秦阿寧 孫玉玲
2025年1月份，《麻省理工科技評論》發(fā)布了2025年“十大突破性技術”，憑借在創(chuàng)新領域的突出成就以及在實現(xiàn)碳中和目標的卓越貢獻，綠色鋼鐵技術入選10大榜單。2025年1月8日，美國能源部宣布將在鋼鐵脫碳領域資助熔融氧化物電解煉鐵、電化學濕法冶金技術、新型脫碳鐵礦還原工藝等技術。在全球，鋼鐵行業(yè)碳排放約占排放總量的7%；在我國，鋼鐵行業(yè)碳排放占排放總量的15%左右，遠高于全球平均水平，位居制造業(yè)31個門類首位。因此，鋼鐵行業(yè)碳減排對于我國實現(xiàn)“雙碳”目標具有舉足輕重的作用。
鋼鐵行業(yè)關鍵減排技術研究進展
氫冶金工藝的燃燒特性、流體動力學、熱力學等數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬，深入探索工藝特性與規(guī)律，可為氫冶金工藝優(yōu)化和改進提供理論依據(jù)。1月（以下月份均為2024年），通過數(shù)字模擬HIsmelt工藝反應爐內(nèi)的流場、溫度場和CO2濃度場，北京科技大學和昆士蘭大學研究人員發(fā)現(xiàn)增加氧槍插入深度，U形渦流影響范圍變大，傳熱效果提高；增加溫差和降低CO2濃度會降低燃燒和傳熱效率。6月，澳大利亞南威爾士大學構建多流體高爐模型，研究氫氣注入高爐后停留時間分布情況。11月，東北大學開發(fā)多尺度數(shù)學模型，計算氫基豎爐的流體動力學，并深入研究H2與CO比例對熱化學、空氣動力學以及關鍵性能指標影響。
氫等離子體還原赤泥生產(chǎn)鋼鐵。1月，德國馬普學會研究人員將赤泥放在含氫10%的熱等離子體電弧爐中產(chǎn)生液態(tài)鐵，從15克赤泥中提取了2.6克金屬鐵，接近理論極限值，還原10分鐘時金屬化率達70%，平均鐵含量為95%，有害元素（如硫、磷和碳）可忽略。該工藝在工業(yè)化方面具有經(jīng)濟性，被Nature期刊“新聞與觀點”欄目評為2024年度科學亮點。
電化學煉鐵領域的惰性陽極、電解質(zhì)設計。6月，東北大學研制出非消耗性氬等離子體陽極，用于無碳電化學煉鐵。8月，美國阿貢國家實驗室提出一種電解質(zhì)設計原則，適用于任何電化學過程，通過嚴格控制陰離子-陽離子-離子對相互作用的強度，可調(diào)整所得電解質(zhì)的熱力學、動力學和界面特性。在人工智能輔助下，利用實驗和計算相結合的方法，可確定高性能陰離子衍生接觸離子對（CIP）結構，為更快地研究提供了巨大組合空間。
聚光太陽能驅(qū)動的氫基直接還原鐵。9月，利用1000℃的太陽能加熱填充床反應器，法國國家科學研究中心研究人員實驗了氫直接還原鐵礦粉過程，驗證了400℃～1000℃鐵礦石直接還原為鐵的可行性。11月，法國另一團隊利用模擬太陽能直接加熱反應器，在曝光過程3次旋轉(zhuǎn)單個球團，在12分鐘內(nèi)還原率達到96%，此還原率可滿足工業(yè)要求。
鋼鐵行業(yè)關鍵減排技術應用進展
高爐富氫冶煉。12月，昌黎縣興國精密機件有限公司“300000m3/d綠電電解水制氫—儲氫—450m3高爐富氫冶煉”項目投運。該項目噸鐵噴吹純氫達103m3，可實現(xiàn)高爐煉鐵碳排放減少8%～11%。目前，該項目已進入全工序關鍵參數(shù)優(yōu)化提高階段，旨在提高噸鐵噴氫量、優(yōu)化上下游協(xié)同性、降低能耗和成本。12月20日，日本高爐富氫冶煉項目Super COURSE50宣布成功實現(xiàn)43%的減排量，還將開發(fā)CO2排放量減少50%以上的技術，以及放大規(guī)模在大型高爐上應用。
氫基豎爐直接還原項目。1月，中國鋼研自主研發(fā)和建設的純氫多穩(wěn)態(tài)豎爐示范工程運行，常態(tài)金屬化率達到97%～99.4%。該項目對釩鈦磁鐵礦進行了工業(yè)化試驗，累計還原釩鈦球團產(chǎn)品300余噸，平均金屬化率達97%，且使釩、鈦元素高效富集在渣中，為釩鈦磁鐵礦資源開發(fā)提供了新思路。8月，美國紐柯采用ENERGIRON直接還原工藝，創(chuàng)下每小時330.3噸冷態(tài)直接還原鐵（CDRI）的產(chǎn)量世界紀錄，日產(chǎn)量可達7928噸，產(chǎn)品金屬化率高達95%、含碳量為3.3%。8月27日，瑞典鋼鐵完成HYBRIT項目的試點階段工作，證明HYBRIT綠氫直接還原鐵工藝具有可行性，為 HYBRIT工業(yè)化鋪平了道路。9月，用綠氫作為還原氣體，河鋼120萬噸氫冶金示范工程實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率為100%，金屬化率超94％，驗證了“綠電—綠氫—綠鋼”的技術可行性，豐富了氫冶金氣源。
氫基流化床工藝HyREX成功出鐵。4月，浦項制鐵試驗HyREX工藝，成功生產(chǎn)了15噸鐵水。9月，浦項制鐵研究人員在中試流態(tài)化還原爐中觀察鐵礦石流體反應，該技術發(fā)展邁出了關鍵一步。浦項制鐵計劃在2026年建設一座30萬噸的HyREX試驗設施，驗證其商業(yè)化運營情況，并計劃在 2030年之前完成商業(yè)化。
電解煉鐵試點工廠投入運營。3月，美國清潔鐵公司宣布電解煉鐵試點工廠投入運營。Electra工藝通過電化學方式，采用間歇性可再生能源，工作溫度在60℃時將鐵礦石轉(zhuǎn)化成金屬鐵。鐵礦石中的氧化鋁和二氧化硅等主雜質(zhì)被提煉為副產(chǎn)品。產(chǎn)品中鐵純度超過99%，與廢鋼結合為電爐提供原料，有望降低了整個產(chǎn)業(yè)鏈的投資成本。該項目中試廠正在反復試驗連續(xù)生產(chǎn)能力，分階段提高產(chǎn)能，驗證規(guī)模化前景，生產(chǎn)規(guī)模目標為百萬噸級。
總結與展望
目前，高爐富氫冶煉、氫基豎爐、氫基流化床處于工業(yè)示范階段，氫基熔融還原煉鐵、電化學煉鐵等正處于中試或工業(yè)驗證階段。這些技術在推動鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型中仍面臨著一系列挑戰(zhàn)。
高爐富氫冶煉面臨的挑戰(zhàn)包括：一是氫氣含量與氫氣利用率問題，包括探索適宜的氫氣含量、協(xié)同優(yōu)化與CO的耦合還原、提高氫氣利用率等。二是熱量平衡與溫度控制問題，富氫冶煉使爐內(nèi)溫度分布規(guī)律改變,如何保障反應所需熱量和溫度是關鍵。三是富氫冶煉影響焦炭性能。高氫氣比例會加劇焦炭溶損反應。為保證高爐順行，高爐富氫冶煉對焦炭強度提出更高要求。
氫基豎爐面臨的挑戰(zhàn)包括：一是需要新的熱能解決方案，應對直接還原的吸熱反應。二是需要高品位的鐵礦石、球團。三是生產(chǎn)安全問題，應對氫氣的活潑性和易燃易爆特性。
氫基流化床面臨的挑戰(zhàn)包括：一是不同粒度的礦石流化行為不同，要實現(xiàn)大于100μm細粒和超細礦石均勻流化，最大限度減少超細礦石的洗脫和避免較細顆粒脫流/偏析。二是隨著還原反應進行，細/超細礦石顆粒表面會產(chǎn)生黏附趨勢，導致團簇/團聚體形成，減少黏附、保持穩(wěn)定流化并實現(xiàn)目標金屬化率。
另外，氫熔融還原工藝是生產(chǎn)無脈石液態(tài)鐵的一種可能途徑。必要高溫可通過太陽能產(chǎn)生，采用這種方法必須解決反應堆設計、材料兼容性和間歇性等問題。電解煉鐵在擴大規(guī)模、材料降解和低品位礦石的兼容仍存在挑戰(zhàn)性。對于熔融氧化物電解來說，能耗高是關鍵問題。
（秦阿寧、孫玉玲系中國科學院文獻情報中心助理研究員、研究員）
