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国外双碳政策梳理与技术现状研究 全球有多个国家都在进行钢铁领域减排二氧化碳技术开发 的研究。在反映各国国情的技术开发中，着力点和目标各有不 同。虽然大部分是巴黎协定之前提出的项目，但欧洲已将减排 目标定为80%,并从长远的角度转向新的研发，也包括这些研 究开发。大致区分为高炉发展工艺，以及旨在再利用排放二氧 化碳的CCU,利用可再生能源氢的氢能炼铁等未来系统。采用 CCU和无二氧化碳氢基炼铁的研发是最近开始的项目。减碳技术主要围绕能源消耗减少，或者减碳这两个层面。减碳技术按照目前钢铁行业的工艺流程，主要是短流程，氢能 炼钢碳排放被捕集技术（包括CCS和CCUS）o 高炉长流程工艺路线直接排放温室气体，而电炉短流程工 艺路线则间接排放温室气体，这主要取决于电炉使用的电力结 构。高炉长流程工艺路线减排就是钢铁工业减排的主要目标。根据经济合作与发展组织的一项长期研究，到2050年，全球粗 钢产量将增长30%-50%,而钢铁业界已经采取了行动。欧盟 传统钢铁生产是欧洲最大的二氧化碳排放来源之一。目前 欧洲大陆钢铁工业二氧化碳排放量约占欧盟二氧化碳总排放量 的4%,占工业二氧化碳排放总量的22%。消耗能源和碳的上游 工序，如焦炭和铁的生产，约占90%。大多数碳排放来自大约 30家综合钢铁厂，这些工厂生产的钢铁几乎占到了欧洲钢铁总 量的三分之二。60%的欧盟钢铁企业采用高炉长流程生产，主要通过处理铁 矿石以生产铁烧结矿或球团矿，然后将其与焦炭在高炉中还原 以制造生铁，进而在转炉中炼钢。其余的钢铁企业则主要采用 电炉短流程工艺，在电炉中加热废钢而炼钢。诸如干熄焦和优化球团矿配比等方法，以及高炉煤气余压 透平发电装置等设备，可以减少高炉长流程工艺路线的碳排放。利用天然气替代焦炭还可以显著减少高炉长流程工艺炼钢的二 氧化碳，向高炉中注入氢气或氨气以部分替代煤粉也可以做到 这一点。不过，尽管其中许多措施已经成为整个行业的实践典 范，但尚不能实现碳中和，这是因为它们不能完全消除炼钢过 程中的碳。通过节约为电炉供电的电力，或将电力结构转为可再生能 源，可以降低电炉短流程工艺的二氧化碳排放。从理论上讲，这使得碳中和成为可能。但问题在于电炉短流程工艺受制于废 钢的可获得性，无法生产出所有钢种或所需数量。全新技术尚在开发和进行之中。截至目前，欧洲最有前途 的新兴技术主要分为两大类：碳捕集、利用和/或封存（ecus）和铁矿石替代还原。替代还原技术包括氢基直接还原工艺和电 解还原法，大多处于开发初期阶段，同时需要大量的绿色能源，但有望实现碳中和炼钢。ecus利用不同的方法捕集二氧化碳，并对其进行处理以供 后续利用（例如，作为燃料）或将其存储（如枯竭的海底天然 气储层等地质结构）。仅靠ecus无法实现碳中和，但如果炼钢 过程中使用的化石燃料被生物质所取代，则可能会产生负的二 氧化碳平衡。新型还原剂取代焦炭或天然气，其中包括氢气和直流电。从理论上讲，可以实现完全绿色的钢铁生产。不过，相比ecus,这一类技术可能需要更多的时间和资金。碳捕集、利用和/或储存 二氧化碳从其他气体中分离出来，并在大量排放的过程（如 炼铁工序）中被捕集。随后捕集的二氧化碳通过管道或轮船运 输到陆上或海上储存地点，如欧洲北海油气田，或者用作燃料 或生物质。其主要工序包括燃烧后/燃烧前捕集和压缩-运输-储存/利用。ecus系统很容易融入现有厂区。由于这项技术并 不是炼钢专用的，其他行业也可以分担部分的开发和基础设施 成本（例如，合成燃料市场、运输和储存）。此外，未来的运营 成本在很大程度上是可以预测的。利用ecus的生物质炼铁 该工艺的基本原理是：碳中和生物质在预处理过程中部分 替代化石燃料，或作为铁矿石还原剂。例如，由生物质（生藻 类、草、木材等）制成的富含碳的生物质半焦，用以替代焦炭，或者生物燃气被注入竖炉以取代天然气。主要工艺包括热解和 水热碳化，ecus系统会清除所有残余的碳排放。瑞典国家钢铁 研究院在SSAB公司吕勒奥厂的研究显示，如果采用该项技术，至少可以减排二氧化碳28%。不过，在生物质的种植方面还有一些问题。特别在自然环 境中，它可能导致森林砍伐、污染和生物多样性减少，并在社 会上增加食品价格和农业土地使用。此外，生物质的热值低于 化石燃料，限制了其在大型高炉中的应用，或降低了燃烧效率，无法在大型高炉中进行有效利用。氢基直接还原铁竖炉 随着碳减排压力的增大，氢气直接还原技术受到了越来越 多的重视，迎来了蓬勃发展的机会。在“氢能炼钢”方面，近 年来国外钢企已经进行了一系列探索，取得了一定的进展。尤 其是瑞典SSAB公司突破性氢能炼铁技术（HYBRID项目将使钢 铁生产过程的二氧化碳排放量降至近乎于零，有望引发特钢行 业的一场变革。该技术炼钢实现低碳排放的主要原理是，在竖炉中，氢气 将铁矿石球团还原成“直接还原铁”（DRI或海绵铁），而不使 用焦炭这样的碳还原剂。竖炉是一种利用气体还原剂制造DRI 的炉型。操作温度可以很低，在800C左右。然后将DRI送入 电炉，通过进一步加工和加碳进行炼钢。作为一种为碳中和炼 钢铺平道路的过渡技术，它也可以以“热压铁”（HBI）的形式 装入高炉，这是一种高质量的DRI,此举可以显著提高高炉效 率，降低焦炭用量。最常见的工艺是Ml DREX方法和HYLX艺。不过，氢气直接还原炼钢技术的发展很大程度上依赖氢能经济,氢气产量必须达到规模化，并且要求成本更具有竞争力。氢基直接还原铁流化床 与竖炉工艺相同，该工艺使用氢气还原铁矿石并生产DRI,以供电炉使用。不同之处在于，还原发生在流化床而不是熔炼 炉中，并且使用经过精细加工的铁粉矿代替球团矿。流化床是 可以连续地将固体原料与气体混合以产生固体产物的反应室。主要包括FINEX和Circored等工艺。电解炼钢工艺 作为欧盟的ULC0S项目，由安赛乐米塔尔公司主导了电解 工艺的开发。在实验室条件下，可以采用高温电解直接生产钢 水。该工艺有两种类型：ULCOLIS电解法和ULCOWIN电解沉积 法。电解法以电力作为还原剂，将铁矿石在1550C转化为钢水。在电解沉积过程中，铁矿石被粉碎成超细粉矿，浸出，然后在 110C左右的电解槽中还原。工业废弃物回收技术 德国目前的Car-bon2Chem项目是以低碳炼铁为核心，实现 节能减排，绿色发展。Car-bon2Chem项目是利用钢厂废气中含 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、氮和氢等，生产含有碳和氢的合成气体，再应用于生产氨气、甲醇、聚合物和高级醇等各种初级化工产品，替代目前天然气、煤等化石原料。因此，Car-bon2Chem不仅可转化钢厂废气中的 二氧化碳，同时也节省了生产此类合成气体的碳资源使用量。2018年9月份，蒂森克虏伯Car-bon2Chem项目成功地将钢厂 废气转化为合成燃料，生产出第一批甲醇。2019年1月份，蒂 森克虏伯成功利用钢厂废气生产氨，这在全球范围内尚属首次。蒂森克虏伯宣布，目前全世界大约有50家钢厂符合引进 Car-bon2Chem项目的条件，已开始与各地的意向方建立联系，探讨将该技术运用于其他二氧化碳密集型行业。日本 1973年石油危机以来，日本一直致力于节能减排研究。1992 年，联合国气候变化框架公约获得通过，并于1994年3月 21日起生效。1997年，日本经济团体联合会的加盟团体制定了 环境自主行动计划（全球变暖对策），确定针对全球变暖正式开 始二氧化碳减排工作。1997年12月 京都议定书 在日本京 都通过，并于2005年2月16日正式生效。为了实现日本在京 都议定书第一承诺期（2008-2012年）约定的、相对基准年（1990年）温室气体削减6%的目标，日本制定了京都议定书 目标达成计划。2008年7月，日本制定低碳社会行动计划，该计划分阶段、定目标、强举措地全面推进节能减排。2015年 12月巴黎协定获得通过，并于2016年11月4日正式生效，日本提出到2030财年温室气体排放相比2013财年减排26%的 目标，到2050财年减排80%的长远目标。遵照巴黎协定，2018年日本铁钢连盟提出2100年挑战“零碳钢”的目标o 2020 年12月25日，日本政府发布了绿色增长战略，提出到2050 年实现“碳中和”目标，构建“零碳社会”。日本政府将应对全 球变暖、实现绿色低碳转型视为后疫情时代拉动日本经济持续 复苏的新的增长点。目前日本制铁正在开发创新技术，目标是在2100年前生产 出零碳钢，零碳钢是使用氢而不是碳还原铁矿石生产的。这项 工作主要针对以下四个方面的技术进行开发：1）减少二氧化碳 排放；2）二氧化碳分离和回收；3）二氧化碳循环利用；4）二 氧化碳储存。为减少二氧化碳排放，日本制铁开发了如下技术：开发余热回收的干熄焦技术：在焦炉中制成的热焦炭用惰 性气体淬火，热量被用来产生蒸汽而发电。与湿法淬火相比，节能40%o 开发新一代炼焦技术（Scope21）：Scope21是以强化资源 和能源应对能力为目标的国家开发项目。该项目包括缩短炼焦 时间、提高焦炭质量等许多创新型技术开发内容。利用该项目 开发的技术将会扩大低品位煤的利用并大幅减少二氧化碳排放。开发高炉数字模型：合理调整高炉内气体流量、固体流量、液体流量、炉料分布等基本因素，降低焦炭等还原剂比例，从 而减少二氧化碳排放。开发显示炉料分布的三维离散单元法（DEM）模型：用DEM 模型精确显示高炉炉顶料面的分布情况，以布置炉料分布，提 高反应效率，减少二氧化碳排放。参与环境和谐型炼铁工艺技术开发项目C0URSE50:该项目 旨在通过开发在高炉炼铁还原过程中使用氢气的技术和采用化 学吸收法以低成本分离和回收二氧化碳的技术，实现二氧化碳 减排30%。其中，采用钢厂产生的氢气（焦炉煤气）在还原铁 矿石的过程中部分取代碳，实现高炉二氧化碳减排10%;采用 捕集、分离和回收高炉煤气中二氧化碳可使二氧化碳减排20%。目前实现实验高炉二氧化碳减排10%的目标，同时还对实际尺 寸的高炉进行模拟，使该项目更接近于在商业使用的高炉。参与零碳钢技术开发项目（100%氢还原炼铁技术）：在钢铁 工业中，大约70%的二氧化碳排放是在高炉炼铁过程中产生的。由于日本高炉炼铁技术的热效率已提高到接近理论值，进一步 减少二氧化碳排放的难度极大。这就是为什么日本制铁要接受 氢气还原炼铁工艺的挑战。由于铁矿石的氢气还原反应是吸热 反应，现阶段需要建立从外部向反应炉供热的技术，以及在充 分考虑氢气燃烧特性的基础上，向反应炉稳定提供大量氢气的 技术。而且，氢气是无碳的，其大量低成本稳定供应是一个关 键要求。因此，日本制铁与日本政府及其他公司一起申请参加 由新能源产业技术综合开发机构资助的“实现零碳钢的技术开 发项目。这一项目旨在确定多种有前途的创新技术，专注于 炼铁过程脱碳。开发一种全新的制氢工艺：通过开发一种专有的高性能光 催化剂材料，利用太阳能生产零排放的氢气。虽然日本钢铁行业不断努力开发创新的炼铁技术，但仅依 靠这些技术无法实现巴黎协定的长期目标，为此，日本钢 铁工业开始挑战开发最终实现炼铁过程零排放的技术，包括使 用氢气还原炼铁技术、以及CCS.ecu技术。氢还原炼铁工艺的 实际应用是以氢气作为社会公共能源载体的开发和维护为前提 的，因为氢气不仅广泛用于钢铁生产，而且广泛用于汽车、消 费品等各个领域。钢铁生产对氢气的一个重要要求是稳定的低 成本供应。此外，实施CCS除了需要开发大量二氧化碳的廉价 运输和储存技术外，还需要解决技术方面以外的问题，如二氧 化碳储存场所的安全、社会的接受、实施实体和经济负担的分 配。因此，实现“零碳钢”，不仅要开发与钢铁行业相关的技术，还需要开发社会公共基础技术，如无碳能源先进的传输、储存 技术，低成本大批量氢气的制造、运输和储存技术，二氧化碳 捕集与封存/利用技术等。韩国 2019年10月22日，韩国政府发布2030年国家温室气体 减排路线图第二个气候变化应对基本计划，提出将2030年温 室气体排放量降至5.36亿吨，相比2017年的7.091亿吨下降 24.4%,以期达成“可持续低碳绿色社会”的目标。钢铁行业作为韩国碳减排的重点领域，采取的主要措施是：逐步用液化天然气取代重油，加快现有设备升级改造和以氢还 原炼铁技术为代表的新工艺的研发推广，持续推进生产方式转 变和产业结构调整。目前，韩国钢铁行业正在积极开发采用氢还原冶炼的创新 技术。自2004年以来，欧美和日本等发达国家和地区持续进行 低碳技术的开发工作，技术理念就是从现有的“碳还原”逐步 转化为“氢还原”。2017年韩国钢铁行业开始研究氢还原冶炼 技术，并将其作为国家核心产业技术加紧研发。其中，“以高炉 副产煤气制备氢气和“用替代型铁原料电炉炼钢两项关键 技术作为政府课题进行研究。韩国的氢还原冶炼技术研发计划在2017-2020年进行实验 室开发，在2024年之前进入中试阶段，2024-2030年完成商业 应用的前期研究，在2030年之后开发具有经济性且切实可行的 应用型技术，并投入商业化应用。该技术预计最多减排15%的 C02o 该技术开发课题由韩国金属材料研究合作社（KOMERA,韩 国钢铁协会研究开发室）统管，浦项钢铁公司（以下简称：浦 项钢铁）、现代钢铁公司、SAC环保热能技术公司、韩国能源技 术研究院（KIER）、浦项产业科学研究院（RIST）等22家相关 产学研机构和企业共同参与。COOLSTAR项目是该课题的核心技 术项目。为减少钢铁工业的C02排放，该项目计划在高炉（第 一部分，浦项钢铁主管，预计投资415亿韩元）、副产煤气改质 与精制（第二部分，SAC主管，预计投资290亿韩元）、电炉（第 三部分，现代钢铁公司主管，预计投资180亿韩元）三大领域 分别进行技术开发。其中，第一部分的关键技术为氢气应用技 术，第二部分的关键技术为氢气制备技术、副产煤气精整及分 离技术，第三部分的关键技术为氢气-直接还原铁（DRI）制备 技术、DRI电炉利用技术、转炉大批量利用废钢技术等。项目 的实施周期为2017年12月-2024年11月，最终目标是实现钢 铁冶炼的高效、环保，同时确保产品质量和生产稳定。韩国产学研各界的专家认为，氢还原冶炼技术开发的前提 是低成本、大批量制备氢气，而目前这一问题在全球范围内尚 未突破。此外，该项目涵盖多种技术，从研发到实际应用，仍 然存在许多亟待解决的难题和潜在风险，存在较大的不确定性，而且一旦该技术研发应用成功，将对韩国工业结构产生巨大影 响。在欧盟，钢铁工业在经历了成熟期之后，已经开始进入衰 退期，因此在引进氢还原冶炼技术时，正好可以对落后的设备 进行更新换代。但在韩国，其属于大型设备出口主导型工业结构，如果钢 铁工业的结构发生转变，将对韩国工业发展产生影响。有专业 人士认为，减排路线图的各减排指标能否被相关行业所接受，也是一大问题。事实上，关于2030年温室气体减排目标，韩国 工业部也意识到了现实的问题，并公开表示，政府将根据项目 的成败与否，对2030年的减排目标进行调整，同时加强与相关 行业的沟通协商。澳大利亚 澳大利亚作为全球原材料主要供给国，其钢铁冶炼工艺技 术远不及其采矿、选矿技术成熟。目前，澳大利亚以联邦科学 与工业研究组织（CSIR0）为中心，提出名为C02BTP的总体减 排C02技术开发方案，钢铁作为其中一环，开展以利用生物质 为目标的研究，正在启动名为低排放综合炼钢工艺（ISP）的项 目。这是在钢铁工艺内级联地彻底利由此每年可减少1960 万立方米天然气消耗。位于西伯利亚的ZapSib钢铁厂的热电厂 一台锅炉已从使用煤炭改为冶金炉煤气，从而消耗更少的化石 燃料，同时发电量提高10%。耶弗拉兹将继续加大低碳能源的使用。该公司表示，绿色 钢铁的生产需要向低碳技术过渡，但这些技术仍处于酝酿阶段。在俄罗斯、美国、丹麦拥有钢厂，并在比利时、法国和意 大利参股钢厂的新利佩茨克钢铁公司(NLMK)计划通过提高能 源效率、降低含碳燃料消耗量和推进脱碳技术开发，到2023 年将其吨钢二氧化碳排放量从2018年的2吨降至1.91吨。NLMK计划投资4.2亿美元到2023年在俄罗斯西部的新利 佩茨克钢铁厂启动一座发电厂，该发电厂以冶金煤气为燃料，每年可减少65万吨温室气体排放。该公司还正在投资研究在炼 钢过程中使用氢气以及进行二氧化碳捕集和利用。减少碳排放的方法有多种，包括优化富碳燃料的使用、用 其他燃料替代煤炭、使用更多的二次资源、通过植树进行“碳 补偿”等，NLMK表示，其将在所有减排领域积极努力，从而实 现绿色钢铁生产oNLMK希望欧盟制定的碳边界调整机制(CBAM)是基于每家公司的排放量，而不是基于特定地区的平均排放量。NLMK表示，对于钢铁的竞争性产品，如铝、混凝土和聚合物等，应收取相同的费用。而且，鉴于有许多脱碳方式，欧盟需要考 虑跨国公司在其他地区经营时实施的减少或吸收排放量的所有 项目。