本報記者 朱曉波
低碳冶金技術
當前，我國煉鋼企業中，高爐-轉爐長流程煉鋼仍然占據主導地位。一般而言，傳統高爐工藝生產1噸生鐵需要消耗350千克焦炭和150千克煤粉。由于化石能源的使用，造成煉鐵、煉鋼過程中二氧化碳和一氧化碳大量排放。因此，低碳冶金技術被認為是未來鋼鐵行業碳減排的重要抓手。
目前，被認為比較有前景的低碳冶金項目包括日本COURSE50計劃、瑞典SSAB公司突破性氫能煉鐵技術（HYBRIT）項目、歐洲超低二氧化碳排放煉鋼工藝ULCOS項目、德國Car-bon2Chem項目等以低碳煉鐵為核心，探索低碳煉鐵工業化的路徑，實現節能減排、高效綠色發展。
日本COURSE50項目圍繞高爐碳減排，開發了部分使用氫代替焦炭作為還原劑的氫還原煉鐵法，并預期通過該技術研發應用而實現的碳減排目標為10%。利用2015年在新日鐵住金君津廠建成的小型試驗高爐，進行高爐煤氣改質富氫焦和高爐風口噴吹試驗，隨后進行了爐體拆解研究，確認部分使用氫作為還原劑的氫還原煉鐵法，可使二氧化碳排放值接近期望的減排目標。
歐洲ULCOS項目在低碳高爐煉鐵技術方面，研究了爐頂煤氣循環工藝（TGR-BF）。該工藝有3個主要特點：一是使用純氧代替傳統的預熱空氣（即全氧噴吹）；二是二氧化碳分離、捕集和儲存；三是使用回收的一氧化碳循環作為還原劑，減少焦炭使用量。試驗結果表明，TGR-BF工藝具有易于操作、安全性好、效率高、穩定性強的特點。其中，將脫離二氧化碳后的部分爐頂煤氣加熱到1200攝氏度，氧氣和煤粉混合通過爐缸風口噴吹入爐內，同時將脫離二氧化碳后的爐頂煤氣加熱到900攝氏度，從爐身適當位置噴吹的減排效果最佳，可降低26%的二氧化碳排放，被確定為下一步工業規模高爐試驗的首選方案。
基于ULCOS項目，HYBRIT項目將研究采用氫的直接還原工藝，而氫則是利用非化石能源產生的。氫與球團礦發生反應，生成直接還原鐵（DRI），將直接還原鐵與廢鋼一起裝入電爐，或者制成熱壓塊鐵儲存或出售。HYBRIT項目的核心是提升技術、降低成本，使氫氣冶煉鋼鐵在經濟上與傳統焦炭煉鐵相比有競爭力。焦炭和氫氣都可作為還原劑去除鐵礦石中的雜質。傳統冶煉鋼鐵工藝中二氧化碳排放占全行業90%，比如使用氫氣替代焦炭，氫氣將與鐵礦石中的氧氣反應生成水蒸氣，實現碳的零排放。
與上述各項技術減少碳排放不同，Car-bon2Chem項目是利用鋼廠廢氣中含有的化工原材料，比如以一氧化碳和二氧化碳形式存在的碳、氮和氫等，生產含有碳和氫的合成氣體，再應用于生產氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種初級化工產品，替代目前天然氣、煤等化石原料。因此，Car-bon2Chem不僅可轉化鋼廠廢氣中的二氧化碳，同時也節省了生產此類合成氣體的碳資源使用量。2018年9月份，蒂森克虜伯Car-bon2Chem項目成功地將鋼廠廢氣轉化為合成燃料，生產出第一批甲醇。2019年1月份，蒂森克虜伯成功利用鋼廠廢氣生產氨，這在全球范圍內尚屬首次。蒂森克虜伯宣布，目前全世界大約有50家鋼廠符合引進Car-bon2Chem項目的條件，已開始與各地的意向方建立聯系，探討將該技術運用于其他二氧化碳密集型行業。
此外，我國鋼鐵企業也在積極探索低碳冶金技術。比如，河鋼集團與意大利特諾恩集團簽署諒解備忘錄（MOU），商定雙方在氫冶金技術方面開展深入合作，利用世界最先進的制氫和氫還原技術，并聯手中冶京誠共同研發、建設全球首例120萬噸規模的氫冶金示范工程，應用于河鋼宣鋼轉型升級項目。京華日鋼控股集團有限公司與中國鋼研科技集團有限公司簽訂了《年產50萬噸氫冶金及高端鋼材制造項目合作協議》。該項目以氫冶金全新工藝-裝備-品種-用戶應用為目標，進行系統性、全鏈條的創新開發，通過現代化工、冶金聯產循環經濟的方式，建設具有中國自主知識產權的首臺（套）年產50萬噸氫冶金及高端鋼材制造產線。中國寶武、中核集團和清華大學三方啟動了共同研究核能技術與冶金制造技術如何協同以及創新技術鏈與產業鏈的可行性工作。與傳統的鐵燒焦工藝相比，煤基氫冶金工藝具有流程短、監控點少、水循環及水處理設施規模小，煙氣排放次數少、數量小的特點，可降低能耗50%以上。
碳捕及、利用及封存技術（CCUS）
與低碳冶金技術不同，碳捕集、利用與封存（Carbon Capture,Utilization and Storage，簡稱CCUS） 技術是一項新興的、具有大規模二氧化碳減排潛力的技術，即把生產過程中排放的二氧化碳進行提純，繼而投入到新的生產過程中進行循環再利用或封存。作為目前唯一能夠實現化石能源大規模低碳化利用的減排技術，CCUS是我國實現2060年碳中和目標技術組合的重要組成部分。
長期以來，CCUS一直被認為是減少化石發電和工業過程中二氧化碳排放的關鍵技術。我國政府部門明確提出，開展CCUS試點項目的行業涉及火電、煤化工、水泥和鋼鐵行業。
CCUS是鋼鐵、水泥等難以減排行業深度脫碳的可行性技術方案。國際能源署發布2020年鋼鐵行業技術路線圖，預計到2050年，鋼鐵行業通過采取工藝改進、效率提升、能源和原料替代等常規減排方案后，仍然剩余34%的碳排放量，即使氫能直接還原鐵技術取得重大突破，剩余碳排放量也超過8%。水泥行業通過采取其他常規減排方案后，仍剩余48%的碳排放量。2019年，能源轉型委員會與落基山研究所聯合發布的報告《中國2050：一個全面實現現代化國家的零碳圖景》假設，中國鋼鐵行業到2050年預計產量為4.75億噸，即使考慮了其他各項減排措施后，要實現凈零排放，還有0.5億～2.1億噸二氧化碳需要通過CCUS進行減排。
有研究表明，CCUS技術在電力系統、工業部門的應用及其負排放具有潛力，預計到2050年，CCUS技術可提供減排貢獻為11億～27億噸二氧化碳。特別是發達國家日益重視CCUS技術的規劃與應用，比如美國、英國、澳大利亞、加拿大等國家不僅將CCUS視為推動傳統產業結構調整和優化的重大減排技術，更瞄準該技術未來可觀的市場效益。
同樣，我國對CCUS技術的研發和示范給予了積極的關注?！秶抑虚L期科學和技術發展規劃綱要 (2006-2020年)》《中國應對氣候變化科技專項行動》《國家“十二五”科學和技術發展規劃》等科技政策文件中均明確提出，要將CCUS技術開發作為控制溫室氣體排放和減緩氣候變化的重要任務。
在CCUS技術研發、示范與產業化方面，我國政府相繼支持了高校、科研院所與大型電力、石油和煤炭企業CCUS技術的研發，為CCUS技術的產業化奠定了基礎，包括開展了10萬噸/年二氧化碳捕集、運輸與咸水層封存的全流程示范工程，在二氧化碳利用的多個領域均開展了大量的研發與示范?，F已初步形成了具有中國特色的CCUS技術發展路線和二氧化碳資源化利用技術體系。目前，我國尚沒有超過100萬噸/年的大規模全流程示范項目，而且短期內CCUS技術實現商業化運作仍面臨成本高、部分關鍵技術不成熟、配套基礎設施和相關政策缺失的困難。
《中國冶金報》（2021年3月18日 08版八版）
