绿色炼钢：为地球降温革新钢铁工业

自工业革命以来，地球年平均气温持续上升。主要原因是燃烧化石燃料增加大气中二氧化碳（CO₂）排放。工业革命前大气中CO₂浓度为280 ppm（0.028%），2019年初已升至约413 ppm（0.0413%）。图1展示过去80万年地球年温升和CO₂浓度变化。大气CO₂数据由美国国家海洋大气管理局（NOAA）提供。因无直接测量，相关信息源自欧洲南极冰芯钻探计划（EPICA）冰芯推导。

图1 全球变暖发生情况

全球变暖实为"好事过头"。无大气层地表几乎冻结。阳光进入大气层，被海洋大陆吸收升温。大量热量以高能红外光形式辐射回太空。此时"温室气体"发挥作用。这些气体主要含水蒸气、CO₂、甲烷，与红外光相互作用阻止其逸出大气层。结果发生"好事"——大气保留热量。只是过度变暖效应使大气过热，产生负面影响。

图1显示工业革命以来大气CO₂从280 ppm升至413 ppm。碳测年显示这与燃烧化石燃料（煤、油、天然气）相关。同期全球平均气温上升约1°C。虽1°C看似不高，但据信进一步升温将带来严重后果：海冰消失、冰川退缩导致海平面上升，当前平均每年3.3毫米。为避免气候变化恶果，全球变暖需控制在2°C以下。

钢铁行业的碳排放挑战

钢铁行业是全球化石和工业排放总量最大单一行业，占温室气体（GHG）排放7%-9%。它是最大工业排放源，目前担负约8%全球最终能源需求。故成为政府重点关注对象。另一方面，钢铁对现代经济至关重要，全球钢铁需求预期将增长以满足不断上升的社会经济福利需求。它也是清洁能源转型关键投入。发电和用电部分依赖钢及其合金的铁磁性。钢是风力涡轮机、输配电基础设施、水电和核电站等关键能源资产的关键投入材料。

在助力清洁能源转型同时，钢铁也是世界面临实现气候目标挑战的大贡献者。行业直接CO₂排放约26亿吨/年（Gt CO₂/年），约占工业CO₂排放四分之一，因高度依赖煤和焦炭作燃料和还原剂。另有11亿吨CO₂排放归因于利用炉外煤气等燃料发电和进口热能。

当前初级炼钢高度依赖煤炭、长寿命资本资产、行业暴露于国际贸易和竞争，使向近零CO₂排放转型极具挑战。因此该行业常被称为"难以减排"行业之一。

满足钢铁产品需求给钢铁行业带来挑战：在保持竞争力的同时寻求更可持续路径。因此钢铁生产商有重大责任减少能耗和温室气体排放，开发更可持续产品，通过创新、低碳技术部署、资源效率增强竞争力。

近期研究估计，若无法减少环境影响，全球钢铁行业约14%组织潜在价值面临风险。因此脱碳必须是保持经济竞争力和保留行业经营许可的首要任务。此外，10-15年长投资周期、数十亿融资需求、有限供应商产能使此问题更相关，并为应对脱碳挑战锁定巨大前置时间。

钢铁行业认识到需长期解决方案应对炼钢过程CO₂排放。结果行业在改善能耗和减少CO₂排放方面高度主动。能效提升使大多数主要产钢国自1975年以来单吨粗钢生产能耗降低约50%。通过最大限度利用最先进技术进一步改善能效。

绿色炼钢技术路径

绿色炼钢包含导致CO₂排放减少的工艺。绿色炼钢工艺开发在欧盟、美国、加拿大、巴西、日本、韩国、澳大利亚、中国进行。为开发绿色炼钢技术，正探索五大关键方向：(i)涉及煤使用技术，(ii)涉及氢使用技术，(iii)涉及电子技术，(iv)涉及生物质使用技术，(v)涉及碳捕集、利用和/或封存（CCUS）技术。矿基炼钢路线削减CO₂排放突破技术路径见图2。

图2 绿色炼钢突破技术路径

欧盟ULCOS计划

欧盟在ULCOS（超低CO₂炼钢）计划下开发突破技术。开发工作包括：(i)带CCUS的"炉顶煤气循环高炉"（TGR-BF），(ii)带CCUS的HIsarna熔融还原工艺，(iii)带CCUS的ULCORED新型直接还原（DR）概念，(iv)电解法。此外ULCOS还研究可持续生物质碳利用及氢基炼钢。

美国公私合作项目

美国通过美国钢铁协会（AISI）与能源部（DOE）、工业技术办公室"公私合作"开展开发。两项目代表重大步骤：(i)铁氧化物精矿悬浮氢还原，(ii)熔融氧化物电解（MOE）。近期AISI成员开发"双直炉"，煤基DRI和熔融金属工艺，长远替代高炉和焦炉。

日本COURSE50计划

日本在COURSE50计划下开展开发，涉及六家钢铁工程组织、日本铁钢联盟、新能源产业技术综合开发机构。研发目标：(i)用其他还原剂（氢）还原高炉铁矿石减少CO₂排放，(ii)利用废热重整焦炉煤气提高氢含量，(iii)高强高反应性焦炭用于氢还原。也开发高炉煤气CO₂捕集：(i)化学物理吸收捕集分离回收CO₂，(ii)利用钢厂废热降低捕集分离回收能耗。

韩国开发路线

韩国涉及浦项制铁（POSCO）、RIST、POSLAB、POSTECH开发。确定三条有望CO₂突破路线：(i)低碳炼钢——低碳FINEX工艺、热烧结矿预还原和余热回收；(ii)炼钢碳捕集封存——氨溶液CO₂吸收、海洋气田CO₂封存；(iii)氢基炼钢——FINEX工艺氢富集合成气还原铁矿石、氢富集高炉工艺。

新兴减排技术分类

炼钢过程中减少或消除碳排放的新兴技术可分两大类：(i)碳捕集、利用和/或封存（CCUS），(ii)铁矿石替代还原。CCUS采用不同方法捕集CO₂排放，或封存（如地质构造枯竭海底气藏），或处理排放供后续利用。单独CCUS无法实现碳中和。但若炼钢用化石燃料被生物质替代，可达成负碳平衡。

第二类潜在技术涉及用替代还原剂替代焦炭或天然气还原铁矿石。包括氢和直流电。优势是理论上可使炼钢完全绿色。但多数可能比CCUS需更多时间和资金建立。

下文讨论最有前景的新CCUS和替代还原技术及氢基直接还原技术。

CCUS技术

这些技术中，运行过程排放的CO₂从其他气体中分离捕集。捕集CO₂通过管道输送或船运至陆上/海上储存地或利用。CCUS工艺包括燃烧后/燃烧前捕集、压缩、输送、封存/利用。图3展示简化高炉-转炉（BF-BOF）炼钢路线CCUS方案。

图3 简化BF-BOF路线CCUS方案

主要优势：CCUS系统可相当容易集成到现有常规棕地工厂。且技术非炼钢特有，其他行业可共享开发和基础设施成本。未来运营成本基本可预测。

主要劣势：CCUS非完全碳中和，单纯碳捕集过程仅捕集约90% CO₂。其他挑战：公众对碳封存接受度不确定，使先行者处于劣势。目前除少量陆上封存地点，海洋提供唯一适合大规模封存地点，需巨大运输努力。此外排放利用也须确保后续过程无碳释放才能碳中和。CCUS设备增加维护负担和停机时间，显著影响运营成本。

一些处理排放如CO₂制合成燃料的试点项目已启动。但目前非碳中和，因CO₂后期仍排放。

带CCUS的生物质基炼铁

这些技术基本思路：碳中性生物质部分替代化石燃料用于预处理或作铁矿石还原剂。例子：原始生物质（生物藻、草、木材等）制碳富集"炭"生产替代焦炭，或沼气注入竖炉替代天然气。基于这些技术工艺包括热解和水热碳化。CCUS系统处理剩余碳排放。

单独生物质可削减40%-60% CO₂排放，结合CCUS可实现碳中性炼钢。短期内生物质是化石燃料即时部分替代，允许现有工厂快速减排。排放CO₂也可经CCUS循环利用生产新生物质。

然而生物质种植困难。环境上可导致森林砍伐、污染、生物多样性减少，社会上影响粮价和农地利用。故政治社会接受度高风险。此外生物质热值低于化石燃料，限制大高炉应用或降低效率。因高含水量，也可能过重不适用大高炉。

瑞典研究集团SWEREA在吕勒奥SSAB钢厂研究发现生物质基炼铁潜在可减少28% CO₂排放。

氢基竖炉直接还原铁

该工艺用氢气替代重整天然气等碳还原剂，在竖炉中还原铁矿球团生产"直接还原铁"（DRI或海绵铁）。产出DRI送入电弧炉，加入碳进一步加工成钢。DRI也可作"热压块铁"（HBI）形式送入高炉，显著提高高炉效率、减少焦炭消耗。最常见类似工艺技术为Midrex和Energiron工艺。

氢基还原中，铁矿石通过气固反应还原，类似DRI生产路线。唯一区别是还原剂为纯氢而非一氧化碳、合成气或焦炭。氢还原铁矿石分两三阶段。570°C以上：赤铁矿（Fe₂O₃）先转磁铁矿（Fe₃O₄），再转针铁矿（FeₓO），最后成金属铁；570°C以下：磁铁矿直接转铁，因针铁矿热力学不稳定。

氢还原铁矿石反应方程：(i) 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O，(ii) xFe₃O₄ + (4x-3)H₂ = 3FeₓO + (4x-3)H₂O，(iii) FeₓO + H₂ = xFe + H₂O，x=0.95。这些反应表明氢还原铁矿石释放无害水蒸气（H₂O）而非温室气体CO₂。赤铁矿氢还原总反应：Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O，为吸热反应，298°C时反应热ΔH=95.8 kJ/mol，对过程能量平衡为负，需随注入还原气/气混合物补充能量。生产线开发重点在于还原温度、反应动力学、球团成分、还原气预热技术优化。

还原赤铁矿（Fe₂O₃）化学计量氢耗量为54 kg/t铁。故年产100万吨钢厂需氢气厂产能达70,000 m³/h（标准温压STP）。氢作还原气时，重要预判反应器行为变化，相比氢-一氧化碳混合还原气反应器。多因子可不同方式相互作用：动力学、热力学、传热、煤气流动。

若完全用绿色电力，该工艺使整个初级炼钢路线碳中和且无化石燃料。其他优势：高生产灵活性，易启停，小单元技术能力实现更大规模性。此外能将DRI作HBI送入高炉-转炉炼钢系统，意味着现有常规棕地工厂可用于同时提升竖炉/电弧炉生产。图4展示氢基竖炉直接还原铁。

图4 氢基竖炉直接还原铁

HYBRIT工艺

HYBRIT工艺用氢基竖炉生产DRI。HYBRIT即"氢突破炼铁技术"（HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology）。2016年4月4日，瑞典三公司——SSAB、LKAB、Vattenfall AB启动项目，调查以无CO₂排放电力为主要能源的H₂基DRI生产工艺可行性。成立合资公司HYBRIT Development AB，三公司为所有者。获得从能源生产、采矿、选矿球团、直接还原、熔化、粗钢生产全价值链顶尖能力。2017年开展H₂基直接还原预可行性研究。研究结论：提议工艺路线技术可行，考虑未来CO₂排放和电力成本趋势，在瑞典/芬兰北部条件下也具经济吸引力。

HYBRIT工艺以氢替代煤直接还原铁，结合电弧炉。工艺近乎完全无化石燃料，大幅减少温室气体排放。该工艺属多个采用氢直接还原/电弧炉装备的倡议之一，结合氢还原铁矿石与电弧炉进一步加工成钢。氢直接还原产品为DRI或海绵铁，送入电弧炉混合适量废钢进一步加工成钢。

HYBRIT生产工艺原理流程图见图5。工艺主要特征：(i)球团生产用非化石燃料，(ii)用无化石电力电解产氢，(iii)专用储氢单元作电网缓冲，(iv)竖炉还原铁矿石，(v)定制球团作铁矿原料，(vi)还原气/气混合物注入竖炉前预热，(vii)产品为无碳或渗碳DRI或HBI，(viii)DRI/HBI与再生废钢在电弧炉共熔。

图5 HYBRIT生产工艺原理流程图

用无化石电力电解水产氢还原竖炉铁矿球团是HYBRIT倡议选择的主要替代方案。该倡议下从矿山到成品钢的无化石价值链转型包含许多待开发问题，也考虑当地市场和地理条件。瑞典独特情况：北部电力过剩、邻近铁矿、良好生物质获取和钢厂、产学研强网络。

HYBRIT工艺属更接近商业部署技术概念类别。基于可再生电力电解产氢作还原剂。环境角度最重要优势：工艺排气为水（H₂O）而非CO₂，大幅减少GHG排放。同常规DRI炼钢一样，氢基DRI路线产铁可用商业电弧炉技术进一步加工成钢。氢生产和电弧炉炼钢步骤若用可再生能源（光伏/风/水电解、光化学制氢、光热裂水）可实现碳自由。

氢基流化床直接还原铁

同竖炉版本，此技术用氢还原铁矿石产DRI送入电弧炉。区别：还原在流化床而非炉内发生，用精细加工铁矿精矿/精粉替代球团。流化床反应器可连续混合固体原料与气体生成固体。类似工艺为FINEX和Circored。

用精矿代替球团优势：省去球团化成本和高CO₂排放。此外流化床反应器内部粘连问题比竖炉少，实现更高冶金度（约90%-95%）。

该工艺共享氢供应、电解槽、运营成本等竖炉法相同问题。电力供应也须100%绿色达成碳中性。此外流化床反应器炼钢应用不如竖炉发达，需更高投资。图6展示氢基流化床直接还原铁。

图6 氢基流化床直接还原铁

HYFOR工艺

氢基精矿直接还原（HYFOR）是世界首个无需烧结或球团等材料预处理直接还原铁矿选矿精矿工艺。降低CAPEX和OPEX成本。可处理多种矿石，如赤铁矿和磁铁矿。

HYFOR由Primetals Technologies开发。新技术适用所有选矿矿石类型。原料粒度<0.15 mm占100%，最大粒度0.5 mm。因颗粒表面积大，工艺在低温低压下实现高还原率。

主要还原剂用氢。氢可来自可再生能源，或天然气热解、常规蒸汽重整等其他气源氢富集气体。另一选择，HYFOR可用氢富集废气运行。视氢源不同，所得DRI可达低甚至零CO₂排放。

2021年4月奥地利福斯塔尔pine唐纳维茨钢厂试点厂投运。模块化设计，单模块额定产能25万吨/年，适用所有规模钢厂。试点厂旨在为突破工艺提供实践证据，作为测试设施收集足够数据为后续工业规模工厂建立基础。

2021年4月和5月首批测试成功执行。单次测试处理约800 kg铁矿石。假设运行平稳，HYFOR试点厂将运行至少2年多批次测试各种矿型并评估下一步放大最优工艺参数。将增加热压块单元验证热压块步骤及HYFOR技术预期HBI质量。

HYFOR工艺大幅减少CO₂排放，助力生产商有效应对铁矿石质量下降挑战（近期更严峻，导致选矿需求增加）。球团需求上升推高铁矿石价格，特别是球团溢价。HYFOR工艺可直接使用球团级精矿，受益于全球超细矿供应增加。

福斯塔尔pine唐纳维茨HYFOR试点厂含三部分：(i)预热氧化单元，(ii)煤气处理厂，(iii)核心新型独特还原单元。预热氧化单元中精矿加热至约900°C送入还原单元。还原气为100%氢，由厂外气体供应商供应。利用烟气余热回收系统确保最优能源利用，干式除尘系统处理工艺粉尘排放。热直接还原铁（HDRI）以约600°C离开还原单元，冷却后从HYFOR试点厂排出。

约600°C离开还原单元的热直接还原铁可后续直接输送入电弧炉或生产热压块铁。热压块铁供市场。下一步将增加热压块测试设施测试热压块铁特性。

HYFOR试点厂目标：验证突破工艺，作为测试设施提供数据基础，为下一开发步骤放大至工业规模原型厂。

悬浮基炼铁

悬浮基炼铁又称"闪速炼铁技术"。工艺始于低品位铁矿石超细磨制产生铁矿精矿。铁矿石磨至<100微米颗粒。超细粉在高温"闪速"反应器中用氢还原仅几秒，加碳直接产铁。铁矿精矿也可在单独反应器低温预还原后加入闪速反应器。图7展示悬浮基炼铁原理。

图7 悬浮基炼铁原理

闪速炼铁变革技术由美国组织机构联盟在AISI资助下开发。技术基于铁氧化物精矿闪速还原过程直接气体还原。与平均现有高炉操作相比，该技术潜在降低32%-57%能耗、61%-96% CO₂排放。适用于将铁矿精矿（<100微米）转钢无需进一步处理的工业操作。

该技术绕过球团化/烧结及焦炭制备步骤直接产铁。此外工艺强化因精矿细颗粒在1150-1350°C快速还原。故工艺所需停留时间为秒级而非球团甚至铁矿精粉所需分钟小时级。1200-1500°C下2-7秒实现90%-99%还原。H₂作还原气工艺能耗5.7 GJ（1360 Mcal）/t铁液。

单反应器直接还原铁矿石成钢消除炼铁和烧结/球团化需求。有显著成本排放效益。高温快速反应确保杂质更少产出"更洁净"钢。

H₂作还原气CO₂排放0.04 t CO₂/t铁液。仅为高炉炼铁路线排放2.5%。闪速铁过程在足够高温进行，使单个颗粒有足够能量封闭除氧产生的气孔。故单个颗粒远不易因快速氧化着火。犹他大学对小粉末样品研究确定其非自燃性。

工艺应用于生产炼钢原料铁或连续直接炼钢过程一部分。由项目前期实验数据证实，犹他大学正进行放大开发。实验室闪速炉测试建立宽工况范围动力学数据库和更先进台式反应器完整设计。为开发工业可行闪速炼铁技术，计划全面台式测试活动。此阶段交付物：确定工艺可放大性、实质性工艺模拟结果、通向工业试点厂设计建设的基础工程数据。闪速炼铁技术流程图见图8。

图8 闪速炼铁技术流程图

等离子体直接炼钢

等离子体直接炼钢工艺中，铁矿石（原矿、精粉或球团形式）在等离子体炼钢反应器中用氢等离子体还原。同时向反应器加碳产钢。氢等离子体为氢气加热或电离分离/电离成组分粒子。工艺可用热等离子体（直接加热氢产生）或非热等离子体（直流或微波通过氢产生）。

工艺消除铁矿石预处理需求，允许更低反应器温度。高度集成，某些方法（如氢等离子体熔融还原）仅需单步。使其商业吸引力大。技术潜在大幅降低成本。也提供更高产品质量和更好生产灵活性。

技术处于极早期开发阶段，最优工艺和完整反应器设计尚待开发。商业可行性仍待证明。作为可持续钢铁（SuSteel）项目一部分，奥地利钢企福斯塔尔pine在唐纳维茨建小型氢等离子体还原反应器试点。等离子体直接炼钢工艺见图9。

图9 等离子体直接炼钢工艺

电解工艺

两类电解工艺：(i)电解，(ii)电积。ULCOS计划名为ULCOWIN和ULCOLYSIS。ULCOWIN在约100°C以上碱性水溶液中含小矿粒运行。工艺将铁矿石磨成超细精矿、浸出后在约110°C电解槽还原。产出铁板送入电弧炉成钢。ULCOLYSIS在炼钢温度（约1550°C）用渣制熔盐电解质（熔融氧化物电解）运行。此工艺用电作还原剂将铁矿石转液态钢。图10展示钢生产电解工艺。

图10 钢生产电解工艺

电解工艺在ULCOS计划从头开发，仍处实验室规模。虽承诺零排放（若获绿色电力），但需10-20年放大至商业规模。ULCOWIN为铁矿石碱性电解。电解常用于生产非钢金属，需大量电力。工艺须依赖低CO₂电源如可再生能源、水电、核电。ULCOLYSIS为熔融氧化物电解。熔融氧化物电解通过电流通过喂入氧化铁熔渣工作。氧化铁分解成液态铁和氧气。不产生CO₂。配低CO₂电源进一步减少过程排放。

因电解工艺跳过其他生产路线所需上游阶段（如生产焦炭或H₂还原剂），这些工艺有潜力成为最节能炼钢技术，特别是电解。也承诺显著降低CAPEX，因电解仅需极少设备。工艺相对氢直接还原工艺不灵活，因难以轻易停止。