SO? 、NO_x和二噁英排放量分別占鋼鐵總排放量的60%、50%和90%以上。基于傳統的燒結工藝流程，難以實現均熱均質燒結，降低燃料消耗和提高燒結礦質量的空間有限。

4.3.1 燒結料面輔助噴吹降碳技術

（1）技術措施①料面噴加可燃煤氣，減少化石能源碳消耗量燒結料層上部料層保持最高燒結溫度，從而提高能效(產質量提升)及減少CO?排放。燒結礦質量提高，促進高爐低燃料比運行，進一步降低碳消耗，減排。②料面噴加蒸汽，提高過程能效減排燒結料面適宜的蒸汽噴吹，通過提高碳的燃燒效率減少碳消耗，可起到CO?減排和改善燒結礦質量的綜合效果。（2）效果預測基于當前的長流程生產條件下，開展以降低能耗為目的的輔助綜合噴吹技術，短期內實現減碳0.8%(30萬噸/年)。

4.3.2 熔融氧化物高溫電解制鐵技術

（1）優點：①沒有煤、焦炭等碳素原料的使用，省去了焦化、噴煤等工藝；②入爐的是鐵精礦粉，省去了燒結、球團等工藝，大大簡化了工藝流程；③比起高爐密集、高大的建筑群，此法占地面積小，設備簡單；④不產生溫室氣體CO?，在陽極產生氧氣；由于沒有焦炭帶入硫等雜質，不會產生SO?等有害氣體，污染環境；極產出的鐵水純凈度很高，便于后期處理。（2）缺點是單體產量低、電耗高等。