调查数据显示，炼铁系统的碳排放量约占钢铁生产全过程碳排放总量的70%以上，这种能源消耗量大、环境污染严重的格局势必会给我国钢铁工业的可持续发展带来巨大阻力。为此，在全球碳中和背景下，我国的钢铁生产行业逐步向低碳、绿色、环保方向过渡和转型，并通过对低碳炼铁技术的不断创新与优化，来深入挖掘钢铁行业的降碳潜力，并在实践应用过程中收到了显著成效。
1 碳中和背景下我国低碳炼铁技术的发展现状
1.1 高炉低碳炼铁工艺
利用高炉炼铁产出的铁产量占全世界总产量的95%以上，而针对高炉炼铁碳排放量大、环境污染严重的问题，近年来，经过业内专家的不断努力，一些技术性难题得到有效解决，并研发出一系列低碳炼铁技术，比如高炉富氢冶炼技术、炉顶煤气循环氧气冶炼技术等，这些新技术、新工艺的出现不仅降低了炼铁过程中的能源、能量消耗，同时也使碳排放量大幅减小。
高炉富氢冶炼作为一种新型的低碳炼铁技术，主要是将富氢物料作为炼铁还原剂，以此来达低碳、环保的目的。传统的高炉炼铁工艺所采用的还原剂多以焦炭为主，这种物料不但排碳量高，并且也消耗了大量的资源、能源，而天然气、煤气、氢气等富氢物料则有效避免了这种情况的发生，同时，富氢冶炼技术还具有还原能力强、反应速率高、渗透速度快等特点[1]。首先，在低碳排放方面，富氢炼铁高炉与传统的炼铁高炉相比，碳排放量减小了30%以上。在能源回收方面，利用富氢炼铁高炉能够有效回收炉体废气当中的含有的甲烷与一氧化碳，并可以将这些气体作为燃料来满足高炉炼铁需要，这就大大降低了能源消耗量。但是，高炉富氢炼铁技术在实际应用过程中仍然存在一些亟待解决的问题，比如理论体系不健全、炉体上冷下热的问题、喷枪与风口受超高温燃烧的影响而出现的寿命缩减等问题都需要引起高度重视，只有建立一个成熟而完善的富氢炼铁工艺理论体系，并有效排除和解决应用过程中出现的一系列问题才能真正实现碳中和目标，富氢高炉炼铁工艺基本原理如图1所示。
图1：富氢高炉炼铁工艺基本原理
而炉顶煤气循环氧气冶炼技术自提出以来，经过了近半个世纪的发展与演化，并逐渐形成了一套完善的技术体系。这种高炉炼铁技术主要是由纯氧取代热风，然后通过对炉顶煤气的除尘、干燥、二氧化碳分离、加热、加压等步骤，将煤气再一次吹入高炉当中。由于在利用纯氧进行加热送风时能够产生较高的热量，使得高炉内的热量值快速升高，进而高炉内部出现了无氮环境，这对气体还原性能的改善将大有帮助。在这种情况下，不仅可以降低二氧化碳分离时所产生的成本，也能够实现低碳排放的美好愿景，炉顶煤气循环氧气炼铁工艺流程如图2所示。
图1：炉顶煤气循环氧气炼铁工艺流程
1.2 非高炉低碳炼铁技术
目前，我国在非高炉低碳炼铁技术的研发与改进方面虽然取得了阶段性进展，但是，像富氢气基直接还原、气基熔融还原、电解还原等技术并未成熟，尤其是电解还原铁矿石技术，还处于深度研发阶段。近年来，许多钢铁生产企业在非高炉低碳炼铁领域，多采用氢冶炼技术，这其中包括煤基、气基直接还原等工艺，而这些技术并未投入大规模的炼铁生产当中，从这一点可以看出，非高炉低碳炼铁技术将成钢铁生产企业实现碳中和目标所必需攻克的一道难关。
2 碳中和背景下我国低碳炼铁技术的前景展望
2.1 高炉低碳炼铁技术的发展前景
从目前高炉低碳炼铁技术的发展现状来看，要想在该领域实现突破性进展，除了完善现有的富氢炼铁、炉顶煤气循环氧气高炉炼铁的技术体系之外，还需要考虑降低碳排放的经济性、可行性与创新性。首先，钢铁作为我国的支柱型产业，诸多大型企业的发展规模逐年扩大，高炉炼铁产能也不断提高，甚至一些新建的炼铁高炉，其产能已经达到3亿吨以上，基于对这一方面的考虑，在力求实现碳中和目标的前提下，我国的钢铁生产企业应当杜绝浪费，在保证正常的炼铁生产流程的同时适时合理的应用低碳炼铁技术。另外，就当前的发展形势来看，焦炭仍然是高炉炼铁工艺中消耗量最大的燃料，无形当中并增加了降低碳排放量的压力，因此，高炉低碳炼铁技术在未来一段时间的发展进程当中，需要着重考虑低碳技术与现有炼铁技术的深度融合，并通过编制一套符合高炉炼铁生产现状的实现碳中和目标的过渡方案，以达到解决碳排放量高、能源消耗量大的目的[2]。
2.2 非高炉低碳炼铁技术的发展前景
非高炉低碳炼铁技术的关键是解决清洁能源替代传统的煤、焦炭等燃料的问题，即找到“碳”的替代品，然后可以通过还原工艺进行炼铁生产。基于对这一思想的考虑，未来一段时期，气基竖炉直接还原炼铁技术、氢基熔融还原炼铁技术、电解还原铁技术将成为专攻方向。尤其对电解还原铁技术来说，钢铁企业可以通过电解的方法将铁矿石转化成为金属铁与氧气，这就节省了传统的高炉炼铁流程中的焦化、烧结、球团等工序，这样既可以实现二氧化碳零排放的目标，也可以有效降低硫化物与氮氧化物等有害物质的排放量。由于电解还原铁技术属于二氧化碳净零排放技术，目前，一些技术性指标与国际能源机构规定的指标还存在差距，如果可再生电力能源得到大面积推广与大规模应用以后，电解还原铁技术必将在低碳炼铁领域扮演重要角色。
结语：
在碳中和背景下，我国低碳炼铁技术的发展面临着巨大的机遇和挑战，为此，钢铁生产企业应当基于当前的国情，开发和研制更多的低碳炼铁新技术与新工艺。 并将高炉富氢冶炼技术以及电解还原铁非高炉低碳炼铁技术的优化与改进纳入钢铁行业的长远发展计划当中，使低碳炼铁工艺能够实现规模化生产与商业化运营，进而为碳中和目标的实现注入源源不断的驱动力。
参考文献：
[1]潘钊彬.碳中和背景下我国低碳炼铁技术发展现状与前景[J].烧结球团,2024,49(01):35-41.
[2]张建良,刘征建,李克江,等.“双碳”战略下我国炼铁工业的绿色低碳发展[J].炼铁,2022,41(05):1-10.
