目前，利用铁矿石生产钢铁的主要方法仍依赖化石燃料作为还原剂。然而，随着创新技术的试点和设备的商业化实施，在未来十年内，低碳钢的生产将发生重大转变。  

对化石燃料的依赖使钢铁行业成为温室气体排放的主要排放者。然后，钢铁行业致力于低碳未来，因此这将改变钢铁的生产方式。

实现低碳和接近零碳炼钢没有单一的解决方案，需要一系列广泛的技术组合，根据当地实际情况选择单独或结合部署。钢铁行业正在全球范围内引领并开展大量技术研究、开发和部署工作，推动每项技术的发展。

这些创新技术归结为三大类：

下列，我们提供了不同技术选择的详细信息，探索当前每项技术的使用范围，以及面临的机遇和挑战。

点击您感兴趣的技术或“应用”标签，查看它们在实际中如何应用。

什么是生物质

生物质是源于植物和动物的可再生有机物质，其中太阳能以化学能形式贮存在生物质中。植物通过光合作用生产生物质。

生物质可以直接燃烧产生热量，也可以通过各种工艺，转换成可再生液体和气体燃料，或者用于钢铁生产等工业工艺。

为什么考虑采用生物质炼钢？

在一定条件下，生物质可被视为无碳资源；因此，为减少钢铁生产过程中的排放物，生物质炼钢是一个具有吸引力的解决方案。

国际能源署的生物能源计划指出，“生物能在生物圈碳循环范畴内实现碳中和—燃烧过程中释放的CO2源自大气中已经存在的CO2，并且会重新被新生植物吸收—如果这一循环持续发生。与此同时，我们还必须考虑完整的供应链过程中的碳排放量，包括与生物质能源相关的生产、加工、运输和使用过程。特别是在收割、运输和加工过程中通常要用到化石能源。尽管如此，分析表明供应链中使用的化石能源仅占生物能源制品能源含量的一小部分，即使是长距离运输（例如，北美和欧洲之间的长距离运输）的木质生物质，同样占比微小。”

在电力行业，生物质已经得到相当程度的使用。例如，位于英格兰北约克郡的德拉克斯火力发电厂，把六台发电机组中的四台改造成可使用可持续性生物质的发电机组。德拉克斯电厂供应着该国5%的电
力，是英国最大的可再生电力发电厂，也是欧洲地区规模最大的脱碳项目。

生物质炼钢

虽然部分高炉目前已经全部使用生物质，但由于木炭的强度低于煤炭，使用木炭的高炉容积较小。目前利用木炭替代部分高炉用煤已经实现商业化，这一应用主要出现在巴西。

生物炭可以替代目前向高炉喷吹用煤。

目前澳大利亚的二氧化碳技术攻关项目正朝该方向努力，该项目研究利用可再生生物炭，替代高炉粉煤喷吹工艺使用的煤炭。

另外，还有一些开发项目是继续优化木炭的生产方式，来改进木炭产品规格，以适应钢铁
生产。

机会和挑战

可持续发展的生物质能

生物质能可以通过钢铁公司自己持续性培育获得，也可以通过第三方购买/采购/收购获得。无论哪种方式，目前已出台的相关管理倡议都支持选择生物质的用户：该倡议由全球性机构制定，如森林管理委员会和可持续生物质计划（针对木质生物质设计的认证计划）。

区域计划包括欧洲的森林认证体系认可计划、美国可持续林业倡议和巴西林业认证标准（CERFLOR）。相关立法框架和条例也能够确保负责任地管理森林。

面临的挑战

生物能源原料需求的不断增长，带来了不同用地需求之间的冲突。对生产粮食和纤维所需耕地的竞争性使用，是涉及生物质生产的主要问题。

另外，土壤扰动、营养物质枯竭以及水质恶化，这些问题也是生物质原料生产以及利用农林剩余物生产能源可能带来的环境后果。（参考文献）

对此，生物能源行业已经做出响应，他们制定了可再生生物质验证方案，该方案可以作为生物质能源可持续发展的认证手册。近期出台的另外一个认证项目为可持续生物质计划。

供应链开发

强大的供应链体系为现代化钢铁生产提供了大量原料（例如，煤炭、铁矿石、石灰、废钢等）。

我们也需要开发类似的供应链体系，实现生物质的批量收割，将其转化加工成木炭并运送至钢厂。运输和加工过程也会产生温室气体排放。

采用生命周期评价方法对使用生物质产生的排放物进行评估，对于正确对待生物质炼钢具有重要意义。

世界生物能源协会已经编写了有关供应链问题的资料页。

什么是碳捕获与碳封存技术？

碳捕获与封存技术（CCS），通常是指捕获从大型排放源产生的CO2，将其运输至储存站点并进行封存，避免CO2排放到大气中的一种技术组合。被封存的CO2被注入地质结构中；这些地质结构可以是废弃油气田，或是其他适合的地质结构。在CO2永久性封存之前，还可以将CO2注入成熟的油田，将岩层中的剩余油气驱出。该工艺被称为强化采油技术（EOR），也是碳捕获、碳使用及碳封存工艺（CCUS）的一种形式。

CCS 技术在钢铁行业的应用

潜在应用办法

CCS技术有可能应用于钢铁行业的所有主要排放点源。过去的研究项目重点将高炉作为传统综合钢铁厂的主要CO2排放点源，采用的方法包括应用改造后的CO2捕获技术，或是开发新型高炉。欧洲的ULCOS计划是后者的典型代表——该计划旨在开发一种激进的新型炉顶煤气循环型高炉设计方案。

包头钢铁（集团）公司的CCS/CCUS项目被视为中国国内钢铁行业首个全产业链示范工程。 该项目旨在通过碳捕获、利用或封存技术减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放。 

直接还原厂提供了一条较为简易的CCS技术路线，由于部分钢厂在设计之初就已包含CO2分离技术，因此在正常运行过程中，可以排放出浓缩的CO2气体流。这些工厂不需要增加额外的碳捕获设备。

碳捕获技术经过改造，可能被用于传统的直接还原铁厂。

基于煤炭的创新型熔炼还原厂，例如塔塔钢铁公司位于荷兰的HISARNA工艺示范项目，能够直接产生浓缩CO2气体流，因此不需要使用碳捕获技术。

挑战

升级改造

碳捕获过程中的高能量消耗和高成本仍然是主要挑战之一。其他面临的挑战还包括：对高纯度CO₂的需求（特别是液态CO₂运输）以及对现在厂区改造时的空间限制。

目前的CCS部署属于资本密集型。然而，通过政策干预和n型部署，它将足以与其他脱碳机制竞争。

基础设施

CCS技术面临的挑战之一是如何将大批量的压缩CO2从排放点源，运输到大规模的CO2封存站点，尤其是海上封存站点。管道作为一种解决方案，实施的可行性将取决于土地条件、运输的体积，以及CO2是否来自多个分散式排放点源。

另一个方案是使用专门的海上油轮，将CO2从一个或多个港口直接运输到海上存储站点，或者也可以先运输到岸基存储设施，再通过管道输送到存储站点。

北极光项目的模型是将二氧化碳从北海周围的沿海地区运送到挪威的储存设施。

公众接受程度

CCS技术还未被大众普遍接受，公众的感知和接受程度仍然构成制约该技术广泛部署的瓶颈。许多环保非政府组织都不接受CCS技术，认为该技术高风险、未经验证并且根本没有必要。

本地社区也不接受CCS技术，他们提到该技术带来的安全问题以及对地产价值的影响等——尽管各地区存在一定差异性。在许多拥有地下开发历史的地区（例如，沙特阿拉伯、得克萨斯州），本地社区的担忧程度较低；不过，在欧洲地区，CO2封存设施的开发目前仅限海上封存设施。

有证据表明，虽然可以消除社区的担忧，但项目支持者要付出相当大的努力。

成本问题

国际能源署发现，在特定地区背景下，创新型工艺生产路线（包括高炉CCS技术、熔炼还原技术以及基于煤气的直接还原铁技术）的预期成本要比传统技术高10-50%。国际能源署同时指出，这部分增加的成本要显著高于今天的炼钢利润率。

监管问题

虽然碳捕获和储存（CCS）的监管在一些地区取得了进展，但在全球范围内仍然不平衡。在欧盟，通过欧盟CCS指令（2009/31/EC）已经建立了一个强有力的法律框架，该指令规定了选址、许可、监测和长期责任。欧盟排放交易体系（EU ETS）也承认二氧化碳的地质储存₂，提供储存排放的量化、核查和入计机制。

然而，全球许多司法管辖区仍然缺乏全面的CCS或CCUS（碳捕获、利用和储存）立法。在这些地区，关键的监管组成部分，如存储许可、长期责任管理、跨境CO₂ 运输和监测标准——要么正在制定中，要么尚未制定。

这种监管碎片化对投资和大规模部署构成了障碍，特别是在没有地下资源管理经验的新兴经济体和地区。

什么是CCUS技术？

就像碳捕获和存储技术（CCS）一样，碳捕获、利用和存储技术（CCUS）也是将钢铁炼制过程中产生的二氧化碳进行隔离和捕获。这两项技术的差异在于，使用CCS技术时，二氧化碳被永久性地封存到地下。

二氧化碳既可以通过化学方式，转化成塑料、混凝土或生物燃料等其他产品，也可用于强化采油技术（EOR）。

为什么考虑CCUS技术？

在向净零排放过渡期间，CCUS技术能够带来显著的战略价值：

• CCUS技术设备经过改造后，可以安装到现有的发电厂和工业设备；否则，到2050年之前，现有的发电厂和工业设备还将排放80亿吨二氧化碳。
• 在其他技术方案受到限制的行业，例如，水泥、钢铁或化工材料的生产行业，以及长距离运输用合成燃料（主要是航空工业）的生产行业，CCUS技术可以解决这些行业的排放问题。
• CCUS技术可以推动实现最低成本的低碳氢生产。
• CCUS技术可以去除大气中的二氧化碳，该技术与生物能源技术或直接空气捕获技术相结合，可以平衡那些无法避免的或技术上难以减少的排放物。
• CCUS可以促进对共享基础设施的投资和捕获技术的发展。

挑战与机会

长期性碳减排潜力

在许多情况下，合成燃料等CCUS产物经过燃烧后，其中含有的碳仍然会以二氧化碳形式被释放到大气中。部分利益相关方认为，除非基于化石的排放物被相应减少，否则CCUS应用仅仅延缓了二氧化碳的释放。

同时，随着CCUS合成燃料的推广使用，这将降低我们从潜在脆弱的生态系统提取天然资源的需要，还将降低我们大量运输化石燃料的需要，从而也减少了相应的排放物和环境风险。

如果基于CCUS技术的合成燃料能够结合直接空气捕获技术（DAC），那么我们就有可能把合成燃料作为存储各种可再生能源产出物质的媒介（例如，太阳火项目）。

重点在于，我们要确保整个CCUS系统所应用的碳核算规则的可信度，并且采取生命周期办法，精准地评估CCUS技术的正面和负面影响。

其他CCUS应用

除了合成燃料，其他应用也有考虑，包括：含氧化合物（聚碳酸酯、氨基甲酯等），生物质衍生化学品，商品化学品（烯烃、BTX等），矿物质（例如，混凝土制品、混凝土构造物、碳酸盐等）。

规模与影响

要实现与国际能源署净零排放情境相当的减排量，全球每年要减少超过300亿吨碳排放。单凭CCUS技术的应用，不大可能产生实质性影响。

不过，CCUS技术的发展还将带动碳捕获技术的深度发展，以及碳运输基础设施的布局。

许多钢厂都位于产业集聚区，周边靠近其他排放设施，如果能够建设可供多个行业共用的二氧化碳运输和存储基础设施，这有可能让我们高效率地、符合成本效益地达成气候目标。

国际能源署指出：“当布局策略的重点不再是大规模的、单体化的CCUS设施，而是建设可以共享的碳运输与存储基础设施中枢，此时也将开启新的投资机会。¹³

另外，我们还可能将EOR技术设施转化成CCS技术设施，这样就有可能长期地封存大量的、有实质性意义的二氧化碳。

二氧化碳的惰性

二氧化碳是一种惰性气体，要将二氧化碳转化成任何有用的化学品或燃料，都要用到能量。

什么是电解冶金？

电解技术是一种使用直流电，将化合物分解成组成元素的技术。将电极的阴极和阳极浸没在需要电解的化学物质中，进行通电。电解水（H2O），可生成氢和氧；电解氧化铝（Al2O3），可生成金属铝和氧。

为什么考虑在钢铁生产中使用电解冶金？

分离铁矿石中的金属铁与氧，有两种潜在办法。一种是利用化学还原剂（例如，氢或碳），另一种是采用电化学工艺，利用电能还原铁矿石。

在电解冶金过程中，铁矿石浸没在1,600°C的二氧化硅和氧化钙溶液中，当电流通过电解质溶液时发生分解。带负电的氧离子迁移到带正电的正极后，氧以气泡形式分离。带正电的铁离子迁移到带负电的负极后，被还原成元素铁。如果使用无碳电力，铁的生产过程将不会排放二氧化碳。铁矿石电解技术已在实验室规模全面掌握，可生成金属铁和氧
（共生产品）

机会和挑战

扩大规模

一座高炉每年能够生产250万吨铁。

截止目前，已有多个批次的千克量级铁产品使用电解冶金工艺生产，因此电解技术要想占据一定地位，还需扩大8个量级。对于商业化部署来说是一个巨大的挑战。

国际能源署发布的钢铁行业减碳技术路线图指出，“虽然电解冶金可以实现炼钢过程的直接电气化，但由于其TRL等级相对较低，因此未被纳入可持续发展方案。尽管如此，随着创新速度的加快，长期来看，电解冶金能够在可持续炼钢中占有一席之地。”

根据国际能源署提出的加速创新方案，通过加快创新清洁能源技术（其中电解技术发挥着重要作用），预计2050年能源系统有能力整体实现净零排放。

国际能源署的建模表明，在极端条件下，2050年之前可以达到1亿吨铁矿石的电解能力。国际能源署指出，在“加速创新方案“中，要想实现高速创新，目前几乎没有先例可循。

能源供应

由于电解冶金技术不产生二氧化碳，理论上属于净零排放，但前提是，电解冶金所需的电力在生产过程中不会产生排放物，并且电极消耗也不会导致碳排放。

为规模化安装电解冶金工艺所需的设施，低碳电力产能需要显著提高。波士顿金属公司设立了年产400万吨钢的目标。

如果这一目标实现，并且国际能源署畅想的1亿吨极端目标也得以付诸实施，这将需要46GW的低碳电力作为支撑，这相当于5500个全球最大功率海上风力发电机，或者28座1.6GW核反应堆。

冶金

不同于采用传统炼铁技术生产的铁，电解冶金的化学纯度很高，完全由100%铁元素构成。

高炉铁（铁水）通常最高含有5%的碳，还含有一系列杂质（通常含有0.6-0.8%的硅，0.03%的硫，0.7-0.8%的锰，以及0.15%的磷），这些杂质必须在一次炼钢和二次炼钢过程中精炼去除，以达适合最终等级钢材的水平。

直接还原铁中化学成分的典型含量：总铁90–94%，金属铁83–89%，氧化铁6.5–9%，碳0.8–2.5%，矸石2.8–6%，磷0.005–0.09%，硫0.001–0.03%。矸石需要在电炉或转炉工艺中去除。

纯粹的电解冶金就像一张白纸，只有添加了合金元素（包括碳），它才能达到所需属性。这有利于精密控制最终钢的化学成分。

电极

在电解冶金技术达到商业可行性之前，仍有多个工程问题亟待解决。其中包括开发低廉、无碳的惰性阳极，并且在熔融氧化电解条件下，具备耐腐蚀性。

灵活性

与电炉相似，但又不同于高炉，电解炼铁可以根据可再生能源（例如，太阳能和风能）的可用性以及电力价格，随时进行扩大或缩减规模。

什么是氢还原技术？

直接还原铁技术是应用化学方式，从铁矿石中去除（还原）氧。

目前，通过化学还原生产炼钢用铁，使用的还原剂是化石能源（天然气或煤炭）。这一工艺被称为直接还原炼铁工艺。

根据下列简化化学反应公式，碳与铁矿石中的氧结合，生成金属铁和富含碳的工艺煤气：

2Fe₂O₃ + 3C -> 4Fe + 3CO₂

另外一种方法是使用氢替代碳还原铁矿石。根据下列化学反应公式，替换后产生的废气变成了水：

Fe₂O₃ + 3H₂ -> 2Fe + 3H2O , FeO +H₂ -> Fe + H₂O

H₂的生产和使用现状

氢可以从含氢燃料（例如，天然气和沼气）中提取，还可以利用电解技术，从水中提取。

目前天然气制氢是主要来源，约占全球专供氢产量7000万吨的四分之三，约占全球天然气用量的6%。

目前，全球专供氢产量只有不到0.1%来自水电解工艺。

H₂在钢铁行业的应用现状

基于天然气的直接还原铁生产工艺中，氢在还原工艺中确实起到重要作用，尽管这是与碳相结合后产生的。

采用焦炉煤气生产直接还原铁所排放的温室气体，低于高炉工艺的温室气体排放量；每生产1吨直接还原铁，所排放的二氧化碳是1.5吨。

采用天然气生产直接还原铁所排放的温室气体，低于高炉工艺的温室气体排放量；每生产1吨粗钢，所排放的二氧化碳是1.43 吨，而采用高炉工艺排放的二氧化碳是2.2吨（基于2023年世界钢铁协会的计算）。

目前还未开展纯氢炼铁技术。

潜在应用办法

氢主要有三个来源。“绿氢”是可再生能源与电解技术组合生产的氢，“蓝氢”是装备有碳捕获与封存设备（CCS）的工厂利用化石燃料生产的氢，“灰氢”是使用未减排的化石燃料生产的氢。

国际能源署在2020年减排技术路线图中指出，“根据《可持续发展方案》，绿氢将成为2030年代中期主要的还原剂大规模应用”。到2050年，需求将扩大至每年1200万吨。虽然对于一项新技术而言，这意味着快速的扩张和部署，但国际能源署的模型却表明，到2050年，钢铁生产总量中，依靠电解氢作为主要还原剂的产量还不足8%（相当于原生钢产量的14%）。

挑战

扩大规模

根据国际能源署的《可持续发展方案》，到2030年代中期，作为主要还原剂的电解氢将大规模应用，到2050年，电解氢的用量将增至1200万吨。另外，国际能源署预计到2050年，钢铁行业电解氢的最大需求将来自印度和中国（均超过450万吨），原因在于两国巨大的生产能力，以及大量可利用的低成本可再生电力。

今天生产的专供氢约7000万吨，其中76%来自天然气制气，剩余23%几乎全部利用煤炭生产。今天全球专供氢产量中，只有不到0.1%来自水电解工艺。

如果今天的专供氢全部使用水电解工艺生产（利用水和电制氢），每年将需要3,600 太瓦时电力——这已超过欧盟的年度电力产量。

根据国际能源署的《可持续发展方案》，到2050年，全球氢需求量将增至2.87亿吨，这意味着从2020年起，每年增加400%。这将构成巨大的增产挑战。

基础设施

作为一种轻质的小分子气体，氢的储存输送难度大，为实现规模配送，可能需要开发专门设施。

今天全球氢气输送管道接近5,000千米，而天然气输送管道约为300万千米。

现有的高压天然气输送管道经过改造后，未来可用于输送纯氢，但是要对这些管道的适用性进行个案评估，包括管道使用的钢材类型以及输送氢气的纯度。

另外面临的一个挑战是：如果供应与天然气相同的能量，体积需扩大三倍。因此，需要扩大全网的输送和存储能力。

电解冶金技术需要水和电。生产1千克氢，需要约9升水，另外还要产生8千克的共生产品-氧。在水源稀少的地区，这也将成为一个难题。

成本

国际能源署发现，在特定地区背景下，创新型工艺路线（包括高炉CCS技术、熔融还原技术以及利用煤气的直接还原铁技术）的预期成本要比其他商业化同类技术高10-50%。国际能源署同时指出，这部分增加的成本要显著高于今天炼钢行业的利润率。

国际能源署的分析表明，到2030年，由于可再生能源成本的下降以及制氢生产的规模扩大，利用可再生电力生产氢的成本可能降低30%。

安全问题

如同其他能量载体一样，氢气的大规模使用也会引发某些健康和安全问题。

作为一种轻质的小分子气体，氢气的运输需要使用专门的设备和程序。

氢气分子体积很小，能够透过部分材料的结构间隙渗透出来，包括某些铁管和钢管，从而增加这些材料的失效风险。另外，相对于天然气等大分子气体，氢更容易逸出密封件和连接件。

另外，氢气还可能导致钢管和容器的脆化和开裂。但不会造成奥氏体不锈钢的脆化。

氢气具有高度易燃性，它和空气混合后的燃烧浓度极限的范围很宽（4%-75%），而且点火能量极低，在封闭或通风不良的区域，氢气的无意释放尤其危险。

钢铁企业已在开发和部署相关工艺安全管理系统，管理有毒或易燃危险物质围阻体泄漏所带来的风险。

为管理氢的使用风险，还需要更新相关风险评估办法及控制措施。