钢铁行业正在应对脱碳挑战，大多数大型钢铁企业都设定了2050年碳中和目标，旨在减少15%-50%的碳排放。全球钢铁生产主要通过高炉-转炉（71.5%）和电弧炉+炉外精炼（28.2%）工艺实现。钢铁生产每吨钢排放约1.8-2.4吨CO2，其中94%来自化石燃料燃烧。高炉炼铁中，焦炭和煤炭燃烧产生的碳排放占总碳排放量的60%-70%。钢铁生产的主要碳排放环节包括高炉、焦炉、发电等。碳捕集应安排在高浓度排放环节。
钢铁行业的减碳方式包括使用清洁能源、煤气循环利用、分离封存温室气体。创新工艺技术有氢还原、电熔炼和CCUS。CCUS通过分离并封存二氧化碳实现碳减排，是重要的碳中和技术之一。钢铁生产结合CCUS可显著减少碳排放。本文将重点关注中国CCUS技术的发展及其在钢铁行业中的应用。
钢铁行业的碳排放量仅次于电力行业，是中国第二大碳排放行业。因此。钢铁行业的低碳转型对中国实现“碳中和”目标至关重要。
自2010年以来，转炉钢在中国钢铁总产量中约占90%，中国钢铁生产主要基于高炉－转炉工艺，严重依赖以煤为基础的化石能源，这是导致高碳排放的主要因素。目前，钢铁行业脱碳面临的关键挑战有很多：第一，缺乏关于绿色钢铁分类的国家标准，需要明确界定绿色钢铁是否意味着在生产过程中完全消除化石燃料的使用，或者行业是否可以继续使用化石能源，并只需将排放量减少到一定水平即可满足要求。第二，绿氢冶炼工艺成本高，使用可再生能源制备氢气的成本居高不下是阻碍其推广应用的最大障碍。相比于灰氢（即通过化石燃料制备的氢气），电解制备的绿氢成本较高，这使得绿氢很难与现有的灰氢竞争。第三，CCUS技术的开发及应用也具有一定局限，不仅成本高，而且捕集性能和储存能力不可靠；还有对潜在地质封存试验及其封存容量缺乏充足数据支持，缺乏实际应用案例来支撑CCUS大规模推广；未来几十年内，随着高炉－转炉工艺转换为电弧炉，CCUS基础设施可能变成滞留资产，同时也存在高能耗问题。南宫28官方网站第四，废钢供应量不足，也是与发达国家存在差异的原因。
中国钢铁行业主要从以下5个方面寻求脱碳路线）燃料转换、电气化和电网脱碳；4）技术转向低碳炼钢；5）CCUS。
依据劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）和全球效率智能的研究报告《中国钢铁行业净零碳排放路线年在“净零碳排放”情景下预测，到2050年，废钢-EAF生产路线的钢铁产量将占中国钢铁总产量的60%，其次分别是BF-BOF-CCS（14%）、H2-DRI-EAF（13%）和DRI-EAF-CCS（11%），如图1所示。
2023年，中国钢铁行业的碳排放占中国工业碳排放总量的比例从2021年的24%降至21%-23%，占总碳排放量的比例从2021年的15%下降至13%-14%。
中国CCUS技术快速发展，形成了碳捕集、利用与封存全流程技术体系。已形成不同浓度排放源的CO2捕集技术，在煤电、石化、水泥及钢铁等行业开展了大量示范应用；实施了21个CCUS示范项目，CO2年捕集量约为170万吨，地质封存量约为100万吨。CO2捕集项目主要位于中国东部，碳排放源包括天然气净化厂、燃煤发电厂、水泥厂和甲醇厂。CO2地质封存和增强采油利用项目主要位于中国东北和华北地区。胺基捕集是目前广泛使用的最成熟的二氧化碳燃烧后捕集技术。项目规模可能会影响燃烧后捕集的成本。
近年来，中国CCUS示范工程建设发展迅速，数量和规模均有显著增加，更多行业和领域开展CCUS技术应用，推动能耗成本持续下降。体现出以下三个特点：1）示范项目数量和规模迅速增加；2）我国CCUS示范项目行业覆盖面扩大；3）主要工业行业均已开展相关示范。当前CCUS技术与其他减排技术竞争优势尚不明显，预计短期发展阻力较大。在煤电、钢铁、水泥、化工等行业开展CCUS工程应用的边际减排成本仍高于陆上风电、光伏、水电等可再生能源利用技术。已投运项目以工业示范和小型试验为主，规模普遍偏小，多在10万吨/年以下，但正在建设或规划的项目规模逐渐增大，其中中国石化已建成我国首个百万吨级捕集、输送、驱油、封存全流程示范工程，项目覆盖石油地质储量2562万吨，预计注入约1000万吨CO2，提高采收率11.6%。表1列举了中国CCUS项目概要。从表1中可以看出，目前CCUS技术在国内的应用主要还是电力行业，在钢铁行业并未形成一定的规模。
CCUS技术对实现“碳中和”目标意义重大。在“碳中和”背景下，未来能源结构需包含可再生能源、核能与化石能源。2023年煤炭在中国能源消费中占比55.3%，预计2050年降至10%-15%，CCUS是煤炭实现零排放的唯一途径。该技术可弥补传统碳减排手段的不足，助力电力行业保持灵活性，如已运行的火电项目碳排放大且难以大面积关停，“火电+CCUS”既能实现碳减排又能提供清洁低碳电力。对于钢铁、水泥等难减排行业，CCUS是其实现净零排放的必要技术，如钢铁行业采取常规减排及氢基直接还原铁技术后仍剩余较多碳排放量，水泥行业经过常规减排后也剩余大量碳排放量。此外，负碳技术是部分工业及难减排行业的重要减排路径，BECCS（生物能源结合碳捕集与封存）及DACCS（直接空气碳捕集与封存）相比生态碳汇在减排验证性与持久性方面更具有优势。同时，CCUS还是制备低碳氢气的有效途径，可助力低碳制氢规模扩大且成本低于绿电电解制氢。
中国钢铁行业的碳排放约占中国总碳排放量的15％。转炉每生产一吨钢的CO2排放量约为2.2吨，而电弧炉每生产一吨钢的CO2排放量约为0.8吨。预计2030年钢铁行业需要实现的CCUS减排量为0.2 亿-0.5亿吨/年，而2060年所需减排量为0.9亿-1.1亿吨/年。针对中国钢铁行业的高炉－转炉长流程工艺及传统直接还原铁（DRI）工厂，提出了四种CCUS技术使用的情景：“一切照旧如常”情景、适度适中情景、先进情景、“净零碳排放”情景，假设在各种情景下以不同比率采用CCUS技术，研究结果如图2所示。需要注意的是，燃烧后碳捕集技术的最高效率可达95%，但由于钢铁厂所采用的工艺结构、不同的碳排放点以及碳捕集过程中发生的泄漏，导致钢铁厂很难达到最高捕集效率。
目前，中国钢铁行业开展的CCUS项目不多，表2列举了其中一部分。理论上，中国拥有巨大的CO2封存能力。Dahowski等人估计，中国陆上盆地的CO2封存潜力为2.3万亿吨，在相对较近的近海盆地还可封存7800亿吨CO2。中国的钢铁厂大多分布在河北、辽宁、山西、内蒙古等铁矿石和煤炭资源丰富的省份，以及在钢铁产品需求量较大的沿海地区。一项研究表明，截至2020年，中国约79%的钢铁厂能够在其半径250公里以内找到合适的CO2封存地点。
作为应对气候变化的关键碳减排技术，CCUS潜力巨大，但同时面临的挑战也不容小觑。技术和成本是主要障碍：安装CCUS会降低燃煤电厂效率，增加成本，并且当前的技术成熟度低，缺乏经济可行的商业模式。为降低成本，需要提高运行效率，优化设备和工艺，并研究低成本捕集材料。同时，还要加快技术研发和迭代，建立安全监测体系，确保封存安全。生产安全也是关键，CCUS涉及高压处理、长距离运输等环节，存在CO2泄漏、管道破裂等风险。应加强国际合作，深化知识共享和技术转移，共同推动低碳技术发展。此外，CCUS产业链涉及多行业，存在源汇匹配、责任分配等问题。需探索多元化收入来源，发展减排交易，拓展碳利用方式，并提供技术咨询和服务。完善标准体系也至关重要，缺乏示范项目导致技术标准缺失，增加了成本和技术交流难度。应推动市场化机制，制定合理碳定价政策，建立多元化融资渠道，促进国际合作与交流，共同推动全球CCUS技术进步。
1）CCUS技术是目前实现化石能源大规模零碳利用的唯一可行途径。对于钢铁行业而言，它是减少碳排放和实现“碳中和”目标的关键手段。清洁能源的大规模部署需要时间和技术创新。在钢铁行业绿色低碳转型过程中，碳的使用不可避免并将长期存在。CCUS技术可在短期内有效帮助钢铁企业减少生产中的碳排放。
2）作为高碳排放行业之一，钢铁行业对CCUS技术的发展和部署提出了更高要求。为实现钢铁生产的“碳中和”目标，必须重视CCUS技术发挥的关键作用。除了应用成本外，工艺煤气中的CO2浓度低且量大、杂质含量高也是大规模部署CCUS的障碍。建设完善的二氧化碳输送系统、储存设备等公共设施也是推广CCUS技术应用的关键。
3）此外，CCUS技术与传统钢铁生产工艺及氢冶金过程的结合将成为钢铁行业脱碳的重要发展方向。为促进CCUS技术在钢铁行业的大规模应用，需要加强技术创新、降低成本、提高能效和安全性能。同时，完善相关政策、法规和市场机制，建立和健全商业模式，加强国际合作与交流，共同推动钢铁行业的绿色低碳发展。
