综述：碳达峰和碳中和目标下中国钢铁行业低碳炼铁技术研究进展

《Materials》：Research Progress on Low-Carbon Ironmaking Technologies for China’s Iron and Steel Industry Under the Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals

　　

在中国“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”目标下，炼铁阶段（在占主导地位的高炉-转炉（BF-BOF）路线中，每吨钢排放的CO₂约70%来自该阶段）的低碳转型对钢铁行业脱碳具有决定性作用。与以往孤立描述各技术的综述不同，本综述提供了结构化的跨技术综合：主要路线分为短期/中期低碳高炉技术（富氢碳循环氧气高炉、富氢喷吹、生物质炭喷吹及极限能效措施）和中期/长期非高炉技术（氢基竖炉直接还原、熔融还原、转底炉、流化床还原及电熔还原），并在一组共同定量指标——CO₂减排量、比能耗和氢需求、技术成熟度（TRL）及相对成本——上进行比较。在此基础上，研究人员基于“钢铁-有色冶金-氢冶金-等离子体”的跨学科融合，对新兴的氢基闪速炼铁技术进行了批判性评估，明确区分了实验室/中试可行性与工业就绪性。研究人员得出结论：低碳高炉技术因改造费用低、成熟度高，将在近期减排中占主导地位；而氢基竖炉及更长期来看的氢基闪速炼铁，则定义了迈向近零碳排放炼铁的路径——但前提是绿色氢气和低碳电力的可获得性，以及关键工程障碍的克服。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言（Introduction）**
“双碳”战略是中国基于全球气候治理和国家长期可持续发展做出的重大部署，将推动工业体系绿色转型。钢铁行业是中国第二大碳排放源，年碳排放约18.2亿吨CO₂，占全国总量的15%–17%，其中长流程（高炉-转炉）占90%，而高炉炼铁阶段贡献了每吨钢碳排放的约70%。因此，攻克低碳高炉炼铁技术难题并探索零碳炼铁新路径，是钢铁行业按时实现“双碳”目标的关键。本文系统综述了低碳高炉改造和非高炉炼铁两大方向的主流技术，并重点介绍了基于跨学科融合的氢基闪速炼铁技术的研究成果，为钢铁行业深度脱碳技术发展提供参考。综述范围和方法部分说明，检索了Web of Science、Scopus和CNKI数据库，覆盖2000–2026年文献，并补充了工业示范报告和企业技术披露，约有160篇来源被保留。文中区分了五类证据：同行评审文献、工业示范数据、公司新闻稿、理论或模型估计、实验室及中试结果。所有CO₂减排值均指炼铁步骤的直接过程排放（Scope 1，门到门，每吨铁水或DRI），除非另有说明。与以往描述性综述不同，本文的贡献在于：（i）将低碳高炉和非高炉路线统一纳入按部署时间分类的框架；（ii）在共同定量指标（CO₂减排、比能耗和氢需求、TRL、相对成本）上比较技术；（iii）将新兴氢基闪速炼铁路线与现有选项定位，并区分其实验室/中试可行性与工业就绪性。

**2. 低碳高炉炼铁技术研究进展（Research Progress of Low-Carbon Blast Furnace Ironmaking Technologies）**
低碳高炉炼铁通过工艺优化、还原剂替代和能量循环利用降低碳排放，是短中期最主要的技术选择。

**2.1 富氢碳循环氧气高炉技术（Hydrogen-Rich Carbon Recycling Oxygen Blast Furnace Technology）**
该技术（HyCROF/OBF）以高纯度氧气替代传统高炉含79%氮气的热风，消除氮气对炉腹煤气的稀释效应，提高煤气热值；同时基于氧势平衡原理调节煤气组成，降低CO₂比例，提高CO和H₂浓度。经加压净化后，通过化学吸附等成熟脱碳技术分离CO₂，送至CCUS系统；脱碳后的富氢煤气加热至1000–1200°C，通过专用风口回吹高炉参与还原循环。2023年10月，宝钢集团新疆八一钢铁在2500m³高炉上完成全流程商业示范，数据表明：固体燃料消耗降低约30%，高炉利用系数提高40%，碳排放减少超20%，单座高炉年CO₂减排达60–100万吨。该路线改造费用可控，能源利用效率提升，但主要限制是：无法摆脱对碳基能源的依赖，仅作为过渡技术；需新增制氧、煤气加压、脱碳、高温加热等系统，流程复杂化；高温煤气储运问题使大规模推广困难；新增系统能耗导致综合能耗上升。从技术经济角度看，HyCROF改造的增量资本成本远低于新建氢基竖炉，但运营成本和辅助能耗增加。

**2.2 高炉富氢喷吹技术（Hydrogen-Rich Injection Technology for Blast Furnaces）**
该技术将纯氢气直接喷入现有高炉系统，替代部分碳基燃料和还原剂，利用氢更强的还原能力强化间接还原，生成零碳副产物水蒸气，同时依靠氢的高热值补充炉内热量，结合富氧燃烧提高热补偿效率。工业示范项目“绿电水电解制氢-储氢-高炉富氢冶炼”已连续稳定运行，结果表明纯氢喷入量可达140m³/tHM，实现炼铁阶段碳减排8%–11%。该路线改造量小，可复用现有高炉设施，技术成熟度和操作安全性高，且可根据市场和生产需求调节氢煤比以控制成本。但无法实现纯氢炼铁，需基于新的氢煤平衡模型精确控制喷吹比例，对操作精度要求高；此外，绿色氢气大规模生产仍能耗高、成本高，现场储存、高压输送和缓冲以匹配高炉连续高通量需求是主要障碍。氢气喷吹还会改变炉内热平衡，降低风口理论燃烧温度，需在窄范围内控制喷吹比、氢利用率和炉腹煤气量以维持操作稳定性。

**2.3 生物质炭喷吹技术（Biomass Char Injection Technology）**
该技术将秸秆、锯末等农林废弃物通过热解碳化或水热碳化转化为高碳含量的生物质炭，替代化石能源焦炭用于高炉喷吹，实现全生命周期碳减排。巴西长期使用木炭部分替代煤粉喷吹，使高炉炼铁碳排放降低约30%。生物质炭为可再生资源，综合碳消耗低，运营成本可控，且无需改造现有高炉，同时实现农林废弃物资源化利用。主要限制：部分生物质炭含较高碱金属杂质（钾、钠），易腐蚀和附着高炉炉衬；原料季节性、分布分散，收集、运输和存储系统不完善；生物质炭热值低于化石煤，会增加综合能耗；原料需经干燥、碳化等多道预处理，流程较长。生物质炭的全生命周期碳中和性具有条件性，取决于可持续原料来源、物流、以及灰分化学（特别是碱负荷），这些因素必须在任何摇篮到大门评估中考虑。

**2.4 传统高炉极限能效技术（Ultimate Energy Efficiency Technology for Traditional Blast Furnaces）**
该技术通过工艺参数优化和智能控制实现高炉内物质流和能量流的精准匹配，最大化能源利用效率。具体路径包括：构建“三阶段除尘+强制喷射器”煤气回收系统，结合智能控制模型回收利用炉顶煤气；利用炉顶煤气余压进行TRT透平发电；利用物理冷凝去除鼓风水分，每降低1g/m³水分可降低焦比0.8–1.0 kg/t；基于炉腹煤气量指数理论，通过智能控制系统优化炉内物料和气流分布，延长还原剂停留时间；采用“诱导侵蚀型”炉缸和炉底冷却技术延长高炉寿命。中国钢铁工业协会对58家领先企业（产能4.4亿吨）的分析显示，该技术可使高炉能耗同比下降0.47%，平均碳减排3%–5%。该技术无需改造高炉本体，但管理控制复杂，涉及流体动力学模拟和智能控制算法；高比例球团冶炼等对铁矿石质量要求较高；碳减排潜力有限，进一步减排的边际成本将显著增加。综合极限能效措施（炉顶煤气回收、TRT发电、鼓风脱湿、智能布料控制）可使炼铁综合能耗降低数十千克标准煤/吨铁水，对应约3%–5%的CO₂减排，且因改造成本低，投资回收期具吸引力，但精确的独立验证的工厂级数据仍匮乏。

**3. 低碳非高炉炼铁技术研究进展（Research Progress of Low-Carbon Non-Blast Furnace Ironmaking Technologies）**
低碳非高炉炼铁技术完全摆脱传统高炉对焦炭的依赖，通过改变反应器形式和还原剂类型实现更高程度的碳减排，是钢铁行业中长期碳中和的核心技术方向。

**3.1 氢基竖炉直接还原技术（Hydrogen-Based Shaft Furnace Direct Reduction Technology）**
该技术（H₂-DRI）以纯氢气完全替代传统高炉碳基还原剂，使用竖炉作为反应器，高品位铁矿石造球后从炉顶加入，纯氢或富氢气体（如焦炉煤气、天然气重整气）加热至800–1050°C从下部风口喷入，与铁氧化物逆流接触进行还原反应，生成固态直接还原铁（DRI），再转入电炉完成炼钢。中国宝武湛江钢铁年产180万吨的“氢基竖炉+电炉”低碳钢铁项目于2025年12月全线贯通，运行数据显示，相比传统高炉炼铁，碳排放减少80%以上，流程缩短约40%。此外，河钢集团张宣科技120万吨“氢基竖炉-近零碳电弧炉”短流程项目、中国钢研集团临沂纯氢竖炉示范线、瑞典HYBRIT项目均取得阶段性成果。该路线主要优势是环境清洁，使用纯氢时烟气仅含水蒸气，炼铁阶段可实现零碳排放；产出的海绵铁金属化率>96%，杂质含量低，适合生产高端钢材；取消了烧结、焦化等高污染高碳排放工序。但该技术对原料要求严格，因炉内冶炼温度低、无造渣阶段，必须使用高品位铁矿石，限制了原料适应性。这些性能数据来自企业公开披露，而非独立同行评审测量；“>80%碳减排”指直接过程排放，从全生命周期看，整体环境性能取决于所用氢气的碳强度，仅当使用绿色（电解）氢气时路线才接近零碳。

**3.2 两步法熔融还原技术（Two-Step Smelting Reduction Technology）**
该技术将传统高炉的单反应器炼铁过程分为固态预还原和熔融还原两个阶段。典型工艺包括COREX、FINEX和DIOS。固态预还原阶段使用COREX的还原竖炉或FINEX的流化床反应器，铁矿石与高温还原气（CO+H₂）逆流接触，在800–1000°C下还原为海绵铁，金属化率>90%。熔融还原阶段在熔融气化炉中进行，加入海绵铁、非焦煤和熔剂，熔化和渣清完成，产出铁水和熔渣，煤的气化提供预还原阶段的还原气和热量。宝钢引进并改进COREX技术开发了“欧冶炉”，通过优化气体管道和喷煤工艺，显著提高了作业率并降低了吨铁成本，非焦煤使用比例超过60%。韩国POSCO的FINEX工艺用流化床替代还原竖炉，完全取消了烧结和造球工序。FINEX工艺取消了焦化和烧结，全流程碳排放显著降低，可使用非焦煤和粉矿。但该技术仍以煤基还原剂为主，碳排放高于其他绿色非高炉技术；COREX工艺对矿石粒度和煤质要求较高，还原竖炉易黏结、耐火材料侵蚀严重、炉龄短，吨铁能耗比传统高炉高2–4 GJ；煤气产量大，需配套发电等工序实现二次能源利用，整体能源利用率较低。FINEX通常比COREX具有更高的热力学和碳效率，但两者均为煤基，CO₂减排幅度适中；工业成熟度高（有商业运行装置），但工艺经济性对煤价和输出煤气价值敏感。

**3.3 一步法熔融还原技术（One-Step Smelting Reduction Technology）**
以HIsmelt工艺为代表，利用单反应器内高温铁水熔池的热量，将粉状铁矿石和非焦煤瞬时熔融还原。铁矿石粉（粒径<6mm）、非焦煤粉和熔剂由氮气或氧气通过水冷喷枪高速喷入1400°C的铁水熔池底部，因比表面积大、动力学条件优越，迅速还原为金属铁。煤粉气化产生的CO₂气泡上浮过程中与顶枪喷入的富氧热风燃烧并释放热量，维持熔池高温。产生的煤气经除尘和余热回收，部分循环回炉，其余用于发电或燃料。力拓公司在澳大利亚Kwinana建成年产80万吨的示范工厂；山东墨龙公司HIsmelt项目日产量超2000吨，连续生产天数超180天，产出的铁水磷、硫等有害元素含量极低。该路线流程极短，取消了焦化、烧结、造球等所有原料预处理工序；原料适应性很强，可直接使用粉矿、低品位矿和钢铁厂含铁尘泥等固体废物；产品纯度高，投资成本相对较低。但该技术仍无法摆脱碳基还原剂，碳减排能力有限；维持高温熔池和处理高温烟气导致综合能耗较高；炉内反应剧烈、气流冲刷和渣侵蚀严重，炉体使用寿命短；对喷吹系统和氧煤比控制精度要求极高，易发生炉况波动和喷溅；煤气含尘量高，烟气处理系统复杂。此外，长期经济性受操作可靠性影响，剧烈的熔池反应和泡沫渣会造成耐火材料严重降解和频繁维护，缩短炉役寿命，独立的长周期运行数据仍有限。

**3.4 转底炉技术（Rotary Hearth Furnace Technology）**
以Inmetco和ITmk3工艺为代表，核心设备为可旋转的环形转底炉。将铁矿石粉或含铁尘泥与煤粉、粘结剂混合压制成冷固结含碳球团，均匀铺在炉底（厚度100–200mm），随着炉底旋转通过1200–1350°C高温区，球团内煤粉还原铁氧化物生成金属铁，产品从出料口排出。首钢京唐30万吨转底炉用于处理高炉粉尘和转炉污泥等含锌含铁固体废物，金属化率≥75%，脱锌率≥90%。宝武环境科技韶钢年处理25万吨含锌尘泥项目脱锌率达88%。日本神户制钢ITmk3工艺可直接使用普通铁矿石或低品位矿，生产出熔渣-铁分离的铁粒。该路线原料适应性极广，可处理低品位复杂矿、含铁固体废物和红土镍矿，并能综合回收锌、铅等有价金属；反应速度快，流程短，碳减排幅度大。但单炉产能小，炉体放大困难，难以满足大型钢铁企业生产需求；需大量烧嘴热补偿快速加热物料，能耗较高；产品硫含量难以控制，质量稳定性较差；环境方面，下游收集的含锌铅粉尘需安全处理，碱金属和硫可能循环累积，副产物管理增加成本。

**3.5 流化床直接还原技术（Fluidized Bed Direct Reduction Technology）**
以Primetals Technologies的HYFOR工艺为代表，在流化床反应器中通过还原气体反吹使粒度<0.1mm的铁矿石粉保持流态化，实现高效气固接触还原。还原气（如天然气或氢气）从反应器底部引入，控制流速使矿粉悬浮，极大的比表面积显著提高传热传质效率，铁氧化物迅速还原为海绵铁，经冷却、压块后送炼钢。委内瑞拉和加拿大建有百万吨级流化床直接还原铁项目（HIB和FIOR工艺）。2024年，鞍钢集团建成万吨级绿色氢气流化床示范线，实现全流程稳定运行，产出近零碳直接还原铁，金属化率95%。Primetals Technologies的HYFOR工艺实现了100%纯氢还原铁矿石粉。该路线气固接触效率高、反应速率快，可直接使用粉矿，取消烧结和造球工序；使用纯氢为还原剂时可实现零碳排放。但面临“黏结失流”的核心问题：还原过程中颗粒表面生成黏性金属铁易导致颗粒黏结，使流化床“死床”；高气速导致尾气含尘量高；冶炼温度低，对矿石品位和有害杂质含量要求严格，难以处理低品位复杂矿；为保障能耗水平，通常需多级流化床串联，流程较长。近期研究专注于通过表面涂层或MgO/CaO改性、控制还原温度和气体流速、脉冲流化或两段流化等方式缓解颗粒黏结、团聚和失流化，这些仍是阻碍该路线实现稳定大规模工业运行的决定性障碍。

**3.6 电熔还原技术（Electric Smelting Reduction Technology）**
该技术以电能为核心热源，利用电弧或等离子体的超高温（约1500°C）突破传统碳热还原的热力学限制，直接还原铁矿石为液态铁水。过程：铁矿石粉先在加压循环流化床中预还原，利用煤粉和预热空气不完全燃烧产生的还原气和细焦炭颗粒，在950–1000°C下将矿石预还原为金属化率60%–70%的预还原矿；然后通过中空电极加入直流电弧炉的高温反应区，在约1500°C的等离子体环境中完成熔化、还原、渗碳和造渣，产出铁水和熔渣。瑞典已建成25吨还原电炉试验项目，验证了该技术可行性。该路线极高的反应温度使其能处理常规冶炼方法难以加工的复杂铁矿；不需要焦炭，取消了焦化和烧结等环节；烟气热值高、CO₂浓度高，易于实现“铁-电”和“铁-化”联产。主要缺点：能量转换效率低，高电耗导致综合能耗居高不下；渣中FeO含量约12%，铁损率较高；产出的铁水硫含量约0.3%，需炉外精炼；高温和熔渣对炉衬耐火材料侵蚀严重，炉体使用寿命短。该路线的工业可行性紧密耦合于电力系统：高比电耗使得CO₂减排和运营成本强烈依赖于丰富可再生电力的可获得性和区域电价，因此主要适用于低成本低碳电力地区。

**4. 新兴氢基闪速炼铁技术研究进展（Research Progress of Emerging Hydrogen-Based Flash Ironmaking Technology）**

**4.1 技术背景与工艺原理（Background and Process Principle of the Technology）**
现有技术均难以同时满足碳减排、低能耗、高效率、短流程和强原料适应性等多重需求，因此基于“钢铁-有色冶金-氢冶金-等离子体”跨学科融合思路，氢基闪速炼铁技术应运而生。该技术结合有色工业成熟的闪速熔炼技术与氢等离子体技术，并拓展至炼铁领域。核心工艺：深度干燥的铁精矿通过高温等离子体矿粉喷枪高速喷入闪速炼铁炉的还原塔内，在高温高还原度的塔内空间中，矿粉高度分散，形成“爆炸性”化学动力学条件，铁氧化物的多级还原反应可在数秒内完成。生成的金属铁和熔渣直接落入还原塔下部的熔炼分离熔池，渣铁分离后排出。过程产生的高温烟气主要成分为水蒸气，经余热回收、除尘和脱水后，少量未反应氢气可回收循环。该技术可实现全流程零碳排放，尤其适合处理难冶炼的低品位复杂矿，并完全取消了烧结、造球、焦化等传统原料准备阶段，原则上具有短流程、低能耗、高效率、精确控制和有利的放大特性。需强调，这些潜在优势目前仅在实验室和中试规模得到验证，“零碳”指直接过程排放，且仅当使用绿色氢气和低碳电力时成立。

**4.2 国内外研究现状（Current Research Status in China and Internationally）**
氢基闪速炼铁技术经过十多年基础研究和实验验证，中美等国冶金学者构建了较完整的工艺理论体系。美国犹他大学H. Y. Sohn教授团队率先开展铁精矿闪速还原探索性研究，提出“悬浮炼铁”概念，完成大量基础和中试试验。研究表明：以氢气为还原剂时，在1400°C和矿粉停留时间数秒条件下，铁精矿还原度可达90%以上；以天然气同时作为还原剂和燃料时，通过部分燃烧将反应器温度升至1600°C，矿粉停留时间<3秒，还原度也超过90%；不同给料方式对比显示，燃烧器给料还原度低于侧给料。团队自行研制了1kg/h中试试验炉，2019年中试结果表明，在铁精矿给料速率1kg/h、平均粒径20μm、天然气流量10L/min、氧气流量7L/min、还原温度1600°C条件下，铁精矿可在数秒内还原为海绵铁，还原度94%。基于Sohn团队研究，国内项目组创新优化了闪速炼铁炉结构，实现闪速还原产物直接生产液态铁水，突破了传统闪速还原仅能生产海绵铁的限制。系统研究了还原剂流量和H₂/CO比、还原温度、给料速率、矿粉特性等参数对还原度的影响，发现在1350–1500°C、矿粉停留时间<10秒条件下，铁精矿可还原为液态铁水，还原度超过90%。反应动力学方面，明确了闪速炼铁炉还原塔内反应符合界面化学控制模型，建立了相应化学反应动力学方程，量化了温度、气体分压、矿粉粒度和加热速率对反应速率的影响；同时阐明了熔炼分离熔池内界面聚并与反应速率的匹配机制，构建了熔渣性质预测模型和渗碳行为控制方法，开发了闪速炼铁过程数值模拟系统。流场模拟方面，建立了包含湍流、传热、传质和化学反应的多物理场计算流体动力学模型，可精确预测炉内速度场、温度场和物料流场分布，并基于天然气还原条件优化了模型参数。此外，还研究了工艺和炉体结构参数以及耐火材料选择对炉壁结渣的影响，完成了炉体设计优化。基于上述成果，团队自行研制了10kg/h闪速炼铁中试试验炉，炉管尺寸为φ200mm×1500mm。2018年中试验证了该技术可行性：在1350–1500°C还原温度下，铁精矿可在10秒内还原为液态铁水，还原度稳定在90%以上。综合来看，这些结果确立了实验室和中试规模可行性（大致TRL 3–4），而非工业就绪性。报告结果主要来自少数研究团队，仍需更广泛的独立国际研究以及持续长期运行的示范规模验证。关键的放大和商业化障碍包括：高温等离子体炬寿命、熔炼分离熔池中稳定的渣铁分离、以及系统能量的梯级利用，这些应被视为根本性工程挑战而非细微改进。除上述两组外，国际上有独立且更广泛的工作，如欧洲的氢等离子体熔融还原（HPSR）项目、德国马普所、日本COURSE50、瑞典HYBRIT等，均与中美结果一致，但尚无任何团队运行过连续集成的闪速炼铁装置进行长时间运行，现有数据支持工艺概念而非工业就绪性。

**5. 主流低碳炼铁技术多维度比较分析（Multidimensional Comparative Analysis of Mainstream Low-Carbon Ironmaking Technologies）**
本节将上述技术整合为单一跨技术比较。表1总结了每条路线在共同定量指标上的表现：技术成熟度（TRL）、相对于传统高炉的CO₂减排幅度、比能耗和氢需求、工业规模与现状、相对资本支出/运营支出（CAPEX/OPEX），以及各技术的主要瓶颈和部署时间。根据第1节定义的系统边界，表中数值除非另有说明，均指直接过程排放（Scope 1）。在此基础上，路线分为短期/中期低碳高炉技术和中期/长期非高炉技术。

**6. 结论与展望（Conclusions and Prospects）**
低碳高炉炼铁技术因改造成本低、技术成熟度高，将成为短中期碳减排主力；氢基竖炉等非高炉炼铁技术代表中长期零碳炼铁发展方向。但现有技术均有局限，难以同时满足规模化、低成本、高效率要求。氢基闪速炼铁兼具近零直接过程排放（取决于绿色氢气和低碳电力供应）、宽原料适应性、短流程和高反应效率，应被视为候选长期路线而非已证实的工业解决方案。目前该技术已完成基础理论研究和中试验证，未来需进一步开展工业规模示范项目建设，重点解决高温等离子体炬寿命、熔炼分离熔池中高效渣铁分离、系统能量梯级利用等关键工程问题，推动该技术产业化应用，支撑钢铁行业深度脱碳。基于比较分析，提出以下优先级排序：（1）2030年前，最现实的大规模减排来自低碳高炉技术——极限能效结合富氢和生物质炭喷吹，因其改造成本低、成熟度高，最适合现有大量存量BF-BOF工厂；（2）在CO₂运输和存储基础设施可用地区，HyCROF型氧气高炉耦合CCUS是首选的更深减排改造方案；（3）中期，氢基竖炉直接还原是新建产能最成熟的近零碳路线，但依赖于高品位矿石/球团以及可靠的绿色氢气和低碳电力供应；（4）流化床和电熔还原可在解决黏结/失流化和电力成本问题后，将绿色炼铁拓展至粉矿和低品位矿；（5）氢基闪速炼铁是面向中国矿石基地最有前景的长期路线，但目前处于中试阶段；首要研发重点是等离子体炬寿命、渣铁分离和系统能量梯级利用，随后建设集成示范工厂。在所有路线中，经济可承受的绿色氢气和低碳电力的可获得性，以及透明的全流程（全生命周期）碳核算，将最终决定脱碳步伐。