应对气候变化的紧迫性凸显了所有主要行业降低温室气体（GHG）排放的必要性。作为建筑、交通、能源系统和制造业的基本材料，钢铁在全球经济中发挥着至关重要的作用（Pires等人，2025年）。然而，其生产过程高度依赖能源且排放量大，目前占全球最终能源需求的约8%，并导致约7-10%的全球二氧化碳（CO?）排放（《钢铁技术路线图》，2020年；Zhang等人，2023年）。作为重工业中最大的排放源，钢铁行业必须加快采用低碳技术，并改革现有的生产方式，以实现2050年的净零排放目标（国际能源协会，2023年）。
钢铁主要来源于两种原料：原铁矿石和回收的钢铁废料。这两种原料通过两种主要的技术路线进行加工：高炉-碱性氧气炉（BF-BOF）系统和电弧炉（EAF）系统，每种系统都有不同的原料要求和排放特性（Harvey，2021年）。
BF-BOF路线目前是全球最普遍的钢铁生产方式，首先在高炉中用焦炭还原铁矿石，生成液态生铁，然后将其转移到碱性氧气炉中，通过高纯度氧气氧化杂质以获得粗钢（Harvey，2021年；Yilmaz和Turek，2017年）。然而，由于焦炭同时作为能源和还原剂使用，这种路线具有高度的碳密集性。根据Zang等人的研究，美国使用BF-BOF路线生产原钢的从摇篮到坟墓（cradle-to-gate，CTG）排放量为每吨钢铁1.99吨CO?（Zang等人，2023年）。大部分排放来自还原反应和燃烧过程，这些过程仅靠电气化难以大幅减少。
相比之下，EAF路线主要使用回收的钢铁废料作为原料，并依靠电力将材料熔化成钢铁，其CTG排放量仅为每吨钢铁0.27吨CO?——显然是一种更环保的替代方案（Zang等人，2023年）。虽然EAF为低排放钢铁生产提供了有前景的途径，尤其是在使用可再生能源供电的情况下，但对钢铁废料的依赖带来了限制，尤其是在生产高质量扁平钢和汽车级钢铁时。Fan和Friedmann指出，回收的废料中通常含有铜和锡等残留元素，这些元素难以去除，可能对钢铁的机械性能和表面质量产生负面影响（Fan和Friedmann，2021年）。为克服这一限制，许多钢铁生产商将直接还原铁（DRI）集成到EAF工艺中，从而更好地控制化学成分并促进先进钢铁等级的生产。Azimi和van der Spek进一步证明，基于天然气的DRI结合碳捕获和储存（CCS）技术可以将排放量降至每吨钢铁0.9-1.1吨CO?，比BF-BOF工艺低约50%，展示了DRI技术的可扩展性和减排潜力（Azimi和van der Spek，2025年）。此外，Benavides等人通过综合评估模型和麻省理工学院的经济预测与政策分析表明，在严格的气候政策下，广泛部署CCS技术可能是实现2050年中期脱碳目标的一种成本效益较高的途径（Benavides等人，2024年）。
尽管将DRI与CCS结合为降低钢铁生产排放提供了有前景的途径，但这种方法的有效性往往受到DRI工厂与钢铁生产设施地理位置靠近的制约。这是因为标准DRI具有高度反应性，容易重新氧化，难以长距离储存或运输（Bilici等人，2024年；Maggiolino等人，2024年）。热压铁（HBI）通过MIDREX?直接还原工艺在高温下将DRI压缩成致密稳定的球团，克服了这一限制（Bailera等人，2021年；Bararzadeh Ledari等人，2023年），使其更易于处理和远距离运输。这使得DRI生产可以集中在拥有天然气、CCS基础设施或低碳氢气的地区，在这些地方可以高效地大规模捕获CO?排放。由此产生的HBI可以作为清洁的金属原料出口到全球各地，用于基于EAF的钢铁生产，即使在没有本地DRI能力的国家也是如此。这种方式实现了铁生产（排放发生的地方）与钢铁生产（能源使用的地方）的分离，集中了CO?捕获工作，并扩大了低碳钢铁在全球供应链中的应用范围（Bilici等人，2024年；Maggiolino等人，2024年）。
作为全球领先的综合性钢铁生产商之一，阿塞洛米塔尔在钢铁行业的全球脱碳进程中发挥着核心作用。在其2021年气候行动报告中（ArcelorMittal，2021年），阿塞洛米塔尔概述了多方面的减排措施，包括采用EAF、扩大回收废料的使用、用绿色和蓝色氢替代化石基还原剂，以及在BF-BOF和直接还原设施中整合CCS。图1展示了这一策略。该策略的关键组成部分是公司对热压铁生产的投资，作为一种适合全球EAF钢铁生产的清洁、高质量原料。
在本报告中，位于波特兰的阿塞洛米塔尔德克萨斯HBI LLC（图2）公司采用了基于天然气的直接还原技术，是CCS集成方面的一个特别有前景的场所。这是世界上最大、技术最先进的设施，每年生产约200万吨高质量的热压铁，并排放约100万吨CO?。作为钢铁行业大规模CCS应用的代表案例，本研究进行了前端工程设计和评估，以评估在阿塞洛米塔尔德克萨斯HBI工厂集成商业规模碳捕获系统的可行性。该系统旨在捕获工厂约95%的CO?排放，特别是来自天然气还原铁矿石过程中的富含CO?的气体流。选定的配置结合了压力摆动吸附（PSA）技术和Cryocap? FG技术，以生成适合永久地质储存的管道级CO?。在工厂10英里半径范围内的一个区域储层被确定为潜在的储存地点。
本文介绍了在阿塞洛米塔尔德克萨斯HBI工厂进行的全面FEED研究的结果，涵盖了技术配置、成本结构以及商业规模碳捕获整合的更广泛影响。研究内容主要包括系统设计和集成、热能和水回收优化、CO?捕获的平准化成本、生命周期排放评估，以及部署的经济和劳动力影响。研究最后总结了结果和实际经验教训，为钢铁行业的未来CCS实施提供参考。虽然碳捕获工厂的设计仅适用于阿塞洛米塔尔德克萨斯HBI工厂，但所获得的知识和经验可以应用于其他CO?捕获和储存项目的设计研究。
包含FEED研究、商业案例分析（BCA）、生命周期评估（LCA）和环境正义（EJ）分析的公开数据的最终报告将于2026年在美国能源部科学和技术信息办公室（OSTI.gov）网站上发布，项目编号为DE-FE0032221。另一份包含受保护数据的报告，涵盖所有非专有工程成果、成本数据和假设，将在同一网站、同一项目编号下于2031年发布。
