行业领域

能源与环境

需求背景

在我国的钢铁冶炼行业中，目前主要采用的是长流程冶炼技术，其在整体冶炼工艺中的占比高达90%。尽管氢冶金和废钢冶炼等短流程工艺在技术上已经取得了一定的进展，但从当前的技术成熟度以及氢资源供应体系的建设情况来看，这些短流程工艺在短期内还难以大规模替代传统的高炉-转炉长流程冶炼方式。因此，可以预见的是，在未来相当长的一段时间内，长流程冶炼技术仍将扮演着至关重要的角色。与此同时，在国家提出的双碳战略背景下，为了实现钢铁行业的碳排放降低，我国钢铁冶炼流程的降碳工作将不得不依赖于碳负技术的进一步发展和应用。此外，根据对未来极致低碳冶炼流程的科学预测和估算，即便是在追求低碳排放的未来，长流程冶炼技术仍然会对CO还原气产生需求，而这种需求将取代目前对副产煤气的依赖。

需解决的主要技术难题

1.长流程钢铁冶炼的降碳技术突破。在长流程仍占主导地位的情况下，如何实现高炉-转炉长流程工艺的深度减碳？此时需开发高效的碳负排放技术，例如碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，以降低钢铁生产过程中的二氧化碳排放。

2.短流程工艺的技术成熟度与资源保障。氢冶金技术的工业化应用尚需突破，如氢气直接还原铁（H-DRI）工艺的高温反应稳定性和经济性问题；针对废钢资源不足、回收体系不完善以及废钢利用率低影响短流程的发展问题，需要提升氢冶金和废钢冶炼的技术成熟度，并完善氢资源供应体系与废钢回收体系。

3.钢铁流程对CO还原气的高效利用。未来长流程工艺中，高炉副产煤气的外供模式将转变为满足内部对一氧化碳（CO）还原气的需求。这需要优化副产煤气的收集、分离和转化技术。因此，最主要是开发高效的煤气分离、提纯与再利用技术，确保CO还原的稳定供应，同时提升工艺能效。

4.极致低碳冶炼流程的设计与验证。如何在长流程与短流程的结合中设计出符合“双碳”战略的极致低碳冶炼工艺，并实现可行性验证与规模化推广。最主要是研发适配性强的混合冶炼流程，通过结合长流程与短流程技术实现低碳化；同时，建立数学模型和数字化工具，对未来低碳冶炼流程进行动态模拟和优化。

5.经济性与规模化挑战。目前，降碳技术（如氢冶金和CCUS）的经济成本较高，规模化推广面临较大压力。因此，需要提升降碳技术的经济性，开发低成本、能耗低的创新工艺，同时促进相关政策与市场机制支持。

期望实现的主要技术目标

1. 长流程钢铁冶炼的深度降碳技术目标 （1）二氧化碳捕集率：≥90%，符合国际技术先进水平。 （2）碳排放强度：吨钢CO₂排放量降至1吨以下（目前国内长流程吨钢CO₂排放量约为1.8吨）。 （3）捕集成本：CO₂捕集成本降至200元/吨以下（目前约为300～400元/吨），达到经济可行性。 （4）能效提升：长流程总能量利用效率提升至60%以上，符合国家节能减排目标。 2.氢冶金短流程技术目标 （1）氢气还原率：≥95%（指还原铁矿石中氧的转化率）。 （2）吨钢氢气消耗量：降至50 kg H₂/吨钢以下，以降低氢气成本压力。 （3）还原铁产能规模：单套H-DRI装置年产能达到100万吨以上，实现规模化应用。 （4）温室气体减排强度：吨钢CO₂排放量降至0.5吨以下，显著低于长流程排放水平。 3.废钢冶炼（短流程）技术目标 （1）废钢利用率：钢铁生产总流程废钢利用率提升至30%以上（目前国内约为20-25%，国际先进水平为35%以上）。 （2）吨钢电耗：电炉炼钢吨钢耗电量降至300 kWh/t钢以下（目前国际先进水平为350-400 kWh/t钢）。 （3）废钢回收率：废钢回收率达到95%以上，减少废钢资源浪费。 （4）渣处理率：废钢冶炼产生的钢渣资源化利用率达到100%。 4. 副产煤气向CO还原气的高效转化技术目标 （1）煤气提纯效率：CO浓度提升至≥70%（目前高炉煤气CO浓度约为20-25%）。 （2）转化效率：副产煤气利用率达到95%以上，避免能源浪费。 （3）还原反应选择性：CO还原反应选择性达到90%以上，确保反应效率。 （4）经济性：煤气提纯与转化成本控制在200元/吨钢以下，提高经济可行性。 5.极致低碳冶炼流程的开发与验证目标 （1）综合碳排放强度：未来吨钢综合排放量降至≤0.2吨CO₂/吨钢，接近碳中和。 （2）可再生能源占比：冶炼流程中可再生能源供能占比提升至50%以上。 （3）综合能效：冶炼全流程综合能效提升至70%以上。 （4）新工艺研发周期：极致低碳冶炼流程技术研发周期控制在10年以内，并实现工业化验证。 6. 经济性与规模化推广目标 （1）吨钢总生产成本：再降低100元，与传统长流程工艺成本相当。 （2）技术推广率：降碳技术在钢铁企业的应用率达到80%以上，实现行业广泛覆盖。 （3） 政策支持力度：通过政策补贴、碳交易等机制，降低降碳工艺的实施成本，确保市场竞争力。

需求解析

解析单位：“科创中国”资源回收利用科技服务团（中国环境科学学会） 解析时间：2025-03-17

彭英

湖南省企业科学技术协会联合会

理事长

综合评价

有关技术指标待生产现场调研验证。补充信息仅做参考： 一、关于长流程钢铁冶炼的深度降碳技术目标。①鉴于目前国内吨钢碳排1.7~1.8t，“吨钢CO₂排放量降至1吨以下”远高于行业标准，是否可行有待商榷；②捕集成本。“CO₂捕集成本降至200元/吨以下”短期内定得过高，若实际合作时仍有待商榷； 二、氢冶金短流程技术目标。依托集团优势，中冶京诚氢冶金短流程技术体系在业界较为先进，应无障碍； 三、废钢冶炼（短流程）技术目标。鉴于电炉炼钢比长流程炼钢成本高出200元/吨~500元/吨，因此，基于电炉的废钢冶炼，降电耗是首要考虑问题。依托集团优势，下步建议中冶节能环保进行技术导入，支撑本项目达成技术目标。 四、副产煤气向CO还原气的高效转化技术目标。“煤气提纯与转化成本控制在200元/吨钢以下”，具体问题具体分析，可能不能出现在公开目标承诺上，以免因断章取义引发误解。 五、极致低碳冶炼流程的开发与验证目标。此处，“吨钢综合排放量降至≤0.2吨CO₂/吨钢”“冶炼流程中可再生能源供能占比提升至50%以上”，对于企业生产工作而言，目标制定过于理想，应当强调此处目标是作前沿储备技术验证、非生产实践目标。

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