我国钢铁工业碳排放现状与降碳展望*

2021-12-21张宏强苏步新马静超左海滨王静松薛庆国

化工矿物与加工 2021年12期

王广，张宏强，苏步新，马静超，左海滨，王静松，薛庆国

(1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083；2.冶金工业规划研究院，北京 100013；3.河钢集团有限公司，河北石家庄 050023)

0 引言

以CO2为主的温室气体导致了全球变暖和极端天气，给人类社会构成了严重威胁[1]。人类活动，特别是以化石能源大规模利用为主的能源活动，是造成大气中CO2温室气体浓度快速上升的主要原因[2]。根据2018年的公开数据[3]，世界CO2排放量为335亿t，中国占比28.6%，居世界第一位。2020年中国GDP达101.6万亿元，全球占比17.42%，居世界第二位。可见，我国单位GDP的碳排放量较高。从1992年的《联合国气候变化框架公约》到2015年的《巴黎协定》，通过碳减排应对全球变暖已在世界范围内达成了广泛共识，提出了“2050年把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2 ℃之内，并努力限制在1.5 ℃之内”的目标。截至2020年6月12日，已有125个国家承诺21世纪中叶前实现碳中和[4]。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重提出 “中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。我国在2060年前实现碳中和比发达国家在2050年前实现碳中和将需要付出更大的努力。

钢铁工业以煤、焦、天然气为主要能源，是电力系统以外碳排放量最大的行业，约占全球碳排放量的5%～6%。欧洲、日本、韩国的众多大型钢铁企业已提出了碳减排或碳中和计划，特别是欧洲钢企走在了碳减排的前列，如英国钢铁公司提出在2040年实现CO2净零排放。2020年我国粗钢产量达10.65亿t，约占全球的56.7%，其中约90%由高炉-转炉流程生产。钢铁工业能耗约占我国工业总能耗的15%，能源结构以煤炭为主(占比超过90%)，使其成为CO2和污染物排放大户[5]。我国宝武、河钢、鞍钢、包钢分别提出了自己的碳达峰碳中和计划，大部分计划在2050年前实现碳中和。综合考虑产业现状、技术基础、研发实力和时间节点，我国钢铁工业碳达峰碳中和所面临的压力远超世界同行。本文通过综述我国钢铁行业碳排放现状以及探讨相关低碳技术，旨在为我国钢铁工业的低碳化发展提供一些参考。

1 我国钢铁工业的发展现状与趋势分析

钢铁工业是国民经济的基础原材料产业，是重要的制造业门类。我国钢产量自1996年突破1亿t以来，在内需和出口的拉动下，产量持续增长。1996年以来，我国粗钢产量及占世界粗钢总产量的比例如图1所示。

图1 中国粗钢产量及世界占比(1996-2020年)

这种增长速度和体量创造了人类钢铁工业新的历史高度。我国已经拥有世界上最完整、最大规模的钢铁工业体系，配备了世界最先进的装备、工艺和技术，能够提供最丰富、最齐全的钢铁产品。同比来看，2019年中国粗钢产量增加7 631万t，净出口减少662万t，表观消费量增加8 293万t，钢材净出口(折粗钢)量占同期中国粗钢产量的5.07%，说明中国钢材生产以满足国内需求为主[6]。2015年以来，我国钢铁行业认真贯彻落实国家决策部署，扎实推进科技创新、节能环保、降本增效等重点工作，努力巩固去产能成果，严禁新增产能，防范“地条钢”死灰复燃，推动企业兼并重组，打造了如中国宝武钢铁集团有限公司这样的世界级钢铁企业。

同时，钢铁工业也是高能耗、高一次排放行业。钢铁工业排放的CO2、NOx、SO2、细颗粒物、二噁英、固废分别占全国总排放的11.2%、5.6%、9%、23%、26%、19.5%[7]。为了实现可持续发展，超低排放和双碳目标将是钢铁企业技术改造和技术研发的重点方向。在2030年碳达峰和单位国内生产总值CO2排放量比2005年下降60%～65%的双重约束下，如低碳技术未能实现突破且广泛应用的话，未来十年内，我国粗钢产量必将达到峰值，并转入下降通道。碳中和将是重塑我国未来钢铁工业产量、流程和布局的重要推动力，综合考虑钢材需求地、铁矿石供应地、绿氢成本、运输成本以及CO2捕集封存(CCS)成本，预计2050年我国粗钢产量为3.6亿t，氢在冶金中得到广泛使用，电炉短流程占比明显提高(70%以上)[8]。图2给出了在实现深度碳减排情景下中国钢铁工业分省布局预测。

图2 中国钢铁工业分省布局预测[8]

由图2可以看出，钢铁工业仍然主要分布在北方，同时可再生能源丰富地区(如新疆、青海)出现了产量增加较明显的趋势，而在没有良好的可再生能源同时又缺乏CCS应用基础的地区，就会出现明显萎缩。对于绿氢成本高且缺乏CO2存储条件的中国南方和东部能源消费中心来说，需要较多考虑利用电炉炼钢工艺。

2 基于工序的我国钢铁工业碳排放分析

我国主流的高炉-转炉冶炼流程(即长流程)是最为经典的钢铁冶炼流程，包含有相对独立而又有紧密联系的多个生产单元，如烧结、球团、炼焦、高炉炼铁、转炉炼钢、连铸、轧钢等，十分复杂,其中的化石燃料燃烧和电力消耗均是碳排放的主要来源。因较成熟的工序碳排放研究较少，本文主要以不同单元的工序能耗数据进行分析[6]。

2.1 烧结工序

铁矿烧结过程是将铁矿粉、熔剂、燃料及返矿按一定比例组成混合料，配以适量水分，经混匀和制粒后，通过布料、点火、抽风、烧结、冷却、整粒等制得物理及化学性能满足高炉冶炼要求的人造富矿。燃料主要是焦粉和无烟煤粉，点火还要消耗一部分燃气，一般是高炉煤气和转炉煤气的混合气，燃烧过程以完全燃烧为主。烧结工序能耗历年变化如图3所示。由图3可知，烧结能耗整体上呈降低趋势，但是有的年份会出现反弹，基本维持在48 kgce/t烧结矿。可通过采取厚料层烧结、治理漏风、热烟气循环、料面喷吹富氢气体等措施进一步降低工序能耗和碳排放，但是降低的潜力有限[9]。

图3 烧结工序能耗历年变化(2014-2019年)

2.2 球团工序

氧化球团矿的生产主要是以高品位铁精矿为原料，通过滚动成型、干燥以及高温焙烧固相黏结制备得到一种品位高、强度高、还原性好的炼铁炉料。目前主要有链篦机-回转窑、带式焙烧机和竖炉三种工艺，由于焙烧和冷却产生的热废气可用于干燥、预热和助燃，因此带式焙烧机球团工艺的单位成品热耗相对较低，也可以细磨赤铁矿为主要原料进行球团生产。带式烧结机和竖炉主要采用气体燃料，链篦机-回转窑可以用气体或煤粉为燃料，燃烧过程以完全燃烧为主。球团工序能耗历年变化如图4所示。由图4可知，球团能耗整体上呈降低趋势，但是有的年份会出现反弹，基本维持在26 kgce/t球团。与烧结工艺相比，球团工艺的能耗明显较低。

图4 球团工序能耗历年变化(2014-2019年)

2.3 炼焦工序

块状焦炭在高炉炼铁生产过程中发挥着重要作用，包括提供热量、提供还原剂、保证料柱的透气性等，是高炉炼铁过程不可缺少的原料。炼焦过程以炼焦煤为原料，通过高温干馏，产生焦炭、焦炉煤气和其他炼焦化学产品，炼焦高温干馏过程消耗的主要是焦炉煤气或者混合煤气。我国钢铁联合企业中只有部分企业有焦化生产指标，其焦炭产量仅占全国总产量的30%左右[10]。2017年中国钢铁工业协会会员钢铁企业炼焦工序能耗为99.67 kgce/t，通过回收煤气和烧成焦炭的显热是炼焦工序降低能耗的主要手段。

2.4 高炉工序

高炉炼铁以烧结矿、球团矿和块矿为含铁炉料，以焦炭、煤粉、天然气、热风等为能源，冶炼过程在一个密闭反应器中进行，在炉料与煤气流的逆向流动过程中完成铁矿石的还原和渣铁熔分，获得合格的液态生铁。焦炭、煤粉、天然气等化石燃料在风口发生不完全燃烧生产CO和H2(我国高炉以焦炭、煤粉为主要能源，炉顶煤气的H2含量很低)，最终离开炉顶时煤气的利用率约为50%，其中尚有20%左右的CO，即高炉煤气含有一部分化学能，其带走的化学能约占吨铁总能耗(实际转化的煤、焦总能量)的35%。高炉炼铁工序能耗历年变化如图5所示。由图5可知，能耗整体上维持在一个相对稳定的水平，但是有的年份还会出现反弹，基本维持在385～390 kgce/t。高炉炼铁工序的燃料消耗水平决定了CO2的排放强度，尽管影响高炉炼铁燃料消耗水平的因素很多，个别企业因自身原因导致能耗水平较高，但是现代高炉炼铁工艺技术已十分成熟，热效率可高达95%，靠降低工序能耗来减少CO2排放的潜力很小。

图5 高炉炼铁工序能耗历年变化(2014-2019年)

2.5 转炉工序

高炉生铁中约含有4.5%～5.4%的渗碳[11]，转炉冶炼实质上是铁水脱碳反应。铁水含有物理热和化学热，转炉冶炼过程(约30 min/炉)就是依靠这部分热量完成的，而且转炉冶炼过程中还可以回收一定量的转炉煤气(约115 m3/t)和蒸汽(吨钢产汽约90 kg)[12]。按工序能耗的计算方法，这部分回收的煤气和蒸汽的热值减掉冶炼过程消耗的电力、氧气和水，对应的能耗是有盈余的，这就是所谓的“负能炼钢”。转炉炼钢工序能耗历年变化如图6所示。

图6 转炉炼钢工序能耗历年变化(2014-2019年)

我国已经基本实现“负能炼钢”，且能效水平不断提高。但是，转炉炼钢过程将铁水中的元素碳氧化成CO、CO2，还消耗了氧气(约50 m3/t)，从而排放了一定量的CO2。此外，根据生产的钢种不同，脱碳的深度也不一样，产生的CO2排放量也会不一样。

2.6 轧钢工序

轧钢是将炼钢厂生产的钢锭或连铸钢坯轧制成钢材的过程。轧钢工序碳排放主要来自钢坯加热过程中的煤气燃烧(约200 m3/t)和轧制过程中的设备电耗(约110 kW·h/t)。轧钢工序能耗历年变化如图7所示。由图7可知，轧钢能耗整体上呈降低趋势，但是降低的幅度不大，目前维持在约60 kgce/t。但是，轧钢工序相对简单，其碳减排可依托电力系统的低碳化完成，即将钢坯加热过程改成电加热即可，但是相关设备如何改造以及成本是否合适需要进一步考虑。也可以通过新技术的研发，减少或取消加热工序，提高成材率。

图7 轧钢工序能耗历年变化(2014-2019年)

如果单纯从工序能耗计算，采用2019年我国钢铁工业的生产数据(吨铁矿石消耗、烧结球团产量、焦比、吨钢生铁消耗、成材率等，其中炼焦采用2017年能耗数据)，可以得到我国生产1 t钢材的分单元工序能耗及相应占比(见表1)。由表1可知，铁前工序(烧结+球团+炼焦+高炉)能耗占总能耗的91.27%，对钢铁材料生产过程的能耗起决定性作用。实际上，对于高炉炼铁和转炉炼钢工序，其CO2排放占比要大于其工序能耗占比，特别是转炉炼钢工序，其本质上是一个CO2排放的过程。

表1 2019年钢铁企业工序能耗

目前，我国钢铁生产过程碳排放核算依据的是《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》，该指南中将烧结、球团、炼焦、高炉中发生的碳氧反应统一归类为燃料燃烧排放[13]。但是，钢铁生产中的燃料(如冶金焦、喷吹煤等)既发挥化学品作用(还原剂)，又发挥能源作用(供热)，其排放是归入能源排放还是工业过程排放，是《IPCC 2006 年国家温室气体清单指南 2019 修订版》修订过程中的一个争议焦点。最终根据清单指南的修订原则，所有类似过程都被归属入了工业过程排放[14]。

我国还有大量的独立焦化厂、轧钢厂、铁合金厂，以及以特殊复合铁矿资源(如钒钛铁矿、稀土铁矿、红土镍矿等)为主要原料的钢铁企业，因此要准确统计钢铁行业的碳排放并按统一的排放标准进行限定是较为困难的。此外，一个钢铁企业能耗最低，不一定碳排放就最低，特别是进入深度脱碳阶段后，为了促进钢铁冶炼全流程降碳，一个可行的方法是分单元工序进行碳排放核算。具体如何进行，还需要相关部门以发展的眼光进行全面且深入的研究。

3 典型钢铁冶炼低碳技术分析

考虑到国民经济建设对钢铁材料的持续需求，以压减产量的方式实现钢铁生产过程大幅减碳是不实际的，低碳技术的研发和应用才是重中之重，应鼓励原始创新，保护知识产权，坚持“四个面向”，从而为我国从世界钢铁的生产中心向世界钢铁的技术研发中心转变提供坚实基础。接下来，本文将从三个层次对当下典型的钢铁冶炼低碳技术进行分析，以期为后续工作的重点方向理清思路。

3.1 行业内通用节能技术

随着我国钢铁工业现代化进程的不断深入，一些成熟的节能减排技术已在大中型钢铁企业普及，有些技术已达到国际先进水平，如干熄焦技术、煤调湿技术、烧结余热回收技术、高炉炉顶煤气余压发电技术、转炉煤气干法除尘技术等，这些技术需要全行业加快普及[15]。此外，还有一些尚待进一步开发或工业化推广且具有明显减排降碳效果的技术，这些技术对我国钢铁行业实现碳达峰和达峰后初期降碳具有现实意义，具体阐述如下。

1)提高球团/块矿入炉比例

高炉炼铁使用的基本含铁炉料包括烧结矿、球团矿和块矿。球团矿生产能耗相当于烧结矿的一半，且品位高、还原性好，生产过程污染物排放少；块矿属于天然矿物，更加清洁。因此钢铁工业降低碳排放一个可行的方法是提高球团和块矿的入炉比例[16-17]。如果实现全球团(配加一定比例块矿)冶炼，至少可实现钢铁全流程节能(减碳)5%以上，但需要考虑资源、价格以及冶炼技术三方面的平衡问题。

2)还原性气体喷吹

还原性气体喷吹主要是指将焦炉煤气、天然气及按合适比例混合后的气体或转炉煤气喷入高炉，部分替代喷吹煤和焦炭的技术[18-20]。如果以降低高炉炼铁过程碳排放为主要出发点，钢铁联合企业的自产焦炉煤气、转炉煤气用于高炉喷吹是有效发挥这些煤气价值的途径之一，不论其替代的是焦炭还是煤粉，因为这些气体产生自钢铁冶炼系统内部碳热加工过程，其适宜的利用方法是替代化石燃料，以使本系统碳排放最少，而不是用于加热或发电。随着我国可再生能源发电比例的提高，电网的排放因子将会降低，钢铁企业的自备电厂所发的电本质上来自煤、焦的燃烧，排放因子较高。日本的新日铁住金株式会社[21]通过在12 m3高炉进行试验验证了COURSE50的氢还原构想(主要是喷吹焦炉煤气)，结果表明，碳直接还原度从31%降至21%。如果高炉输入的焦、煤可以通过喷吹使自产还原性气体减少10%，那么该技术可实现钢铁全流程减碳9%左右。

3)电炉短流程炼钢

相比转炉炼钢，电炉炼钢具有工序短、投资省、建设快、节能减排效果突出等优势[22]。对于全废钢电炉，设定吨钢电耗400 kW·h[23]，按电网排放因子0.610 1 kg/kW·h计算，则电炉冶炼1 t钢排放CO2约244 kg。但是我国废钢资源短缺，价格高且波动较大，直接还原铁产量几乎为空白，再加上工业电价偏高，所以我国电炉钢占比较低。中国钢铁工业协会的统计数据显示，2019年我国电炉钢产量占比仅为5%左右。我国电炉钢企业为了应对金属料不足的问题，普遍配加热铁水替代部分废钢，以提高生产效率、降低炼钢工序能耗和生产成本，铁水占比近50%，形成了一种我国特有的电炉冶炼流程，限制了电炉炼钢减碳优势的发挥。此外，在发展电炉炼钢的同时还要做好尾气中二噁英的检测和控制技术的开发[24]。

4)薄规格带钢和铸坯直轧工艺

近年来，中国热连轧生产追求更高效率、更薄规格、更低成本、更少排放的目标。2019年继日照钢铁4条ESP投产热轧带钢最小厚度减至0.7 mm后，沙钢Castrip超薄带、首钢MCCR、唐山东华节能型ESP陆续建成。其中，沙钢引进的美国纽柯Castrip技术已试生产低碳钢、高强钢、高碳钢、耐候钢等钢种，总能耗和CO2排放量为常规热连轧工艺的1/5、1/4[6]，该技术可实现钢铁全流程减碳8%左右。连铸坯免加热直接轧制工艺是指将连铸后带有余热的铸坯直接送入轧线进行轧制的技术，工序大大简化，加热炉也可以取消，如此便节约了铸坯的加热能耗，从而减少煤气燃烧的碳排放及气体污染物的产生。该技术理论上也可使CO2排放量降为常规热连轧工艺的1/4，兼具高效和低碳两大特点，特别适合于棒线材的生产。近几年，国内很多企业尤其是民营企业尝试采用该工艺，并取得了成功[25]。

3.2 行业间协同降碳技术

3.2.1 钢化联产

钢化联产是指以钢铁企业高炉、转炉和焦炉煤气为原料，经过一系列的净化分离工艺，提取出CO、H2和CH4等有价值的原料气组分，经化工合成工序制成甲醇、乙醇、液化天然气等高附加值产品的过程[26]。当前国内钢铁企业的煤气已经基本平衡使用，富余煤气都用于发电，但无论是过程中使用还是发电，煤气中的CO、CH4都转变成了CO2排放，如果将煤气中的组分转化为化工产品，则会减少碳排放量。但是钢化联产需要富H2和CO的气体及外部热源，我国达钢的煤气制甲醇项目采用的是焦炉煤气和转炉煤气，其体积比为6.5∶1[27]。实质上该项目的固碳能力很有限，仅提高了煤气利用的品质。数量巨大的高炉煤气由于含有大量的CO2和N2，无法加以利用。此外，对于没有炼焦工序的钢铁联合企业，发展钢化联产面临两方面的制约：一是转炉煤气不足，由于没有焦炉煤气加热，钢厂在满足自身生产加热需求后的煤气富余量不多；二是没有大量廉价的H2来源，需要通过其他方式制氢，如果采用水煤气变换方式制氢则会带来CO2排放问题[28]。钢化联产大规模减碳效应的实现有赖于炼铁工艺的革新和无碳氢气的大规模、低成本制备[29]。

3.2.2 协同处置城市碳氢固废

钢铁冶炼过程协同处置城市碳氢固废是钢铁厂与城市低碳共融发展的一个重要结合点，可以达到双赢的效果。代表性的技术是高炉喷吹废塑料，自1991年开始，该技术在德国、日本经过多年发展已很成熟[30-33]。高炉喷吹废塑料是指废塑料经分选、磁选、破碎、脱氯、造粒后从风口区喷入高炉下部，在高温和还原性气氛下被气化成H2和CO等还原性气体，在上升的过程中将铁矿石还原。废塑料对焦炭的置换比为1.1∶1，高于煤粉，且喷吹量最高可达200 kg/tHM。因此，协同处置城市碳氢固废可以在一定程度上为钢铁工业碳达峰碳中和贡献力量。在我国，高炉喷吹废塑料工艺实际上还处于理论研究及可行性论证阶段，只有宝武开展了相关工业试验，但过程数据报道较少[34-39]。与国外相比，我国开展钢铁冶炼过程协同处置生活碳氢固废相关的研发和应用具备产业优势和更迫切的现实需求。

3.3 零碳冶金技术

3.3.1 无碳氢冶金

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，由于具有来源多样、清洁、灵活高效、应用广泛等优点，被多国列入国家能源战略部署[40]。H2可以还原铁矿石，产物为水，无污染，是碳的理想替代物。氢用于铁矿石还原已有成熟的技术，如Midrex和HYL气基竖炉直接还原技术，HYL还原气中H2体积分数可以达到80%[41]。而我国目前尚没有建设、运行类似技术的成熟经验，相关单位需要加强该技术的研发。H2在钢铁冶金中应用的关键是其来源和成本问题，天然气、石油、煤是现阶段氢的主要来源，会附加碳排放，但是其价格只有电解制氢的一半。无碳氢的本质是无碳电能的一种载体，发展无碳氢冶金的核心在于提高无碳电力在电力能源中的占比和促进电解制氢技术的进步。

3.3.2 全氧冶金

1)炉顶煤气循环-氧气鼓风高炉炼铁

受高炉内部热化学反应平衡的限制，炉顶煤气的CO利用率约为50%，煤气中的化学能约占高炉输入的碳的全部化学能的35%，将煤气中的CO2脱除后返回高炉使用是一种高效利用其化学能的途径，经过多次循环，CO的利用率整体得到提高，从而使高炉自身化石燃料消耗最少。氧气高炉的提出早期是为了以煤代焦和提高高炉的生产效率[42]，现在则重点关注其降低炼铁过程碳排放的潜力。氧气代替热风可起到降低炉顶煤气CO2脱除成本、提高煤比、维持理论燃烧温度等作用。炉顶煤气脱除CO2后大部分用于煤气循环，少部分剩余，可用于化工合成，捕集的CO2被封存或资源化利用，从而实现高炉炼铁过程的净零碳排放。瑞典LKAB公司[43]9 m3高炉的试验结果证明该工艺是可行的。该工艺对现有钢铁生产流程影响小，烧结、球团、炼焦、高炉等工序仍然保留，且CO2捕集技术也已成熟，但是提高了炼铁技术的复杂度，要求钢铁企业靠近CO2封存地点。

2)粉矿-全氧熔融还原炼铁

烧结、球团和炼焦是原料预处理工序，矿、煤等物料在上述过程中被反复运输、加工、加热和冷却，这3个工序约占吨钢能耗的18%，且在提高原料的理化性能之后，能量未得到充分回收和利用，即使回收，回收效率和回收能源的品质也较低，同时造成了大量的NOx、SO2、颗粒物等污染物的排放[44]。粉矿、粉煤直接炼铁可以节约铁矿粉造块和炼焦过程中的能耗，并显著减少污染物的生成，理论上比高炉炼铁更有优势，代表性的技术有Finex、HIsmelt、HIsarna、Flash Ironmaking等[45-48]，Finex已经实现商业化，HIsmelt和HIsarna处于工业开发阶段(我国相关企业、设计院参与了HIsmelt的研发)，Flash Ironmaking处于基础研究阶段。这些技术应采用全氧冶炼、降低一次煤耗、加强尾气中物理能和化学能的回收利用，并与CO2捕集封存技术结合，才有可能与高炉炼铁竞争，并实现深度降碳。

全氧冶金依靠CO2捕集封存技术并不能完全实现零碳排放，还要在无碳电力、无碳氢能、生物质能等能源形式或负碳技术的辅助下才能实现净零排放。

4 我国钢铁工业低碳发展路径浅析

1)优先应用行业内通用节能技术

尽管我国钢铁工业的节能减排技术在过去几年取得了显著进步，但是发展仍不平衡。对于成熟的、行业内通用的节能技术(如干熄焦技术、煤调湿技术、烧结余热回收技术、高炉炉顶煤气余压发电技术、转炉煤气干法除尘技术等)，需要进一步提高其在全行业的普及率。对于其他技术，如提高球团/块矿入炉比例、还原性气体喷吹、提高电炉钢(全废钢)比例、无头轧制和薄规格带钢工艺，企业要根据自身的资源条件、资金实力和技术水平有选择性地加快推进。上述技术的实现，预计可以使钢铁工业在碳达峰后减碳30%左右。

2)适当应用行业间协同降碳技术

构建低碳产业链，实现行业间协同降碳，不仅涉及新技术的研发和不同行业、部门间的合作，还有赖于地方政府基于本地的情况尽早进行规划。相关企业和科研单位要预先开展相关研究，做好思想和技术储备。尽管行业间协同降碳技术的实现难度很大，但是减碳效果将会非常明显，同时还能获得额外的资源、生态效益。需要注意的是，相比于协同行业，我国钢铁行业产能巨大，对于钢铁产业集聚区只能选取代表性企业作示范。

3)抓紧研发零碳、负碳技术

钢铁工业的产品是铁碳合金，碳排放无法避免，因此钢铁工业碳中和的实现必须依靠零碳冶金技术，乃至负碳技术。氢冶金、全氧冶金技术等需尽快研发，并进行铁-钢-轧全流程工程示范验证。在钢铁冶炼流程内部也可开展一定规模的CO2资源化利用研究，如转炉炼钢过程喷吹CO2[49]。农林碳汇[50]、生物质能碳捕集与封存[51]、人工光合作用[52]等负碳技术也是研发的重点方向。

钢铁工业碳达峰碳中和是一项长期、系统的工作，为了确保2030年前实现全国钢铁行业CO2排放达峰，先进钢铁企业和大气污染防治重点区域的钢铁企业应力争提前实现碳达峰，起到引领示范作用。同时，考虑到新技术研发和普及的周期较长，更应提早着手规划、推进低碳钢铁技术的研发、储备和应用验证，从而保证钢铁工业碳排放在2030年前达峰后能稳步进入持续下降的阶段，最终促进行业绿色低碳转型发展取得实质成效。

5 我国钢铁工业低碳技术研发建议

1)顶层设计，统一组织与实施

一方面，统一考虑国家经济社会发展对钢材的需求，充分利用国内和国际两个钢材供给端，在满足基本需求的前提下，科学规划和预测我国钢材产量的变化趋势，并科学引领我国钢铁材料及相关产业迈向高端化、减量化，保证钢铁行业经济竞争力。另一方面，结合我国废钢的产生量和可进口量的变化，以及电力系统脱碳的进度，适时引导电炉短流程炼钢工艺的发展。在完成上述两方面工作的基础上，要制订钢铁行业碳中和分阶段控制目标，明确相应阶段的重点任务和实施路径。

2)集中力量，建立国家级工业化试验平台

低碳技术的研发投入大、风险高、时间紧、任务重，单个钢铁企业难以负担。即使从全行业来看，钢铁行业对全国GDP的贡献与其CO2排放占比也极度不成比例，而在可以预计的未来，钢铁材料将一直是社会经济运行和发展的必需物质基础。因此，钢铁行业的低碳发展是全社会共同的责任。低碳本身并不直接创造经济效益，仅靠经济手段难以实现钢铁行业的碳中和，关键在于新技术的研发和应用。因此，有必要从国家层面对钢铁低碳技术的研发提供资金和政策支持，同时集中全行业力量，承担共同而有差别的责任，通过建立国家级工业化试验平台，持续推进低碳技术的基础研究和工业化开发。

3)分工序遴选重点技术进行试验研究

我国钢铁工业的实际情况与欧美国家不同，企业地域分布广、企业间技术水平差距大、原料条件复杂、产品种类多。我国钢铁冶炼目前以长流程为主，但未来短流程的比例会显著提高，最终形成长短互补的格局，这是由社会经济发展进程决定的，所以钢铁低碳技术的开发宜分别从长流程和短流程展开。基于长流程的低碳技术开发，对于我国钢铁工业碳达峰和初步降碳具有重要意义；而基于短流程的低碳技术开发，对于我国钢铁工业碳中和的实现具有决定意义。对于长、短流程皆可嵌入的单元，如轧钢工序，应加快启动其碳中和技术的研发和应用。对于长、短流程各自特有的单元，要分别系统论证，客观评价，遴选重点技术进行试验研究。

4)创立新型科研合作模式

国家高度重视碳达峰碳中和工作，因此政府相关部门应在低碳技术研发工作中发挥引领作用，规划、推动和监督各项工作的持续开展。低碳钢铁技术研发应以工程应用为导向，先进的钢铁企业、工程公司、设计院等对低碳技术的研发起着重要的支撑作用，特别是要发挥钢铁企业的主动性。低碳技术研发必须依靠原创技术的提出，而原创技术来源于长期、大量的基础研究，因此离不开高校、研究院等单位的积极参与，而且要以国内的研究单位为主。研发工作需要持续的资金、人力和物力投入，拓宽资助渠道、保证资助强度、平衡投入与收益的关系等亦十分重要。可以参考欧盟和日本在ULCOS、COURSE50等冶金工艺研发中采用的组织模式，努力调动更多的积极因素。