力争2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和，这是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，是我国对国际社会的庄严承诺。2022年我国粗钢产量10.18亿吨，占世界粗钢产量的54%以上，我国钢铁行业CO2排放占全国能源相关CO2排放总量的15%左右。降低化石能源消耗，减少CO2排放总量和排放强度，确保国家实现“双碳”目标，已成为钢铁行业的重要任务。

钢铁流程主要包括以铁矿石为原料的高炉-转炉长流程（BF-BOF流程）和以废钢为原料的电弧炉短流程（EAF流程）两类。我国钢铁工业长流程粗钢产量占比约为90%，电弧炉短流程粗钢产量占比约为10%。受废钢资源量等因素影响，未来较长时期内，我国钢铁工业仍将以高炉-转炉长流程为主。

我国钢铁工业正处于向过程低碳化和产品高性能化转型升级的关键阶段，加快转炉低碳技术创新，对于促进钢铁工业高质量发展、实现钢铁工业节能降碳具有重大意义。同时，电弧炉短流程工艺具有流程短、降碳潜力大等特点，发展电弧炉短流程是推动我国钢铁行业实现碳中和目标的重要技术举措。本文基于当前我国炼钢碳排放现状，探究“双碳”背景下炼钢极限碳排放路径，助力钢铁行业绿色低碳发展。

1 炼钢极限碳排放路径

高炉-转炉长流程炼钢工艺的吨钢CO2排放量是电弧炉短流程工艺的3倍以上，难以承担钢铁行业的绿色低碳未来。随着我国废钢资源的总量增加，废钢循环及加工产业链的完善，发展电弧炉短流程是钢铁行业低碳发展的主要方向。

根据废钢资源的变化，低碳前沿技术的研究进展，预计在2035年前，钢铁行业仍以高炉-转炉长流程为主要减碳目标，称为BLUE 35-BOF阶段；2035-2060年，将以电弧炉短流程减碳为主，届时钢铁行业将逐步实现深度减碳，称为GREEN 60-EAF阶段，如图1所示。

1.1 BLUE 35减碳路径

BLUE 35减碳路径以高炉-转炉长流程工序降碳为主，兼顾电弧炉短流程绿色低碳技术发展。国内外历经数十年高炉-转炉长流程炼钢工艺减碳研究，目前部分研究成果已在生产中直接或间接得到验证。以下从铁前低碳技术和低碳炼钢技术两方面介绍高炉-转炉长流程极限碳排放路径。

1.1.1铁前低碳生产

高炉-转炉长流程中，铁水生产过程带来的CO2排放占据主导地位，炼铁系统约占钢铁流程CO2排放的70%左右。因此，推进低碳铁水生产，实现源头减碳，是实现高炉-转炉炼钢工艺极限碳排放的重要保证。

铁前低碳生产要以降低化石燃料消耗为核心，焦化工序 CO2 排放主要来源于燃料燃烧和焦化生产消耗各种能源和载能环节间接带来的 CO2排放。焦化工序的低碳技术包括：干熄焦技术、焦炉煤调湿生产、捣固焦技术等。需重点关注氢基高炉用高强度、高反应性焦炭。高炉炼铁工艺的节能减排技术包括：高炉复合燃料喷吹技术（煤粉、废塑料、生物质等）、高炉富氢冶炼技术、氧气高炉、高炉煤气CO2脱除等。高炉富氢冶炼通过向高炉喷吹焦炉煤气、氢气和天然气，替代传统高炉中焦炭和煤的作用，实现高炉系统CO2减排约8%。高炉复合喷吹废塑料、废轮胎、富氢还原气，实现高炉燃料减量的无碳替代，使 CO2 排放量降低约10%。

1.1.2低碳炼钢技术

转炉炼钢以铁水为主原料，配加一定量废钢。根据炉内热平衡计算，通常废钢比例低于20%。增大废钢比例能减少CO2排放，转炉炼钢废钢比每增加10%（即铁水比例减少10%），吨钢CO2排放量减少约6%；废钢比由20%提升至30%，吨钢CO2排放量减少约182 kg；废钢比由20%提升至50%，吨钢CO2排放量减少约547kg。根据某厂转炉的生产数据，不同比例废钢比的吨钢碳排放及能耗如图2所示。

基于我国转炉流程占比高这一基本国情，开发转炉高废钢比冶炼工艺，在转炉内以更高比例的低碳炉料（废钢/DRI）替代高炉铁水进行冶炼，将成为转炉炼钢的重要选择，经济效益和社会效益将日益凸显。

作者团队申请并承担了宝武“全球低碳冶金联盟”首批低碳基金，将开发基于高冷料比的转炉底喷煤粉/生物质炭技术，见图3。与无烟煤相比，生物质炭作为一种零碳能源，拥有与煤相近的热值、较低硫氢含量、更好的燃烧反应性，是“双碳”背景下转炉底吹燃料的重要选择。顶吹氧气、底吹氧气-生物质粉-石灰粉的复吹转炉技术，将是今后实现高废钢比的重要举措。废钢加入转炉后，采用底吹氧气-生物质粉、顶吹氧气进行金属料预热，通过向转炉内兑入高温铁水，在补充热量的同时，依靠底吹石灰粉快速完成磷等元素的去除，可降低炼钢原辅料消耗，满足钢液纯净度的要求。

转炉炼钢主要节能降碳措施及减碳效果见表1。

在电弧炉短流程炼钢技术方面，作者提出了电弧炉炼钢近零碳排放新工艺，从能量来源碳近零、冶炼过程碳近零、原料生产碳近零三个层面实现电弧炉低碳炼钢。结合绿电供能、氢能烧嘴、无碳发泡、氢基直接还原铁等相关技术基础，分析该工艺的实现可行性，研究认为，在2035年，电弧炉CO 2排放将由当前410 kg/吨钢降至280 kg/吨钢。

以现有国内水平CO2排放1700 kg/吨铁计算，采用低碳模式生产，焦化、球团、烧结、高炉工序CO2排放将降低至800 kg/吨铁；按转炉50%废钢+50%铁水原料结构生产核算，采用转炉底喷生物质炭粉替代传统煤粉结合废钢预热等技术，可实现2035年长流程-转炉炼钢工艺极限CO2排放降至457kg/吨钢。

1.2 GREEN 60发展路径

GREEN 60发展路径以电弧炉短流程炼钢降碳为主。基于2035年电弧炉炼钢技术吨钢碳排放280 kg的假设，由于从冶炼单体技术方面难有突破，减碳重点将落实到绿氢、绿电、绿色原料的使用方面。

电力是电弧炉短流程炼钢工艺直接用能的主要形式，电力来源低碳化，尤其结合未来电弧炉短流程炼钢冶炼工艺及突破性技术的实施，将有效降低钢铁企业CO2排放量。绿电是利用太阳能、风能、核能、氢能等不产生CO2排放的外来能源，如果将这部分绿色电能高效利用到炼钢过程中，即可从能量来源上达到碳近零的目标。通常而言，光伏和风力是互补的。阳光强烈时，风力相对较弱；当阳光不充足及黑夜时，风力将发挥作用。但光伏和风电都是受天气影响较大的新能源，发出的电能不能稳定供给用户直接使用，通常用储能系统进行能量储存及调节。由于电弧炉用电需求峰谷变化快，用电量较大，储能系统要求比容量大、输出效率高、循环寿命要求长等。作者提出了由风光互补发电系统供能、储能系统进行调节的电弧炉炼钢微电网，可以充分利用风光的互补优势，使用清洁能源的同时，在获得更低成本的情况下，保证电弧炉的平稳生产，见图4。该技术在经济上也是可行的，经测算：光电、风电和谷电的三种能源的价格平均在0.2-0.3元/kWh，使得电弧炉炼钢生产的能源成本下降，具备实现电弧炉炼钢生产的“能量供给碳近零”目标。

氢能作为一种清洁、高效、可持续发展的能源，在钢铁生产流程中的应用是当前研究热点之一。集束射流氧枪被广泛应用于电弧炉生产过程，起到废钢助熔、高效供氧的作用。作者将氢能和集束氧枪技术结合，利用氢气来代替作为集束氧枪燃料气体的天然气、煤气等，形成氢氧集束射流氧枪，实现氢能在电弧炉炼钢中的有效利用。相比甲烷和乙烷，氢气点火能量低，火焰稳定性好，可燃流速高，可满足炼钢生产提速及冷区热量补充的要求。

为实现炼钢厂的转炉-精炼-连铸全工序降碳减碳，精炼、连铸等工序应着眼于绿色化、低碳化技术，利用绿氢、绿电、绿色原料等充分挖掘炼钢厂全工序节能减碳潜力。具体措施包括：①加热电力化。钢包烘烤、中间包烘烤等冶金容器耐材的烘烤采用绿能加热、等离子加热等取代燃气加热，实现精炼工序加热烘烤零碳排放。②燃料洁净化。氢能配合全氧燃烧，将其应用到烘烤、加热等环节，燃烧介质完全不涉及碳元素；连铸坯采用氢氧切割，铸坯切割不再产生CO2，理论计算降低碳排放0.692kg/吨钢。③生产高效化。随着连铸工艺的不断发展，近终形连铸、连铸坯热装热送、直送等高效连铸技术得到长足进步，其在节能减排降耗方面效果显著。据测算，采用高效连铸技术吨钢碳排放可降低27.49kg。

在GREEN60阶段，充分发挥绿氢、绿电和绿料降碳潜能，高炉-转炉长流程吨钢CO2排放将降至400kg，电弧炉短流程吨钢CO2排放将降至64 kg，实现钢铁行业深度减碳。

2 突破性低碳技术的思考

钢铁行业真正意义上实现绿色低碳发展，不仅仅要发展单元节能减碳技术，更要发展钢铁全流程突破性低碳技术。立足于现有低碳技术储备，作者建议关注以下突破性技术在钢铁行业的开发应用。

2.1 突破性炼钢技术

2.1.1 埋弧炉-转炉流程新工艺

在高炉-转炉长流程冶炼工艺中，CO2排放量主要集中在铁前工序，即高碳铁水的生产工序。降低铁水的加入量，提高废钢或DRI的使用量将是最有效的减碳方法。在埋弧炉中预熔废钢或DRI后，直接转入转炉或与高炉铁水混合，装入转炉使用，配合埋弧炉采用100%绿电，将大幅降低炼钢CO2排放。近期国内外已有提出埋弧炉-转炉流程新工艺，其工艺流程见图5。

以铁水和废钢为原料对埋弧炉-转炉流程炼钢碳排放、能耗、成本的影响：废钢入炉比例增加10%，吨钢碳排放平均降低156kg，吨钢能耗降低47kgce。

2.1.2 全连续超短流程电弧炉炼钢工艺

传统电弧炉炼钢工艺主要存在以下问题：能量消耗高，工序间“界面”存在大量能量耗散；生产周期长，不同工序衔接匹配不畅；设备利用率低，工序功能分散，工序间紧凑程度低，无法实现全流程连续生产，难以充分发挥电弧炉超高功率供电系统、高效连铸等关键装备的设计效能与制造潜力。为克服现有电弧炉炼钢存在的系统性问题，2016年，作者提出并开展了“全连续超短流程电弧炉炼钢工艺”研究，其工艺流程见图6，包括电弧炉，出钢溜槽，精炼床和连铸机四个直接相连的工位。其特点为：原料连续加入，成品铸坯连续产出，各工位中的物质与能量保持动态平衡，可实现低耗高效生产。

全连续超短流程电弧炉炼钢工艺物料消耗更低、能量利用效率更高，可降低电弧炉出钢温度至1580℃甚至更低，缩短电弧炉冶炼周期10min；终点钢水过氧化程度低，钢铁料消耗下降。与传统电弧炉短流程相比，全连续超低碳新流程碳排放量减少14.2%，年产量提高31.7%，极具发展潜力。其与传统电弧炉短流程炼钢工艺指标对比见表2。

2.2 CCUS技术在钢铁行业的应用

二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）是指将CO2从能源行业、制造业排放的尾气或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程。CCUS作为我国实现碳中和目标的重要组成部分，不仅是我国煤炭、石油化工、天然气等化石能源行业实现低碳转型的有力举措，更是钢铁行业减碳的终极手段，以解决最后的钢铁行业CO2排放，努力实现碳中和。

经多年研究与探索，发现CO2应用于转炉冶炼可改善多项技术指标，提出了“转炉炼钢CO-CO2质能转换自循环利用”（CO-CO2 Mass Energy Conversion Self-Recycling for BOF Steelmaking，CCMER）的新工艺思路，即转炉煤气富氧燃烧实现烟气中CO2富集，并采用PSA法分离提纯烟气中CO2，其中转炉煤气燃烧副产蒸汽和CO2冶炼工序增产转炉煤气可供CO2捕集工序使用，目的是实现转炉炼钢CO-CO2质能转换自循环低成本利用。新工艺思路有助于推动钢铁企业大规模捕集CO2并应用。“转炉炼钢CO-CO2质能转换自循环利用”的新工艺思路如图7所示。由于炼钢过程要求CO2气源具有稳定、压力高、流量大和洁净等特点，钢铁企业的CO2气源主要考虑石灰窑烟气、发电厂烟气、轧钢加热炉烟气或煤气直接分离等。将分离提纯后的CO2作为转炉冶炼顶底复吹气，目前已在多个企业应用。

2.3 绿色钢化耦合、钢农联合技术方向

统筹考虑CO2在各领域的应用及要求，作者提出了以钢铁流程尾气提纯制备CO2为核心的CO2绿色钢化耦合、钢农联合等CO2消纳技术方向，见图8。钢铁企业是碳排放大户，其制造工序排放大量高CO2浓度的尾气，包括石灰窑尾气、热风炉尾气、高炉煤气、转炉煤气、轧钢加热炉尾气等，集中建立工序排放尾气净化提纯CO2装置，低成本回收CO2并作为资源重新整合利用，回收的CO2气体不仅满足钢铁企业自身需要（如CCMER），还可以拓展延伸应用至油气开发、化工、食品加工等行业以及农业生产，实现以钢铁工业为核心的绿色生态圈。

本文探究了碳达峰碳中和目标背景下，我国钢铁工业极限CO2排放技术发展路径，提出钢铁行业“BLUE 35、GREEN 60”发展阶段。即，2035年前后，钢铁工业CO2减排放仍以高炉-转炉长流程为主；2035-2060年，CO2减排路径将以电弧炉短流程减碳为主。

充分发挥绿氢、绿电和绿色原料的低碳潜力，在2060年前后，高炉-转炉长流程吨钢CO2排放将降至400kg，电弧炉短流程吨钢CO2排放将降至64 kg。结合CCUS在钢铁行业的应用及钢化耦合、钢农联产等突破性技术，可实现钢铁行业深度减碳，助力钢铁行业实现碳中和目标。