“双碳”路上，技术创新蹄疾步稳

“对比来看，虽然基于二氧化碳在线裂解的炼铁过程闭环脱碳技术与生物质制氢等工艺的成本差不多，但是二氧化碳排放水平更低。”

“废钢主要用于电炉工艺流程，而电炉工艺流程会带来高氮的问题。如何在这一过程中把氮的含量降下来？与之相关的基础研究和关键技术有待钢铁行业突破。”

“基于二氧化碳在线裂解的炼铁过程中的闭环脱碳技术是一项非常新的技术，有潜力克服钢铁行业推进低碳绿色转型面临的一系列挑战。”

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10月份的上海，清冽的空气里涌动着人潮拥挤的热浪。第十二届中国国际钢铁大会暨2023年全球低碳冶金创新论坛于10月15日在中国宝武钢铁会博中心举办，吸引了众多行业专家、学者。在当日下午举行的“全球低碳冶金技术进展”主题论坛上，北京科技大学教授、中国工程院院士毛新平，英国伯明翰大学教授、英国皇家工程学院院士丁玉龙，中国香港城市大学教授、加拿大工程学院院士徐春保，中南大学教授、中国工程院院士姜涛，围绕钢铁绿色低碳转型技术分别做主题报告，并与与会嘉宾分享了各自在低碳冶金技术研究方面取得的进展，共探钢铁行业绿色发展新未来。

我国钢铁原料绿色化面临挑战

1、新减碳技术研发需加速

“我国钢铁原料绿色化面临挑战。首先，我国目前钢铁生产原料以原生铁矿为主，废钢占比很低。去年，中国钢铁行业总共消耗了14.3亿吨铁矿石，包括进口矿和自产矿，而废钢的消耗量仅为2.3亿吨。其次，中国钢铁工业主要以长流程为主，主要有烧结矿和球团矿两种炉料。相比烧结矿，球团矿是一种绿色化的清洁炉料。然而，我国使用烧结矿和球团矿的比例非常不平衡，在我们炼铁目前使用的炉料中，烧结矿占比约为75%，球团矿占比不到20%。最后，我国使用的铁矿石品位比国外低3个百分点~5个百分点，从2000年到现在，中国钢铁生产平均烧结矿铁品位降了两个百分点以上。我国钢铁工业在炉料绿色化加工技术方面还不够成熟，存在炉料品种单一、烧结工艺废气排放量大、脱硫脱硝副产物量大和难利用等问题。在废钢资源利用方面，我国尚未形成完整的产业链和完善的技术体系，存在废钢回收利用率低、入炉废钢品质差等问题。”姜涛在做《“双碳”背景下钢铁炉料绿色化问题的思考》主题报告时如是表示。

他认为，随着中国钢铁产业进一步发展，废钢资源、氢能、电力等支撑条件逐步完善，能源转型和工艺流程结构调整是必然趋势。低碳发展在一定程度上会加快流程结构的调整，钢铁冶炼炉料的绿色化转型势在必行。在此背景下，我国钢铁工业目前围绕提升铁矿石原料品质、研发先进炉料制备加工技术、建立完整废钢加工利用技术体系等还需多做努力。

“再生钢铁原料的高质化利用问题值得行业关注。”毛新平在做《钢铁工业碳中和的思考》主题报告时指出，“再生钢铁原料就是俗称的废钢。废钢一直都在用，为什么今天要把这个话题提出来？过去，我们习惯用废钢生产一般性产品，对于残余元素含量等要求不高。针对多余部分残余元素含量超标的情况，我们通常通过配料等方式稀释后使用。今后，废钢将成为钢铁行业的主要原料之一，用量会越来越大。再生钢铁原料大量的残余元素和产品的高质量化之间存在矛盾，一系列的科学问题和关键技术问题有待进一步解决。”

“钢铁工业有很多方案可以推动实现低碳转型，包括使用废钢、减少钢铁需求。实际上，这两种方案在实施上均存在一定挑战。首先，仅仅依靠使用废钢流程减少的碳排放量，远远不够我们实现碳中和目标所需要减少的碳排放量。其次，全球人口数量不断增长，随之增长的是世界钢铁需求。因此，通过减产来减少二氧化碳的排放，可能适合现阶段人口呈下降趋势的国家，但并不适合所有国家。钢铁行业需要采用另一种方案推进低碳转型，即研发应用先进的减碳新技术。”丁玉龙在做《基于二氧化碳在线裂解的炼铁过程闭环脱碳》主题报告时，也同样围绕废钢利用问题发表了看法，并指出行业急需新的减碳技术。

他表示：“此次会议上有很多专家提到氢冶金、CCUS（碳捕获、利用与封存）等技术。这些技术目前在经济上可行性较低，且缺乏适当、公平的政策支撑。在此背景下，钢铁行业急需新的减碳技术。”

碳减排任务艰巨

2、不同新减碳技术各有所长

实现“双碳”目标，是一场硬仗。据中国工程院发布的《中国碳达峰碳中和战略及路径》预测，我国二氧化碳排放将在2027年前后实现达峰，峰值控制在122亿吨左右。这意味着我国要在短短三十几年内“中和”掉122亿吨的二氧化碳，碳减排任务异常艰巨。同时，这也意味着钢铁行业需要更高质量的新的减碳技术。围绕这一热点，众院士聚焦的研究项目各有所长。

“基于二氧化碳在线裂解的炼铁过程闭环脱碳技术是一种新的可用于高炉和直接还原铁过程大量减少碳排放的技术。”丁玉龙介绍道，“这一技术利用双钙钛矿BCNF对二氧化碳进行在线裂解，实现碳的闭路循环。该技术具备4个优势：一是无关键材料、无毒、可循环使用，二是运行温度适中，三是单次通过转换率高于10% ，四是低成本和低能耗。”

“氢经济非常重要。相关统计数据显示，中国的氢气产量占世界氢气总产量的1/3，但大部分是来自高污染的煤炭气化和蒸汽甲烷的重整，这些都不是绿氢。我们熟知的绿氢制取途径有电解或者利用风能、太阳能。实际上，由生物质制取的氢气可以称为绿氢。虽然，采用太阳能、风能等制取绿氢仍将是未来主要的氢气制取方式，但是生物质制取绿氢也将成为主要方式之一。”徐春保在做《生物质绿氢及其在冶金学中的应用》主题报告时表示。

生物质用于制氢有何优势？徐春保介绍，一方面，生物质是一种来源丰富的无碳燃料，可以替代化石燃料；另一方面，生物质资源作为世界第四大资源，资源量仅次于煤炭、石油和天然气，地球上每年的生物质资源总量约为5500亿吨，相当于目前世界能源消耗总量的10倍～15倍。

“如何耦合生物质制氢和氢冶金？”徐春保表示，可以采用生物质制氢/富氢合成气炼铁。首先，采用上述技术可以实现制氢和铁矿石还原一体化，能效非常高。其次，氢气还原反应无需加入额外的催化剂，效率很高。相关研究表明，采用该技术可以让铁的还原率达到90%。

“钢铁原料绿色化的本质是提铁降杂。为顺利实现钢铁‘双碳’目标，要全面提升国产矿和进口矿的品质，为钢铁绿色化生产提供原料保障。同时，我们还要进一步提高入炉炉料的绿色化程度，进一步创新炉料制备工艺技术，研发新的炉料品种，同时也要积极推动实现加工过程的低碳化、清洁化。”姜涛表示，“为了满足上述要求，相关高校和科研院所还应从表界面科学、矿物学、氢还原动力学和反应工程学等多学科入手开展基础研究，为我国炉料绿色化新技术的开发提供理论支撑。

论坛上，虽然各位院士围绕低碳冶金技术分享了不同的新看法、新项目进展，但是他们在加强原始创新、推进底层和颠覆性减碳技术突破方面的态度不谋而合。“双碳”路上，低碳冶金技术创新蹄疾步稳。在此基础上，钢铁行业还需与学术界共同努力，从技术研发、市场推广等多方面入手，加速先进碳减排技术的研发和应用。