ULCOS计划：引领超低碳排放钢铁生产革命

超低二氧化碳炼钢——ULCOS计划

全球钢铁行业在25多年前已将气候变化视为重大环境挑战。早在政府间气候变化专门委员会（IPCC）2007年发布调查结果前，主要钢铁生产商就认识到需要长期解决方案应对炼钢过程中的二氧化碳（CO₂）排放。

钢铁行业高度主动改善能耗、减少温室气体（GHG）排放。与世界钢铁业最相关的温室气体是二氧化碳（CO₂）。据世界钢铁协会（WSA），平均每生产1吨钢排放1.8吨CO₂。据国际能源署（IEA），2010年钢铁行业约占全球CO₂总排放量6.7%。

现有技术极限与突破需求

目前每吨粗钢CO₂排放较过去降低约50%，气候影响大幅减少。最佳钢厂已接近现有炼钢技术热力学极限，意味着能效提升空间有限。大部分主要节能已实现，现有技术无法实现CO₂大幅进一步减排。

进一步降低GHG排放意味着引入突破性技术。将CO₂排放降至后京都议定书政策要求水平需“跳出框架”思维，因面临特定挑战。无现成简单工艺实现此目标。必须构想炼钢方式的深层范式转换，设计开发相应突破技术。政府和国际组织要求的减排幅度，要求发明实施激进新生产技术。

ULCOS计划背景与目标

ULCOS（超低CO₂炼钢）计划正是此背景下诞生的欧洲合作研发倡议，2004年因京都议定书启动。ULCOS寻求钢铁生产CO₂排放进一步大幅削减路径。核心目标：探索突破性工艺路线，未来完全成熟时能展示从铁矿石炼钢大幅削减CO₂排放潜力。目标较当今生产技术减排至少50%。实现此雄心目标需改变全球钢厂现有运行模式的范式转换。ULCOS是全球钢铁业主动寻找大幅减排技术的全球性计划欧洲部分，旨在探寻最可持续炼钢方式。

合作伙伴与资金

ULCOS成员为48家欧洲企业和组织联盟，覆盖15国，含所有主要欧盟钢企、能源工程合作伙伴、研究院所和大学，获欧盟委员会支持。ULCOS虽为欧洲计划，却是全球钢铁业主动应对全球变暖威胁的最大规模努力。联盟专长涵盖炼钢、生物质生产、地质CO₂封存、工艺工程、能源经济、气候变化前瞻研究。

ULCOS现为全球钢铁业主动应对全球变暖最大倡议。合作伙伴出资60%，预算7500万欧元。欧委会通过RTD（研发技术开发）框架计划和RFCS（煤炭钢铁研究基金）计划出资40%，旨在促进欧洲工业研发技术发展。

三大低碳工艺路径

现有炼钢技术基于煤（以碳为主）、天然气（碳氢混合）和废钢电弧炉。识别低碳工艺路径三大可能路径：(i) 脱碳——远离煤炭，用氢或电力替代碳，如氢还原或铁矿石电解；(ii) 引入CCS（碳捕集封存）和矿物碳酸化技术；(iii) 利用可持续生物质。

ULCOS四阶段实施路线图

ULCOS面对钢铁业与社会长期复杂挑战，四阶段：(i) 工艺概念构建，(ii) 大规模示范，(iii) 首座商业化工厂大规模试验，(iv) 技术在欧洲及全球部署。ULCOS从研究倡议转为示范倡议。

筛选与聚焦

2004启动以来开展大量研究。初期4-5年可行性研究用建模和实验室方法评估80余技术/概念路线的CO₂排放、能耗、炼钢运行成本和可持续性潜力。多概念并行研究。ULCOS最终选定以下工艺路线大类进一步研究并放大至商业实施规模：

• 顶部煤气循环高炉（TGR-BF）：高炉顶煤气经CO₂捕集后，剩余还原气体重新喷吹至炉底，且高炉用纯氧代替热风（空气）运行。富CO₂气流送封存（CCS技术）。
• HIsarna熔融还原工艺：结合热旋风炉和浴熔炉，融合HIsmelt技术特征。亦用纯氧，生成炉外气体近乎可直接封存（CCS技术）。
• ULCORED直接还原工艺：竖炉生产DRI（直接还原铁），原料为天然气或煤气化气。竖炉顶煤气经CO₂捕集后循环回工艺，浓缩CO₂流送封存（CCS技术）。
• 两种电解工艺变体：ULCOWIN和ULCOLYSIS。ULCOWIN在略高于100℃碱性水溶液中含细小矿粒运行（电解沉积工艺）。ULCOLYSIS在炼钢温度下用熔盐电解质（熔渣）运行（熔融氧化物电解）。
• 另外两个选项：一是氢直接还原（若无碳足迹氢源可用）；二是可持续生物质，首个实施形式为热带国家桉树可持续种植园生产木炭。

ULCOS新技术中CCS和矿物碳酸化应用也被评估。CCS从一开始被确认为强力方案。矿物碳酸化仅能带来适度但重要的总体减排。

ULCOS考察开发工艺示意

图1 ULCOS考察开发工艺

第二阶段：四大核心概念工厂验证

ULCOS现选定四大经实验验证的工艺概念——可较当前最佳实践减排50%以上——正在第二阶段于运行钢厂实施。第二阶段成果有望15-20年后推广至生产工厂。四大概念：(i) 重构高炉将CCS融入工艺核心，(ii) 具备CCS能力的熔融还原，(iii) 大规模使用天然气采用比今天更低碳技术，(iv) 氢冶金与铁矿石电解。

TGR-BF：近期最具前景方案

TGR-BF近期最有前景，因现有高炉可改造适配新技术，可控制切换突破技术所需巨额资本支出。工艺原理带来节能：CO₂捕集和净化气体循环置换高温化学平衡（布杜安反应），使焦炭煤在高炉内利用效率高于常规操作，部分平衡捕集封存额外成本。TGR-BF核心概念为氧气操作下的工艺内CO₂捕集。氧气部分类似氧燃料操作但不完全相同。循环部分原创，是获得节能和运行成本降低关键。已在瑞典吕勒奥大型实验室高炉大规模测试，结果积极。

ULCORED：天然气可用区的优选

有天然气供应时，ULCORED工艺路线极具吸引力。应用于ULCORED概念类似TGR-BF，含纯氧使用和工艺内竖炉顶煤气循环，另含移相反应器串联等特征。为验证概念，拟由ULCOS合作伙伴LKAB在未来几年于吕勒奥建设1吨/小时中试装置。

HIsarna：绿地钢厂新选项

HIsarna工艺开发将在未来几年成为绿地钢厂可用选项。HIsarna与TGR-BF、ULCORED不同，无气体循环回路。熔炉煤气在旋风炉层面氧化，伴随燃烧预热熔化矿石，部分还原同步进行。气流与铁流逆流，化学能充分耗尽。8吨/小时中试装置已在ULCOS期间建成测试。2011年4月启动。首战役2011.4.18-6.11运行，四次启动，首次失败，后三次成功。喷吹率达产能60%。运行数据显示工艺符合预期，但需更多运行小时确认。运行小时低于预期。第二战役2012.10.16启动，至2012年11月底。

电解工艺：零排放终极愿景

电解工艺在ULCOS中从零开发，仍处实验室规模。若获绿色电力，承诺零排放，但放大至商业规模需10-20年。ULCOWIN为碱性电解铁矿石。电解常用于生产非钢金属，需大量电力。工艺依赖低碳电源如水电或核电。ULCOLYSIS为熔融氧化物电解。电流通过加入氧化铁的熔渣，氧化铁分解为液铁和氧气，无CO₂产生。低碳电源可进一步降低工艺排放。

氢冶金与生物质路径

氢冶金在高温（>1300℃）极短反应时间下由铁矿石还原铁，零CO₂排放，但制氢需大量低碳电力。亦可用天然气等低碳燃料运行。

氢冶金高度依赖绿氢供应；木炭远离产地使用需跨洲复杂物流和重型基建。

长期倡议的风险与决心

ULCOS是钢铁业长期倡议，充满希望亦暗藏风险陷阱，类似其他行业经历。风险源于问题复杂性，要求在极短时间约束下开发实施突破技术。耐心、支持、诚意和持续决心是计划成就钢铁业成功倡议、实现多数目标的必要条件。