力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，這是黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，是我國對國際社會的莊嚴(yán)承諾。2022年我國粗鋼產(chǎn)量10.18億噸，占世界粗鋼產(chǎn)量的54%以上，我國鋼鐵行業(yè)CO2排放占全國能源相關(guān)CO2排放總量的15%左右。降低化石能源消耗，減少CO2排放總量和排放強(qiáng)度，確保國家實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，已成為鋼鐵行業(yè)的重要任務(wù)。

鋼鐵流程主要包括以鐵礦石為原料的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程（BF-BOF流程）和以廢鋼為原料的電弧爐短流程（EAF流程）兩類。我國鋼鐵工業(yè)長流程粗鋼產(chǎn)量占比約為90%，電弧爐短流程粗鋼產(chǎn)量占比約為10%。受廢鋼資源量等因素影響，未來較長時期內(nèi)，我國鋼鐵工業(yè)仍將以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主。

我國鋼鐵工業(yè)正處于向過程低碳化和產(chǎn)品高性能化轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段，加快轉(zhuǎn)爐低碳技術(shù)創(chuàng)新，對于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)節(jié)能降碳具有重大意義。同時，電弧爐短流程工藝具有流程短、降碳潛力大等特點，發(fā)展電弧爐短流程是推動我國鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)舉措。本文基于當(dāng)前我國煉鋼碳排放現(xiàn)狀，探究“雙碳”背景下煉鋼極限碳排放路徑，助力鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展。

1 煉鋼極限碳排放路徑

高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼工藝的噸鋼CO2排放量是電弧爐短流程工藝的3倍以上，難以承擔(dān)鋼鐵行業(yè)的綠色低碳未來。隨著我國廢鋼資源的總量增加，廢鋼循環(huán)及加工產(chǎn)業(yè)鏈的完善，發(fā)展電弧爐短流程是鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的主要方向。

根據(jù)廢鋼資源的變化，低碳前沿技術(shù)的研究進(jìn)展，預(yù)計在2035年前，鋼鐵行業(yè)仍以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主要減碳目標(biāo)，稱為BLUE 35-BOF階段；2035-2060年，將以電弧爐短流程減碳為主，屆時鋼鐵行業(yè)將逐步實現(xiàn)深度減碳，稱為GREEN 60-EAF階段，如圖1所示。

1.1 BLUE 35減碳路徑

BLUE 35減碳路徑以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程工序降碳為主，兼顧電弧爐短流程綠色低碳技術(shù)發(fā)展。國內(nèi)外歷經(jīng)數(shù)十年高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鋼工藝減碳研究，目前部分研究成果已在生產(chǎn)中直接或間接得到驗證。以下從鐵前低碳技術(shù)和低碳煉鋼技術(shù)兩方面介紹高爐-轉(zhuǎn)爐長流程極限碳排放路徑。

1.1.1鐵前低碳生產(chǎn)

高爐-轉(zhuǎn)爐長流程中，鐵水生產(chǎn)過程帶來的CO2排放占據(jù)主導(dǎo)地位，煉鐵系統(tǒng)約占鋼鐵流程CO2排放的70%左右。因此，推進(jìn)低碳鐵水生產(chǎn)，實現(xiàn)源頭減碳，是實現(xiàn)高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝極限碳排放的重要保證。

鐵前低碳生產(chǎn)要以降低化石燃料消耗為核心，焦化工序 CO2 排放主要來源于燃料燃燒和焦化生產(chǎn)消耗各種能源和載能環(huán)節(jié)間接帶來的 CO2排放。焦化工序的低碳技術(shù)包括：干熄焦技術(shù)、焦?fàn)t煤調(diào)濕生產(chǎn)、搗固焦技術(shù)等。需重點關(guān)注氫基高爐用高強(qiáng)度、高反應(yīng)性焦炭。高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排技術(shù)包括：高爐復(fù)合燃料噴吹技術(shù)（煤粉、廢塑料、生物質(zhì)等）、高爐富氫冶煉技術(shù)、氧氣高爐、高爐煤氣CO2脫除等。高爐富氫冶煉通過向高爐噴吹焦?fàn)t煤氣、氫氣和天然氣，替代傳統(tǒng)高爐中焦炭和煤的作用，實現(xiàn)高爐系統(tǒng)CO2減排約8%。高爐復(fù)合噴吹廢塑料、廢輪胎、富氫還原氣，實現(xiàn)高爐燃料減量的無碳替代，使 CO2 排放量降低約10%。

1.1.2低碳煉鋼技術(shù)

轉(zhuǎn)爐煉鋼以鐵水為主原料，配加一定量廢鋼。根據(jù)爐內(nèi)熱平衡計算，通常廢鋼比例低于20%。增大廢鋼比例能減少CO2排放，轉(zhuǎn)爐煉鋼廢鋼比每增加10%（即鐵水比例減少10%），噸鋼CO2排放量減少約6%；廢鋼比由20%提升至30%，噸鋼CO2排放量減少約182 kg；廢鋼比由20%提升至50%，噸鋼CO2排放量減少約547kg。根據(jù)某廠轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，不同比例廢鋼比的噸鋼碳排放及能耗如圖2所示。

基于我國轉(zhuǎn)爐流程占比高這一基本國情，開發(fā)轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉工藝，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)以更高比例的低碳爐料（廢鋼/DRI）替代高爐鐵水進(jìn)行冶煉，將成為轉(zhuǎn)爐煉鋼的重要選擇，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益將日益凸顯。

作者團(tuán)隊申請并承擔(dān)了寶武“全球低碳冶金聯(lián)盟”首批低碳基金，將開發(fā)基于高冷料比的轉(zhuǎn)爐底噴煤粉/生物質(zhì)炭技術(shù)，見圖3。與無煙煤相比，生物質(zhì)炭作為一種零碳能源，擁有與煤相近的熱值、較低硫氫含量、更好的燃燒反應(yīng)性，是“雙碳”背景下轉(zhuǎn)爐底吹燃料的重要選擇。頂吹氧氣、底吹氧氣-生物質(zhì)粉-石灰粉的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐技術(shù)，將是今后實現(xiàn)高廢鋼比的重要舉措。廢鋼加入轉(zhuǎn)爐后，采用底吹氧氣-生物質(zhì)粉、頂吹氧氣進(jìn)行金屬料預(yù)熱，通過向轉(zhuǎn)爐內(nèi)兌入高溫鐵水，在補(bǔ)充熱量的同時，依靠底吹石灰粉快速完成磷等元素的去除，可降低煉鋼原輔料消耗，滿足鋼液純凈度的要求。

轉(zhuǎn)爐煉鋼主要節(jié)能降碳措施及減碳效果見表1。

在電弧爐短流程煉鋼技術(shù)方面，作者提出了電弧爐煉鋼近零碳排放新工藝，從能量來源碳近零、冶煉過程碳近零、原料生產(chǎn)碳近零三個層面實現(xiàn)電弧爐低碳煉鋼。結(jié)合綠電供能、氫能燒嘴、無碳發(fā)泡、氫基直接還原鐵等相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，分析該工藝的實現(xiàn)可行性，研究認(rèn)為，在2035年，電弧爐CO 2排放將由當(dāng)前410 kg/噸鋼降至280 kg/噸鋼。

以現(xiàn)有國內(nèi)水平CO2排放1700 kg/噸鐵計算，采用低碳模式生產(chǎn)，焦化、球團(tuán)、燒結(jié)、高爐工序CO2排放將降低至800 kg/噸鐵；按轉(zhuǎn)爐50%廢鋼+50%鐵水原料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)核算，采用轉(zhuǎn)爐底噴生物質(zhì)炭粉替代傳統(tǒng)煤粉結(jié)合廢鋼預(yù)熱等技術(shù)，可實現(xiàn)2035年長流程-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝極限CO2排放降至457kg/噸鋼。

1.2 GREEN 60發(fā)展路徑

GREEN 60發(fā)展路徑以電弧爐短流程煉鋼降碳為主?；?035年電弧爐煉鋼技術(shù)噸鋼碳排放280 kg的假設(shè)，由于從冶煉單體技術(shù)方面難有突破，減碳重點將落實到綠氫、綠電、綠色原料的使用方面。

電力是電弧爐短流程煉鋼工藝直接用能的主要形式，電力來源低碳化，尤其結(jié)合未來電弧爐短流程煉鋼冶煉工藝及突破性技術(shù)的實施，將有效降低鋼鐵企業(yè)CO2排放量。綠電是利用太陽能、風(fēng)能、核能、氫能等不產(chǎn)生CO2排放的外來能源，如果將這部分綠色電能高效利用到煉鋼過程中，即可從能量來源上達(dá)到碳近零的目標(biāo)。通常而言，光伏和風(fēng)力是互補(bǔ)的。陽光強(qiáng)烈時，風(fēng)力相對較弱；當(dāng)陽光不充足及黑夜時，風(fēng)力將發(fā)揮作用。但光伏和風(fēng)電都是受天氣影響較大的新能源，發(fā)出的電能不能穩(wěn)定供給用戶直接使用，通常用儲能系統(tǒng)進(jìn)行能量儲存及調(diào)節(jié)。由于電弧爐用電需求峰谷變化快，用電量較大，儲能系統(tǒng)要求比容量大、輸出效率高、循環(huán)壽命要求長等。作者提出了由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供能、儲能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的電弧爐煉鋼微電網(wǎng)，可以充分利用風(fēng)光的互補(bǔ)優(yōu)勢，使用清潔能源的同時，在獲得更低成本的情況下，保證電弧爐的平穩(wěn)生產(chǎn)，見圖4。該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上也是可行的，經(jīng)測算：光電、風(fēng)電和谷電的三種能源的價格平均在0.2-0.3元/kWh，使得電弧爐煉鋼生產(chǎn)的能源成本下降，具備實現(xiàn)電弧爐煉鋼生產(chǎn)的“能量供給碳近零”目標(biāo)。

氫能作為一種清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的能源，在鋼鐵生產(chǎn)流程中的應(yīng)用是當(dāng)前研究熱點之一。集束射流氧槍被廣泛應(yīng)用于電弧爐生產(chǎn)過程，起到廢鋼助熔、高效供氧的作用。作者將氫能和集束氧槍技術(shù)結(jié)合，利用氫氣來代替作為集束氧槍燃料氣體的天然氣、煤氣等，形成氫氧集束射流氧槍，實現(xiàn)氫能在電弧爐煉鋼中的有效利用。相比甲烷和乙烷，氫氣點火能量低，火焰穩(wěn)定性好，可燃流速高，可滿足煉鋼生產(chǎn)提速及冷區(qū)熱量補(bǔ)充的要求。

為實現(xiàn)煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐-精煉-連鑄全工序降碳減碳，精煉、連鑄等工序應(yīng)著眼于綠色化、低碳化技術(shù)，利用綠氫、綠電、綠色原料等充分挖掘煉鋼廠全工序節(jié)能減碳潛力。具體措施包括：①加熱電力化。鋼包烘烤、中間包烘烤等冶金容器耐材的烘烤采用綠能加熱、等離子加熱等取代燃?xì)饧訜幔瑢崿F(xiàn)精煉工序加熱烘烤零碳排放。②燃料潔凈化。氫能配合全氧燃燒，將其應(yīng)用到烘烤、加熱等環(huán)節(jié)，燃燒介質(zhì)完全不涉及碳元素；連鑄坯采用氫氧切割，鑄坯切割不再產(chǎn)生CO2，理論計算降低碳排放0.692kg/噸鋼。③生產(chǎn)高效化。隨著連鑄工藝的不斷發(fā)展，近終形連鑄、連鑄坯熱裝熱送、直送等高效連鑄技術(shù)得到長足進(jìn)步，其在節(jié)能減排降耗方面效果顯著。據(jù)測算，采用高效連鑄技術(shù)噸鋼碳排放可降低27.49kg。

在GREEN60階段，充分發(fā)揮綠氫、綠電和綠料降碳潛能，高爐-轉(zhuǎn)爐長流程噸鋼CO2排放將降至400kg，電弧爐短流程噸鋼CO2排放將降至64 kg，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)深度減碳。

2 突破性低碳技術(shù)的思考

鋼鐵行業(yè)真正意義上實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展，不僅僅要發(fā)展單元節(jié)能減碳技術(shù)，更要發(fā)展鋼鐵全流程突破性低碳技術(shù)。立足于現(xiàn)有低碳技術(shù)儲備，作者建議關(guān)注以下突破性技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的開發(fā)應(yīng)用。

2.1 突破性煉鋼技術(shù)

2.1.1 埋弧爐-轉(zhuǎn)爐流程新工藝

在高爐-轉(zhuǎn)爐長流程冶煉工藝中，CO2排放量主要集中在鐵前工序，即高碳鐵水的生產(chǎn)工序。降低鐵水的加入量，提高廢鋼或DRI的使用量將是最有效的減碳方法。在埋弧爐中預(yù)熔廢鋼或DRI后，直接轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)爐或與高爐鐵水混合，裝入轉(zhuǎn)爐使用，配合埋弧爐采用100%綠電，將大幅降低煉鋼CO2排放。近期國內(nèi)外已有提出埋弧爐-轉(zhuǎn)爐流程新工藝，其工藝流程見圖5。

以鐵水和廢鋼為原料對埋弧爐-轉(zhuǎn)爐流程煉鋼碳排放、能耗、成本的影響：廢鋼入爐比例增加10%，噸鋼碳排放平均降低156kg，噸鋼能耗降低47kgce。

2.1.2 全連續(xù)超短流程電弧爐煉鋼工藝

傳統(tǒng)電弧爐煉鋼工藝主要存在以下問題：能量消耗高，工序間“界面”存在大量能量耗散；生產(chǎn)周期長，不同工序銜接匹配不暢；設(shè)備利用率低，工序功能分散，工序間緊湊程度低，無法實現(xiàn)全流程連續(xù)生產(chǎn)，難以充分發(fā)揮電弧爐超高功率供電系統(tǒng)、高效連鑄等關(guān)鍵裝備的設(shè)計效能與制造潛力。為克服現(xiàn)有電弧爐煉鋼存在的系統(tǒng)性問題，2016年，作者提出并開展了“全連續(xù)超短流程電弧爐煉鋼工藝”研究，其工藝流程見圖6，包括電弧爐，出鋼溜槽，精煉床和連鑄機(jī)四個直接相連的工位。其特點為：原料連續(xù)加入，成品鑄坯連續(xù)產(chǎn)出，各工位中的物質(zhì)與能量保持動態(tài)平衡，可實現(xiàn)低耗高效生產(chǎn)。

全連續(xù)超短流程電弧爐煉鋼工藝物料消耗更低、能量利用效率更高，可降低電弧爐出鋼溫度至1580℃甚至更低，縮短電弧爐冶煉周期10min；終點鋼水過氧化程度低，鋼鐵料消耗下降。與傳統(tǒng)電弧爐短流程相比，全連續(xù)超低碳新流程碳排放量減少14.2%，年產(chǎn)量提高31.7%，極具發(fā)展?jié)摿?。其與傳統(tǒng)電弧爐短流程煉鋼工藝指標(biāo)對比見表2。

2.2 CCUS技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）是指將CO2從能源行業(yè)、制造業(yè)排放的尾氣或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現(xiàn)CO2永久減排的過程。CCUS作為我國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要組成部分，不僅是我國煤炭、石油化工、天然氣等化石能源行業(yè)實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的有力舉措，更是鋼鐵行業(yè)減碳的終極手段，以解決最后的鋼鐵行業(yè)CO2排放，努力實現(xiàn)碳中和。

經(jīng)多年研究與探索，發(fā)現(xiàn)CO2應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐冶煉可改善多項技術(shù)指標(biāo)，提出了“轉(zhuǎn)爐煉鋼CO-CO2質(zhì)能轉(zhuǎn)換自循環(huán)利用”（CO-CO2 Mass Energy Conversion Self-Recycling for BOF Steelmaking，CCMER）的新工藝思路，即轉(zhuǎn)爐煤氣富氧燃燒實現(xiàn)煙氣中CO2富集，并采用PSA法分離提純煙氣中CO2，其中轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒副產(chǎn)蒸汽和CO2冶煉工序增產(chǎn)轉(zhuǎn)爐煤氣可供CO2捕集工序使用，目的是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼CO-CO2質(zhì)能轉(zhuǎn)換自循環(huán)低成本利用。新工藝思路有助于推動鋼鐵企業(yè)大規(guī)模捕集CO2并應(yīng)用?！稗D(zhuǎn)爐煉鋼CO-CO2質(zhì)能轉(zhuǎn)換自循環(huán)利用”的新工藝思路如圖7所示。由于煉鋼過程要求CO2氣源具有穩(wěn)定、壓力高、流量大和潔凈等特點，鋼鐵企業(yè)的CO2氣源主要考慮石灰窯煙氣、發(fā)電廠煙氣、軋鋼加熱爐煙氣或煤氣直接分離等。將分離提純后的CO2作為轉(zhuǎn)爐冶煉頂?shù)讖?fù)吹氣，目前已在多個企業(yè)應(yīng)用。

2.3 綠色鋼化耦合、鋼農(nóng)聯(lián)合技術(shù)方向

統(tǒng)籌考慮CO2在各領(lǐng)域的應(yīng)用及要求，作者提出了以鋼鐵流程尾氣提純制備CO2為核心的CO2綠色鋼化耦合、鋼農(nóng)聯(lián)合等CO2消納技術(shù)方向，見圖8。鋼鐵企業(yè)是碳排放大戶，其制造工序排放大量高CO2濃度的尾氣，包括石灰窯尾氣、熱風(fēng)爐尾氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、軋鋼加熱爐尾氣等，集中建立工序排放尾氣凈化提純CO2裝置，低成本回收CO2并作為資源重新整合利用，回收的CO2氣體不僅滿足鋼鐵企業(yè)自身需要（如CCMER），還可以拓展延伸應(yīng)用至油氣開發(fā)、化工、食品加工等行業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)以鋼鐵工業(yè)為核心的綠色生態(tài)圈。

本文探究了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)背景下，我國鋼鐵工業(yè)極限CO2排放技術(shù)發(fā)展路徑，提出鋼鐵行業(yè)“BLUE 35、GREEN 60”發(fā)展階段。即，2035年前后，鋼鐵工業(yè)CO2減排放仍以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主；2035-2060年，CO2減排路徑將以電弧爐短流程減碳為主。

充分發(fā)揮綠氫、綠電和綠色原料的低碳潛力，在2060年前后，高爐-轉(zhuǎn)爐長流程噸鋼CO2排放將降至400kg，電弧爐短流程噸鋼CO2排放將降至64 kg。結(jié)合CCUS在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用及鋼化耦合、鋼農(nóng)聯(lián)產(chǎn)等突破性技術(shù)，可實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)深度減碳，助力鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。