摘 要：在双碳背景下，碳达峰、碳中和已经成为钢铁行业高质量发展的硬约束，炼铁技术发展面临着巨大的挑战和机遇。为实现钢铁工业绿色低碳转型，各高等院校、科研院所以及钢铁企业不断研究、推广、应用低碳技术，持续降低能耗和污染物排放，取得积极进展。本文分析了当前钢铁工业现状及存在的问题，汇总了双碳背景下炼铁技术发展的新趋势和关键技术，包括高炉节能减排技术、非高炉炼铁技术等。
关键词：双碳目标；炼铁技术；低碳转型；非高炉炼铁；碳捕获和储存
1 前言 力争二氧化碳排放在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是我们对国际社会的庄严承诺，也是推动高质量发展，推动实现“两个一百年”奋斗目标的关键措施。当前，我国产业偏重、能源偏煤、效率偏低的发展模式仍未根本改变，降碳任务艰巨繁重。我国碳排放总量约为美国的2倍多，欧盟的3倍多，排放总量超过113亿吨，约占全球的30%，实现碳中和所需碳排放减量远高于国际发达经济体。国内粗钢产量占到全球粗钢产量一半以上，且钢铁生产主流工艺是高炉—转炉长流程，在我国长流程占比约90%。由于其碳基还原的特性（其能源结构见图2，煤炭占比达到83%），钢铁产业碳排放占全球钢铁产业碳排放总量的60％以上，是全球钢铁行业最大的碳排放源。具体到国内来看，钢铁行业碳排放占全国碳排放总量的15%左右，其中高炉流程中直接排碳占60%以上，碳排放量位居制造业31个门类首位。从排放强度上看，我国钢铁行业2020年碳排放强度2.03tCO₂/t钢，高于世界1.8tCO₂/t钢的平均水平。 2 我国钢铁工业“双碳”挑战与机遇 2.1 我国钢铁工业的“双碳”挑战 世界正迎来以绿色低碳为特征的新—轮产业革命和技术变革，全球绿色低碳转型创新已经成为不可逆的大趋势。许多国家正通过征碳税、碳排放交易或限额交易来帮助实现碳中和。据国际货币基金组织预测2030年全球平均碳价达75美元/吨，低碳转型和碳金融收益预期可观。 2023年2月欧洲议会通过欧盟碳边境调节机制(CBAM)，将对含钢铁在内的进口商品征收碳税，钢铁出口利润空间将进一步压缩。另一方面，市场对低碳钢铁材料提出了迫切需求。2022年8月4日，河钢集团与宝马集团签署《打造绿色低碳钢铁供应链合作备忘录》指出，从2023年中期开始，河钢将汽车板CO₂排放降低10-30%，2026年起，基于绿电和电炉等工艺，将汽车板CO₂排放逐步降低95%。2022年11月22日，宝钢与奔驰签署《关于构建绿色钢铁供应链的合作备忘录》，2023年逐步提供碳排放强度大幅降低的汽车用钢，2026年起，借助氢基竖炉-电炉技术，宝钢汽车用钢CO₂排放强度逐步降低50-80%，随后进一步提供减碳95%的绿钢。
如下图4所示，欧美等发达经济体较早实现了工业化，已实现经济发展与碳排放脱钩，分别于上世纪80年代和本世纪初实现“碳达峰”，而我国是世界上最大的发展中国家，仍处在工业化和现代化的推进期，能源需求还需继续保持合理增长，碳达峰时间要到2030年。欧美等发达经济体从“碳达峰”到“碳中和”时间长，有50~70年时间；我国从碳达峰到碳中和只有30年时间，宝武集团时间更短，仅为27年，且比国家提前10年。与欧美国等发达国家相比，我国是在人均GDP相对较低、所用时间明显更短的情况下提出“双碳”目标，需要付出的努力和成本远大于这些国家。 （2）能源资源禀赋，以高炉——转炉长流程为主，短流程占比低；（4）碳排放机理复杂涉及能源燃烧排放、工业生产过程排放、电力和热力消耗所对应的间接排放等多种碳排放机理；
2.2 我国钢铁工业的“双碳”机遇 我国钢铁工业已具备较强的全球竞争力，钢铁工业作为我国经济的基础性产业，经过多年的快速和全面的发展，拥有了世界上最完整、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，为国家和世界提供者丰富的、不断升级的钢铁产品，是真正的国之重器，钢铁脊梁。在规模、技术、效益、品牌、产品、服务、管理等各个方面，综合实力稳居世界一流方阵，是我国工业领域最具全球竞争力的重点行业之一。几十年来，尤其是最近几年来的中国钢铁实践，走出了最短时间最高标准最大规模的超低排放绿色成长之路，积累了经验，奠定了基础，赢得了全世界钢铁同行的尊敬。钢铁工业“双碳”目标的实现将为我国贯彻新发展理念、实现经济高质量发展提供新的历史机遇，推动经济转型增效，引领全球绿色低碳技术和产业革命。 3 双碳背景下的炼铁技术转型方向 减少钢铁生产中二氧化碳排放强度的短期策略是通过提高高炉操作水平，降低高炉的消耗。改变高炉的能源结构，减少高炉对碳燃料的依赖。如下图所示，具体可以从减少煤气化学能、降低过程能耗、寻找碳替代品等三个途径着手。主要方向包括：极致能效、冶金资源循环利用、低碳冶炼技术应用、负碳技术的应用等内容。 3.1极致能效 以除固体燃料外能效提升20%为挑战目标，实现吨钢碳排放强度降低5%以上，其中，BACT应用实现吨钢碳排放强度降低3%，界面能效提升实现吨钢碳排放强度降低2%。对标极限能耗：开发全工序理论极限和技术极限能耗模型，建成动态更新BACT库，大力推广应用，优化改进工艺流程、公辅系统，提高金属收得率，显著降低能耗。余热资源深度回收利用：突破焦炉荒煤气显热、高炉渣显热等高温显热回收难题，充分回收烧结废气余热、烧结矿显热、蒸汽冷凝水余热锅炉排污余热、空压机余热、循环冷却水余热、烧结球团烟气余热等中低温余热资源。副产煤气协同回收资源化：极限回收高炉、焦炉、转炉煤气等副产煤气，通过产业区域协同、钢铁-化工联产实现副产煤气资源化。余压资源充分回收利用：深度挖掘余压资源潜力，实现高炉炉顶余压、管网蒸汽余压、循环冷却水余压等资源的高效利用。铁钢界面智能高效热连接：通过铁钢界面TPC保温、碳析出的综合利用，开发温降预测模型，建立智能运输与调度，实现一对一柔性连接，降低铁钢界面的热损失。
3.2 冶金资源循环利用 实现厂内含铁含碳固废全量消纳，减少吨铁化石类固体燃料消耗10-15kg；形成全流程钢铁循环材料使用比例达到35%以上的成套工艺技术；掌握炼铁使用生物质能技术，实现以生物质炭替代20%以上的高炉喷吹煤，从而减少吨铁化石类固体燃料消耗35kg以上。通过采用以上工艺技术，实现降低吨钢CO2排放量15-20%。通过开发含铁含碳固废分级分质预处理技术、与冶金工艺耦合的质能高效利用技术以及全过程污染物控制技术，构建含铁含碳固废与冶金炉窑的多维度适配模型，实现全量、高效、资源化增值利用。通过开发高炉使用钢铁循环材料技术，增加钢铁循环材料在高炉炼铁过程中的使用量，从而
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