1 碳中和目標(biāo)

2019年蒂森克虜伯排放CO₂2300萬噸，相當(dāng)于整個德國排放總量的3%。蒂森鋼鐵（Thyssenkrupp Steel）是其中*主要的排放單元，其氣候戰(zhàn)略分兩個階段：2030年，生產(chǎn)流程以及能源采購過程中碳排放總量減少30%（以2018 年為基準(zhǔn)）；2045年，實現(xiàn)碳中和。蒂森鋼鐵提出兩條技術(shù)路線，一是tkH2Steel^?，即氫冶金路線；二是Carbon2Chem^? 工程，將鋼廠廢氣轉(zhuǎn)化為化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)品，進一步用于制造肥料、塑料或燃料等。

2 氫冶金路線

蒂森鋼鐵杜伊斯堡廠采用長流程工藝，現(xiàn)有4座高爐，分別為1#3844m³、2#4769  m³、8#1303 m³和9#1833 m³，其氫冶金發(fā)展路線分為4個階段：

2019年起，實施高爐噴氫。2019年以來，在正常運行的9#高爐上已完成氫氣利用相關(guān)測試，后續(xù)目標(biāo)是向9#高爐全部28個風(fēng)口噴入氫氣。

2025年起，建設(shè)首座DR+SAF設(shè)施。建設(shè)一座大型豎爐直接還原廠生產(chǎn)DRI，配套新建一個創(chuàng)新型的、利用電能的熔煉單元（SAF）以熔化DRI生產(chǎn)鐵水。關(guān)于直接還原用還原氣體，先期采用天然氣過渡，之后將采用綠氫；關(guān)于鐵水去向，用于現(xiàn)有氧氣煉鋼廠。此階段將退出第**一座高爐。

2029年起，擴大生產(chǎn)規(guī)模。建設(shè)第二座更大規(guī)模的直接還原廠及熔煉爐，退出第二座高爐。

2045年起，實現(xiàn)碳中和。建成四座直接還原廠及4座熔煉爐，淘汰全部4座高爐，鋼鐵生產(chǎn)實現(xiàn)碳中和。

3 相關(guān)技術(shù)情況

一是關(guān)于高爐噴吹氫氣。第**一步試驗開始于2019年11月11日，針對杜伊斯堡9#1833m³高爐，氫氣通過其中某一風(fēng)口噴入爐內(nèi)。氫氣由Air Liquide 公司通過氣罐車輸送。現(xiàn)已完成相關(guān)試驗，試驗團隊獲得大量有價數(shù)據(jù)，包括氫氣噴槍在高爐中位置、流量和壓力等。試驗期間實現(xiàn)了每小時噴吹約1000m3的目標(biāo)。第二步試驗已于2022年啟動。氫氣噴吹將逐步擴大至所有28個風(fēng)口。氫氣將由Air Liquide公司的氫氣管網(wǎng)提供。在此階段采用氫氣代替煤粉噴吹，有可能將碳排放量減少20%以上。該技術(shù)由德國聯(lián)邦經(jīng)濟和技術(shù)部資助，其目的是將技術(shù)轉(zhuǎn)移到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

二是關(guān)于氫氣直接還原。目前正在進行一系列試驗，其中，如何噴入氫氣以實現(xiàn)氫與鐵礦石中的氧高**效反應(yīng)是其中關(guān)鍵問題。高爐噴吹氫氣同樣面臨此問題。另外，由于在近期不會大量供應(yīng)碳中性的氫氣，天然氣將作為權(quán)宜之計，但與煤基高爐路線相比，這已經(jīng)顯著減少碳排放。第**一個大型直接還原廠將于2025年在蒂森鋼鐵投入運營。

三是關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)融合。直接還原廠將被整合進現(xiàn)有生產(chǎn)流程。與高爐相比，直接還原廠生產(chǎn)固體DRI而非鐵水。為實現(xiàn)進一步冶煉加工，需將DRI熔化成類似鐵水的產(chǎn)品。蒂森鋼鐵聯(lián)合開發(fā)了一個全新設(shè)施以優(yōu)化鐵水系統(tǒng)。該設(shè)施是一個利用電能的熔煉單元，與 直接還原設(shè)施結(jié)合。配套有熔煉設(shè)施的直接還原廠——像高爐一樣——可連續(xù)生產(chǎn)普通鐵水，以供應(yīng)轉(zhuǎn)爐煉鋼車間。因此，新生產(chǎn)設(shè)施可以與現(xiàn)有生產(chǎn)廠無縫銜接。該技術(shù)*大優(yōu)勢是可以保持現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝路線，杜伊斯堡廠可以像過去一樣煉鋼——但用氫和綠色能源代替了煤炭。

1 碳中和目標(biāo)

日本制鐵碳減排愿景規(guī)劃為兩個階段：2030年，碳排放量減少30%以上（相對于2013年），主要措施包括：在現(xiàn)有高爐流程中實施COURSE50，減少現(xiàn)有工藝中的碳排放，建立高**效的生產(chǎn)架構(gòu)；2050年，實現(xiàn)碳中和，主要措施包括：采用大型電爐大規(guī)模生產(chǎn)高等級鋼，實現(xiàn)氫冶金（Supor-COURSE50高爐，全氫直接還原），采用CCUS和其他碳補償措施等。

2 氫冶金路線

日本制鐵氫冶金包括高爐噴吹氫氣和全氫直接還原+高爐/電弧爐熔化兩條并行的技術(shù)路線。

3 相關(guān)技術(shù)情況

（1）高爐噴吹氫氣（COURSE50和Super COURSE50）

COURSE50 高爐和Super COURSE50 高爐是在現(xiàn)有高爐基礎(chǔ)上改造而成，采用氫氣和DRI替代部分焦煤和鐵礦。COURSE50 高爐，通過部分噴吹來自企業(yè)內(nèi)部的氫氣（如焦?fàn)t煤氣），可實現(xiàn)30%減排量，其中，10%來自氫氣作用，20%來自CCS。Super COURSE50 高爐，通過*大化地噴吹來自外部的氫氣，配合CCS/CCUS，可實現(xiàn)碳中和。COURSE50為日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)委托項目。

高爐噴吹氫氣存在的技術(shù)挑戰(zhàn)：①碳還原是放熱反應(yīng)，氫還原是吸熱反應(yīng)，噴吹氫氣將導(dǎo)致爐內(nèi)溫度降低。大量噴吹氫氣需對氫氣進行預(yù)熱，相關(guān)技術(shù)有待開發(fā)。②減少焦炭、增大氫氣噴入量后，爐內(nèi)氣體滲透性將降低，導(dǎo)致爐內(nèi)反應(yīng)惡化，同時，與高溫氣體接觸減少，不易熔化。在操作上，要確保*大的氣體滲透性，保證在降低焦比后可實現(xiàn)穩(wěn)定的反應(yīng)和熔化。③在大型高爐中大量噴入氫氣后，還面臨如何解決氣體均勻分布、熱量均勻分布、礦石粘著和熔體流動等系列技術(shù)問題。由于難以提供具有經(jīng)濟效益的氫氣，目前日本還沒有向高爐噴吹氫氣的案例。

（2）全氫直接還原

世界多地運行有以甲烷（天然氣）為還原氣的DRI豎爐生產(chǎn)設(shè)施，但由于天然氣價格原因，日本并沒有此類設(shè)施。由于甲烷含碳，此工藝仍會產(chǎn)生一定CO₂排放。全氫直接還原的目標(biāo)是100%以氫氣為還原劑，再利用高爐或電弧爐進行熔化。目前這種工藝仍存在一些技術(shù)問題。如，氫氣需預(yù)熱至足夠溫度以保證還原反應(yīng)發(fā)生；豎爐內(nèi)還原過程中，低溫環(huán)境下球團易發(fā)生粉化，而下部預(yù)熱的高溫氫氣易導(dǎo)致DRI粘結(jié)。

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