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钢铁行业是我国主要的能源消费及CO₂排放行业，其CO₂排放量约占全国总排放量的15%-16%。我国钢铁行业CO₂排放主要集中在炼焦、烧结和高炉炼铁三个工艺环节，其中高炉炼铁过程的CO2排放量最大，碳捕集潜力也最大。

根据相关数据，2022年全国钢铁行业的捕集潜力为11.55亿吨/年，其中高炉炼铁的捕集潜力最大，年二氧化碳捕集潜力为9.24亿吨，占比超过80%。这表明钢铁行业在CCUS技术应用方面具有巨大的潜力。

随着社会经济的迅速发展，由温室气体排放引起的全球气候变化问题愈发严重。钢铁作为重工业的重要组成部分，中国粗钢产量约占全球的57%，是全球最大的钢铁生产国。中国钢铁生产过程中主要以燃料和还原剂主要以碳排放比例高的煤炭为主，导致碳排放量占全球钢铁行业碳排放总量60%以上，成为全球CO₂排放量的主要来源之一。

全球钢铁行业年碳排放量达37.2亿吨，占全球总排放量的7.2%。中国钢铁行业贡献全球钢铁碳排放的49.5%，占中国总排放量的15-16%。其中，长流程炼钢（高炉-转炉）占中国钢铁生产的90%，碳排放强度为1.93吨CO₂/吨钢，远高于电炉短流程（0.6-1.2吨CO2/吨钢）。其主要原因在于长流程生产工艺是以煤炭为能源、焦炭为还原剂来进行辅助冶炼，而煤炭和焦炭是钢铁行业产生CO₂排放的主要来源。

｜实现碳中和路径

（1）压减钢产量

就目前来说，最能立竿见影、短期内效果最明显的还是通过环保、质量、能耗等指标压减钢产量。

（2）改进生产工艺

钢铁企业可以对生产工艺进行技术升级改造，逐步推动清洁能源取代化石能源，目前，比较受关注的是氢能炼钢。氢能炼钢是近十年来钢铁行业减少CO₂排放量的全新前沿技术。以氢代替碳是钢铁行业实现高质量发展的重要出路。

（3）发展电炉炼钢

从目前来看，欧洲、美国、印度等国家的电炉钢占比60%左右，亚洲其他国家占比在20%～30%，我国为10.4%。电炉炼钢相比于转炉炼钢可以节省60%的能源、40%的新水，可减少86%的废气、76%的废水的排放，也将减少72%的废渣、97%的固体排放物。

（4）提升绿色钢铁产品产能

这就要求钢铁企业在钢铁产品的制造过程中，生产更多长寿命、强耐腐蚀性、轻量化的高附加值产品，从而促进下游降低钢材消耗量进而达到降低能耗和减少碳排放。

（5）碳捕集、利用与封存技术

CCUS技术被认为是有望实现CO₂大规模减排的技术，尤其适用于排放强度高的集中点源一钢铁行业，因此这一技术应用于钢铁行业以减少CO₂排放的可行性及潜力非常大。

CCUS在钢铁工业碳减排中扮演着关键角色，形成了一个涵盖碳捕集、碳利用、碳封存、碳核证、碳监测以及碳资产管理的全流程降碳“6C”体系。

CCUS

｜在钢铁行业的应用设计

（1）排放源的分级管理

钢铁生产包括烧结、炼铁、炼钢、轧钢等环节，各环节CO₂排放浓度为4%-28%。烧结烟气CO₂浓度10%-15%，高炉煤气约18%-22%，转炉煤气约14%-18%。低浓度和大体积气体使捕集难度增加，需更高成本和技术。这使得钢铁行业在应用 CCUS 技术时，需要针对不同的排放源和浓度特点，研发专门的捕集技术和设备，以提高捕集效率和降低成本。

化学吸收法通过吸收剂与CO₂反应实现高效捕集，但能耗高、成本大且对设备腐蚀性强；物理吸附法利用多孔材料吸附CO₂，再生能耗较低但吸附容量有限，设备投资较高；膜分离法依靠特殊膜材料在常温下分离CO₂，操作简单且能耗低，但膜材料性能不足、稳定性差，在低浓度CO₂场景下应用受限。三种方法各有优劣，适用于不同场景。高CO₂浓度的排放源可优先采用化学吸收法，并通过研发低能耗吸收剂优化成本与效率；对能耗和空间敏感的场景则适合物理吸附或膜分离法，改进材料性能可提升其效果。此外，结合多种技术（如化学吸收与膜分离）能够发挥协同优势，实现更高效、更高纯度的CO₂捕集。

（2）打造多元CO₂利用路径

捕集的CO₂可以通过多种途径进行利用，包括化学利用、生物利用、矿化利用和等。

①化学利用：CO₂可以转化为甲醇、尿素、烯烃等化学物质，实现资源的循环利用。例如，北京首钢朗泽新能源科技有限公司成功利用工业尾气制得高纯度的燃料乙醇，实现了CO₂的化学利用。此外，CO₂还可以通过电催化、光催化等技术转化为其他有用的化学品。

②生物利用：主要包括生物发酵技术和微藻固碳技术。生物发酵技术利用微生物将CO₂转化为乙醇等生物燃料。

③矿化利用：主要是将CO₂用于水泥和混凝土制品的矿化养护，以替代传统蒸汽或者蒸压养护；或着将CO₂与大宗碱性工业固废协同资源化处置，制备新型低碳建材或其他制品。其主要原理是利用水泥混凝土或碱性固废中的碱性组分与CO₂反应，生成稳定碳酸盐，从而实现对CO₂的永久固封。例如包钢包瀜碳化法钢渣综合利用产业化项目，以废弃的钢铁渣和工业排放的CO₂为原料，采用碳化法精细化工工艺，生产负碳（高纯）碳酸钙填料、固碳微粉产品。这种利用方式不仅具有良好的环境效益，还能为企业创造一定的经济效益。

④炼钢利用：捕集的CO₂还可以直接用于钢铁冶金过程。在高炉中，使用CO₂代替压缩空气或氮气作为传输介质进行高炉喷煤，可以减少高炉排出的废气量，并提高废气中CO₂和CO的体积分数。在转炉中，顶吹一定量的CO₂可以调控炼钢脱磷过程的温度，促进脱磷反应的进行；底吹一定量的CO₂则有利于在体系内产生更多气体，强化熔池搅拌。

（3）CO₂的运输和封存是 CCUS 技术链中的重要环节，直接影响到 CCUS项目的成本和效益，优化CO₂的运输网络和封存技术具有重要意义。

管道运输是大规模CO₂运输的高效方式，需结合钢铁企业分布、封存地点及GIS技术优化布局并降低成本，同时高压输送可提高效率但需加强安全管理。罐车和船舶运输适用于不同场景，应综合考虑安全性、成本和环境因素选择合适方案。地质封存是主要的CO₂封存方式，需利用地球物理勘探评估封存潜力，通过监测技术防范泄漏风险，并制定应急预案降低对环境和健康的影响。

2024年，美国CarbonFree公司将在钢铁公司加里厂新建一座采用SkyCycleTM技术的碳捕集装置。该项目预计2年后建成并投入使用，每年将捕集50000t的CO₂（相当于12000辆轿车的年碳排放量）。除此之外，美国钢铁公司还与美国国家能源技术实验室合作，在宾夕法尼亚州蒙瓦利厂试点开发了一种先进的膜分离技术，以减少炼铁过程中的碳排放。

表：钢铁行业CCUS商业化运行项目

国际能源署（IEA）研究表明，在深度脱碳的情景下，到2050年，全球钢铁行业通过CCUS技术实现的CO₂减排量需占总减排量的8%。从政策层面看，全球各国政府纷纷出台政策支持CCUS技术在钢铁行业的应用；从技术层面看，已有多种捕集、运输、利用和封存技术可供选择，且部分技术已在示范项目中得到验证；从经济层面看，虽然当前成本较高，但随着技术进步和规模化应用，成本有望降低，具有潜在的经济效益；从环境层面看，应用CCUS技术可显著减少钢铁行业的CO₂排放，对缓解温室效应、改善环境质量具有重要作用。

随着钢铁行业作为重点排放行业纳入碳市场进行管理，将面临来自强制排放市场和自愿减排市场的挑战和机遇。面对行业减碳的必然要求叠加碳市场带来的压力和动力，CCUS技术必将得到我国钢企越来越多的关注和青睐。目前我国钢铁企业已经开展多项CCUS示范项目的开工建设，待相关项目建成并投产之后，我国钢铁行业实现“双碳”目标的路径有望全部打通。

参考资料：

1、邱慈观：钢铁脱碳的关卡——CCUS的商业化运营挑战；

2、可持续发展经济导刊：《钢铁行业CCUS破局之路：迈向碳中和的关键变革》；

3、田京雷、柴雅宁等：钢铁工业CCUS全流程降碳体系构建与技术进展；

4、化学工业出版社：碳达峰与碳中和实施指南；

5、其他公开资料整理。

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