《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