秦阿宁 孙玉玲
2025年1月份，《麻省理工科技评论》发布了2025年“十大突破性技术”，凭借在创新领域的突出成就以及在实现碳中和目标的卓越贡献，绿色钢铁技术入选10大榜单。2025年1月8日，美国能源部宣布将在钢铁脱碳领域资助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技术。在全球，钢铁行业碳排放约占排放总量的7%；在我国，钢铁行业碳排放占排放总量的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，钢铁行业碳减排对于我国实现“双碳”目标具有举足轻重的作用。
钢铁行业关键减排技术研究进展
氢冶金工艺的燃烧特性、流体动力学、热力学等数值模拟。通过数值模拟，深入探索工艺特性与规律，可为氢冶金工艺优化和改进提供理论依据。1月（以下月份均为2024年），通过数字模拟HIsmelt工艺反应炉内的流场、温度场和CO2浓度场，北京科技大学和昆士兰大学研究人员发现增加氧枪插入深度，U形涡流影响范围变大，传热效果提高；增加温差和降低CO2浓度会降低燃烧和传热效率。6月，澳大利亚南威尔士大学构建多流体高炉模型，研究氢气注入高炉后停留时间分布情况。11月，东北大学开发多尺度数学模型，计算氢基竖炉的流体动力学，并深入研究H2与CO比例对热化学、空气动力学以及关键性能指标影响。
氢等离子体还原赤泥生产钢铁。1月，德国马普学会研究人员将赤泥放在含氢10%的热等离子体电弧炉中产生液态铁，从15克赤泥中提取了2.6克金属铁，接近理论极限值，还原10分钟时金属化率达70%，平均铁含量为95%，有害元素（如硫、磷和碳）可忽略。该工艺在工业化方面具有经济性，被Nature期刊“新闻与观点”栏目评为2024年度科学亮点。
电化学炼铁领域的惰性阳极、电解质设计。6月，东北大学研制出非消耗性氩等离子体阳极，用于无碳电化学炼铁。8月，美国阿贡国家实验室提出一种电解质设计原则，适用于任何电化学过程，通过严格控制阴离子-阳离子-离子对相互作用的强度，可调整所得电解质的热力学、动力学和界面特性。在人工智能辅助下，利用实验和计算相结合的方法，可确定高性能阴离子衍生接触离子对（CIP）结构，为更快地研究提供了巨大组合空间。
聚光太阳能驱动的氢基直接还原铁。9月，利用1000℃的太阳能加热填充床反应器，法国国家科学研究中心研究人员实验了氢直接还原铁矿粉过程，验证了400℃～1000℃铁矿石直接还原为铁的可行性。11月，法国另一团队利用模拟太阳能直接加热反应器，在曝光过程3次旋转单个球团，在12分钟内还原率达到96%，此还原率可满足工业要求。
钢铁行业关键减排技术应用进展
高炉富氢冶炼。12月，昌黎县兴国精密机件有限公司“300000m3/d绿电电解水制氢—储氢—450m3高炉富氢冶炼”项目投运。该项目吨铁喷吹纯氢达103m3，可实现高炉炼铁碳排放减少8%～11%。目前，该项目已进入全工序关键参数优化提高阶段，旨在提高吨铁喷氢量、优化上下游协同性、降低能耗和成本。12月20日，日本高炉富氢冶炼项目Super COURSE50宣布成功实现43%的减排量，还将开发CO2排放量减少50%以上的技术，以及放大规模在大型高炉上应用。
氢基竖炉直接还原项目。1月，中国钢研自主研发和建设的纯氢多稳态竖炉示范工程运行，常态金属化率达到97%～99.4%。该项目对钒钛磁铁矿进行了工业化试验，累计还原钒钛球团产品300余吨，平均金属化率达97%，且使钒、钛元素高效富集在渣中，为钒钛磁铁矿资源开发提供了新思路。8月，美国纽柯采用ENERGIRON直接还原工艺，创下每小时330.3吨冷态直接还原铁（CDRI）的产量世界纪录，日产量可达7928吨，产品金属化率高达95%、含碳量为3.3%。8月27日，瑞典钢铁完成HYBRIT项目的试点阶段工作，证明HYBRIT绿氢直接还原铁工艺具有可行性，为 HYBRIT工业化铺平了道路。9月，用绿氢作为还原气体，河钢120万吨氢冶金示范工程实现稳定生产，产品合格率为100%，金属化率超94％，验证了“绿电—绿氢—绿钢”的技术可行性，丰富了氢冶金气源。
氢基流化床工艺HyREX成功出铁。4月，浦项制铁试验HyREX工艺，成功生产了15吨铁水。9月，浦项制铁研究人员在中试流态化还原炉中观察铁矿石流体反应，该技术发展迈出了关键一步。浦项制铁计划在2026年建设一座30万吨的HyREX试验设施，验证其商业化运营情况，并计划在 2030年之前完成商业化。
电解炼铁试点工厂投入运营。3月，美国清洁铁公司宣布电解炼铁试点工厂投入运营。Electra工艺通过电化学方式，采用间歇性可再生能源，工作温度在60℃时将铁矿石转化成金属铁。铁矿石中的氧化铝和二氧化硅等主杂质被提炼为副产品。产品中铁纯度超过99%，与废钢结合为电炉提供原料，有望降低了整个产业链的投资成本。该项目中试厂正在反复试验连续生产能力，分阶段提高产能，验证规模化前景，生产规模目标为百万吨级。
总结与展望
目前，高炉富氢冶炼、氢基竖炉、氢基流化床处于工业示范阶段，氢基熔融还原炼铁、电化学炼铁等正处于中试或工业验证阶段。这些技术在推动钢铁行业低碳转型中仍面临着一系列挑战。
高炉富氢冶炼面临的挑战包括：一是氢气含量与氢气利用率问题，包括探索适宜的氢气含量、协同优化与CO的耦合还原、提高氢气利用率等。二是热量平衡与温度控制问题，富氢冶炼使炉内温度分布规律改变,如何保障反应所需热量和温度是关键。三是富氢冶炼影响焦炭性能。高氢气比例会加剧焦炭溶损反应。为保证高炉顺行，高炉富氢冶炼对焦炭强度提出更高要求。
氢基竖炉面临的挑战包括：一是需要新的热能解决方案，应对直接还原的吸热反应。二是需要高品位的铁矿石、球团。三是生产安全问题，应对氢气的活泼性和易燃易爆特性。
氢基流化床面临的挑战包括：一是不同粒度的矿石流化行为不同，要实现大于100μm细粒和超细矿石均匀流化，最大限度减少超细矿石的洗脱和避免较细颗粒脱流/偏析。二是随着还原反应进行，细/超细矿石颗粒表面会产生黏附趋势，导致团簇/团聚体形成，减少黏附、保持稳定流化并实现目标金属化率。
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。必要高温可通过太阳能产生，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、材料降解和低品位矿石的兼容仍存在挑战性。对于熔融氧化物电解来说，能耗高是关键问题。
（秦阿宁、孙玉玲系中国科学院文献情报中心助理研究员、研究员）
