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2025年1月，《麻省理工科技评论》发布2025年“十大突破性技术”[1]，绿色钢铁技术凭借其在创新领域的突出成就以及在助力实现碳中和目标方面的卓越贡献入选十大榜单。1月8日，美国能源部宣布将在钢铁脱碳领域提供约3000万美元的资助，用以支持涵盖熔融氧化物电解炼铁、电化学湿法冶金技术、新型脱碳铁矿还原工艺等[2]。
目前全球钢铁行业CO2排放约占全球CO2排放当量的7%[3]。在我国，钢铁行业碳排放占全国碳排放总量的15%左右，远高于全球平均水平，位居制造业31个门类首位。因此，钢铁行业的碳减排对于实现我国“双碳”目标具有举足轻重的意义。本文旨在分析2024年以来钢铁行业关键减排技术的研究与应用进展，以期为推动我国钢铁行业的碳减排技术发展提供有价值参考。
一、钢铁行业关键减排技术研究进展
针对高炉富氢冶炼、氢基竖炉直接还原、氢基流化床直接还原、氢基熔融还原等氢冶金工艺的燃烧特性、流体动力学、热力学等的数值模拟一直是学术界关注的重点。通过数值模拟，可深入探索这些工艺的特性与规律，为氢冶金工艺的优化和改进提供理论依据。2024年1月，北京科技大学和昆士兰大学研究人员对HIsmelt熔融还原炼铁工艺反应炉内的流场、温度场和CO2浓度场进行了数值模拟。研究发现，随着氧枪插入深度的增加，U形涡流的影响范围更广，传热效果进一步提高。而增加温差和降低CO2浓度则会降低了燃烧和传热效率[4]。2024年6月，澳大利亚新南威尔士大学构建了一个多流体高炉模型，旨在研究氢气通过轴入口注入高炉时的停留时间分布[5]。2024年11月，东北大学研究人员开发的应用于氢基竖炉的基于计算流体动力学（CFD）的多尺度数学模型，并利用此模型深入研究了原料气中H2与CO的比例对热化学状态、空气动力学状态以及关键性能指标的影响[6]。这些研究将为氢冶金工艺的进一步优化和应用提供宝贵的科学依据。
聚光太阳能驱动的氢基直接还原炼铁技术有望为低碳炼铁提供新的创新视角。2024年9月，法国国家科学研究中心（CNRS）研究人员在高达1000°C的太阳加热填充床反应器中验证了氢直接还原铁矿石粉（直径0.025~2毫米）的还原过程，成功验证了在中等温度（从400℃以上开始）下完全还原矿石生铁生产可再生铁的可行性[7]。同年11月，法国图卢兹纳米物体物理化学实验室也报道了其在聚光太阳能氢直接还原的研究成果。该团队利用模拟太阳能直接加热反应器，研究了铁矿石球团的氢还原。研究结果显示，在单个球团上，通过在曝光过程中旋转3次，在12分钟内达到96 %的还原产率。该还原率能够满足工业上对还原产率的要求[8]。这些研究成果均表明，聚光太阳能驱动的氢基直接还原炼铁工艺有望成为新的低碳炼铁工艺。
德国科学家利用氢等离子体，成功将“赤泥”中的铁氧化物转化为铁，该研究不仅拓宽了铁资源的获取途径，也为绿色钢铁的发展注入了新的活力。2024年1月，德国马普学会钢铁研究所科研团队将赤泥直接放在电弧炉中的贫氢热等离子体（氩-10%氢气）中以产生液态铁[9]。研究结果表明，该工艺可以从15克赤泥中提取2.6克金属铁，接近基于热力学计算的理论极限值，且工艺效率高，还原10分钟时金属化率达到70%，得到的铁产品的平均铁含量为95%，且有害元素（如硫、磷和碳）可以忽略不计，因此可以直接用于炼钢。尽管当前的研究是在数克规模上进行的试验，但是研究人员通过成本分析表明该工艺在工业规模上具有经济可行性。该研究也被Nature期刊的“新闻与观点”栏目评为2024年度科学亮点[10]。
在电化学炼铁领域，学者们围绕惰性阳极、电解质设计等关键技术进行了深入研究。2024年6月，东北大学研究人员研制出的一种用于无碳电化学炼铁的非消耗性氩等离子体阳极[11]。2024年8月，美国阿贡国家实验室科研人员提出一种通用的电解质设计原则，该原则几乎适用于设计任何电化学过程的电解质。研究结果表明，通过严格控制这些阴离子-阳离子-离子对相互作用的强度，可以调整所得电解质的热力学、动力学和界面特性。在机器学习和人工智能的辅助下，利用实验和计算相结合的方法，可以确定高性能阴离子衍生接触离子对（CIP）结构的相关描述符，从而更快地研究可用的巨大组合空间，并为钢铁、水泥等行业大规模脱碳的电化学过程提供新一代电解质[12]。
二、钢铁行业关键减排技术应用进展
1、我国首个高炉富绿氢冶炼项目成功投运，日本高炉富氢冶炼Super COURSE50项目实现CO2减排新突破2024年12月，河北昌黎县兴国精密机件有限公司“30万m³/d绿电电解水制氢—储氢—450m³高炉富氢冶炼”示范项目成功投运。该项目吨铁喷吹纯氢量达到103立方米，可实现高炉炼铁减碳8%~11%。目前该项目已进入“制氢—储氢—高炉富氢冶炼”全工序关键参数的匹配优化提高的新阶段，新阶段旨在进一步提高吨铁喷氢量、优化上下游的协同性、降低能耗和成本[13]。日本高炉富氢冶炼项目Super COURSE50在继2022年实现22%减排量、2023年实现33%减排量后，于2024年12月20日宣布成功实现43%的减排量。该项目将继续开发可将炼钢过程中的CO2排放量减少50%以上的技术，包括放大技术，并加快在大型高炉中的实际应用[14]。该项目计划在2040 年左右在大型高炉中应用该技术[15]。
2、国内外多个氢基竖炉直接还原项目取得新进展，国外实现冷态直接还原铁生产新纪录，我国实现“富氢”向“纯氢”跨越2024年8月，美国纽柯钢铁公司（Nucor Steel）采用ENERGIRON直接还原工艺[16]创下每小时330.3吨冷态直接还原铁（CDRI）的世界产量纪录，每日的产量可达到7928 吨高品质直接还原铁，产品金属化率高达95%、含碳量为3.3%[17]。2024年8月27日，瑞典钢铁公司（SSAB）宣布完成氢基直接还原项目HYBRIT 计划的六年试点阶段工作，结果证明了HYBRIT绿氢直接还原铁工艺的可行性[18]。试点阶段的结果为 HYBRIT 工艺的工业规模实施铺平了道路[19]。
2024年1月，中国钢研科技集团有限公司自主研发和建设的纯氢多稳态竖炉示范工程正式运行，实现我国纯氢竖炉工程的首次成功应用，产品常态金属化率达到97%~99.4%；示范线经过60天长时间连续稳定生产运行后完成项目验收。此外，该项目还进行了全球首次基于纯氢冶金的钒钛磁铁矿工业化高效分离技术试验，累计获得纯氢还原钒钛球团产品300余吨，还原后平均金属化率达到97%，获得铁水中几乎无碳，且使钒、钛元素高效富集在渣中，为高效开发钒钛磁铁矿资源提供新思路[20]。2024年9月，我国河钢集团宣布其120万吨氢冶金示范工程成功应用绿氢作为还原气实现稳定生产，产品合格率100%，金属化率超94％，验证了“绿电—绿氢—绿钢”生产的技术可行性，丰富了氢冶金的原料气源，并为未来实现100%绿氢直接还原打下基础[21]。
3、韩国浦项制铁完成氢基流化床工艺HyREX的首次运行并成功出铁2024年4月，浦项钢铁公司浦项制铁首次试验HyREX工艺并成功生产了15 吨铁水。同年9月，该公司在位于庆尚北道浦项市浦项制铁技术研究实验室安装了HyREX试点设施以进行进一步测试。研究人员在中试流态化还原炉中观察铁矿石的流体反应，标志着该技术的发展迈出了关键的一步[22]。浦项制铁计划在2026年引入一个产能为30万吨的HyREX试验设施，以验证其商业化运营情况，并在 2030年之前完成HyREX商业化[23]。浦项制铁已与普锐特冶金技术签署了设计和建设HyREX示范厂的合作协议[24]。
4、电解炼铁试点工厂投入运营2024年3月，美国清洁铁公司Electra宣布其位于科罗拉多州博尔德的电解炼铁试点工厂投入运营[25]。Electra工艺采用间歇性可再生能源，在60℃条件下通过电化学工艺将铁矿石转化成金属铁。该工艺使用的铁矿石成分杂质多，氧化铝和二氧化硅等主杂质被选择性地提炼为副产品。其生产的铁纯度超过99%，与回收废钢相结合可为电弧炉钢铁制造商提供了最高的使用价值，同时降低了整个价值链的投资成本。该试点项目旨在生产约1平方米的洁净铁板，正在分阶段提高产能，以验证模块化生产能力。通过在中试工厂的连续生产铁板的反复试验示范，该电化学生产清洁铁工艺可以达到百万吨级商业化规模。
三、总结与展望
高炉富氢冶炼技术、氢基竖炉直接还原技术、氢基流化床直接炼铁技术目前整体处于工业示范阶段，它们被视为当前低碳炼铁规模化发展的主要路径。而氢基熔融还原炼铁技术、电化学炼铁技术等则正处于中试或工业验证阶段。尽管这些技术在推动钢铁行业低碳转型中发挥着重要作用，但它们也面临着一系列挑战。
高炉富氢冶炼技术面临的挑战包括：①富氢比例与H2利用率问题，探索适宜的富氢比例、提高H2的利用率，是高炉富氢技术进一步发展的关键。②氢还原热量和温度场变化问题，富氢冶炼使炉内温度分布规律发生改变,铁氧化物还原吸热使得块状带温度下降，炉顶煤气温度降低。③富氢冶炼对于焦炭性能的影响。高炉富氢冶炼时,炉缸内还原气H2含量增加，水煤气反应加速了焦炭的溶损与气化反应。因此，为保证高炉顺行，高炉富氢冶炼需要强度更高的焦炭[26]。
氢基竖炉直接还原技术面临的挑战包括：①由于氢直接还原是吸热反应，需要新的热管理解决方案；②氢直接还原工艺对原料的要求较高，通常需要高品位的铁矿石；③由于 H2的活性化学性质和易燃易爆特性，安全性同样是氢直接还原工艺的一个重要方面[27]。
氢基流化床直接炼铁技术面临的挑战包括：①不同粒度的矿石的流化行为不同，随着矿石粒度分布范围的扩大（即20μm ~200μm），要实现细粒（>100μm）和超细矿石的均匀流化，同时最大限度地减少超细矿石的洗脱和避免较细颗粒的脱流/偏析，是一项重大挑战。②随着还原的进行，细/超细矿石颗粒的表面形态会产生粘附趋势，导致团簇/团聚体的形成，且粘附行为受多种因素的影响。如何确定最佳操作条件以尽量减少粘附、保持稳定的流化并实现所需的金属化率是一项关键挑战[28]。
另外，氢熔融还原工艺是生产无脉石液态铁的一种可能途径。必要的高温可以通过太阳热能产生，这在相关应用中已被证明是可行的。然而要采用这种方法，必须解决反应堆设计、材料兼容性和间歇性等问题。电解炼铁在扩大规模、材料降解问题和低品位矿石的兼容仍然具有挑战性。对于熔融氧化物电解来说，高能耗是关键问题[29]。
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