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1 低碳炼钢，对钢企有何影响?
2020 年 9 月，我国提出二氧化碳排放力争 2030 年碳达峰、2060 年碳中和的目标。钢铁工业碳排放量约占全国碳排放总量的 15%左右，是排碳量最高的制造业行业。钢铁行业是落实减碳目标的重要主体，低碳炼钢是我国钢企必须迎接的挑战。
钢铁碳中和下，我国钢企肩负巨大的减碳压力。横向对比美国从碳达峰到减碳 25%花费 13 年时间，欧盟从碳达峰到减碳 30%花费 40年时间，如何按时完成减碳目标是对钢企 的巨大考验。
2 低碳炼钢，哪种工艺更胜一筹?
碳达峰碳中和背景下，钢企如何完成减碳目标?众多冶炼工艺之间差异如何?又会在钢企未来绿色冶金路线中起到怎样的作用?本文通过介绍当前我国主要炼钢工艺的特点， 分析各工艺未来发展前景，以此推演出我国钢企低碳炼钢的潜在实现路径。
当下主流——高炉-转炉工艺：排碳量高，亟需替代
传统长流程炼钢的过程，本质上讲，是一个以碳为还原剂对铁的氧化物进行还原反应的过程。铁矿石依靠焦炭和煤还原成铁水，铁水中的碳是转炉炼钢过程升温及能量平衡的 保证。因此传统长流程炼钢是以碳还原、碳氧化、碳添加为主线的生产过程，二氧化碳 的排放量巨大。
一吨钢，两吨碳，高炉冶铁产生了绝大部分的碳排放。长流程炼钢的流程中，吨钢二氧 化碳排放量约为 1.8-2.4 吨，其中 94%的碳排放来自于化石燃料的燃烧。仅在高炉炼铁 这一工序，焦炭和煤的燃烧产生的碳排放就占总排放的 60%-70%。减少碳排放的工艺 多具有以下特征：1)使用清洁能源替代焦炭和煤;2)对碳产生的还原气循环利用;3) 对碳产生的温室气体分离、利用或封存。
中国高炉-转炉工艺产钢量约占总产量的 88.4%，高于 71.5%的世界平均水平;在全球 前十大钢铁生产国家中，中国短流程占比最低。如果对高炉工艺加以改进或使用更低碳 的工艺替代，或将释放巨大的减排空间。
我们认为，未来高炉富氢、短流程炼钢和氢基直接还原铁等工艺或将在不同的阶段承担起钢企减碳的重任;金属化微波烧结，炉顶煤气 循环技术(TGR)，CO2 的分离、储存、资源化利用技术(CCUS)，以及清洁能源发电 制氢技术的发展将有助于钢企实现低碳炼钢。
从中国宝武制定的减碳目标看，2020 到 2035年仍以高炉长流程炼钢为主，通过对传统 高炉工艺加以技术改造，实现减碳目标;2035 年到 2050年将大力发展氢基竖炉，辅以 CCUS 技术的发展，最终在 2050 年达到碳中和。
未来式——高炉富氢碳循环：以氢代碳，循环用碳
可以预见的是，目前以及未来相当长的时间内，高炉-转炉工艺都是我国钢铁冶炼的主流 工艺，而基于高炉加以改进、减少高炉冶铁过程中的碳排放量，则是我国钢企短期减碳 较合理的发展方向，其中高炉富氢工艺发展较为成熟。
高炉富氢通过在高炉中喷吹高浓度的焦炉煤气(其中富含高浓度的 H2 和 CH4)，用还原 气替代传统高炉中焦炭和煤的作用;辅以炉顶煤气循环技术(TGR)和碳捕集、封存、 利用技术(CCUS)，将高炉煤气中的 CO、H2 循环再利用，CO2 捕集、封存地下、或用 于工艺生产，从而减少高炉冶铁流程中的碳排放。
短期卓有成效，长期能力有限
向高炉中喷吹焦炉煤气的浓度决定了该工艺经济效益和减碳效果。浓度越高，生产效率 越高，减碳效果越好。一方面，H2 具有还原性，焦炉煤气浓度增加时，炉内还原气浓度 上升，炉料还原加速，从而提高生铁生产效率，H2 参与还原越多，对焦炭的消耗越少; 另一方面，H2 参与还原反应时，炉内需要喷吹更多的富氧进行热补偿，富氧浓度的增加 强化了回旋区碳的燃烧，有利于炉料的快速下降。
但是，焦炉煤气浓度提高时，H2的利用率下降，对还原气利用率的提升边际递减。考虑 到焦炉煤气和富氧的成本，喷吹焦炉煤气在吨铁 50m3 时具有最高的经济效益。
尽管焦炉煤气减碳能力随着浓度得提升而增强，但是焦炉煤气对焦炭的替代作用有限： 1)从热源上看，高炉冶炼中 70%-80%的热源是碳燃烧提供，H2 还原铁是吸热反应，反 应时需要不断提供热量;2)从还原率看，H2 的密度小，在高炉中停留的时间短，相比 于焦炭对铁的还原率更低，使生产效率下降;3)从骨架作用上看，氢的密度和分子结构 决定了氢无法像碳一样在高炉中起到支撑骨架的作用，使得还原气和炉料的接触不充分。
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