碳冶金

碳冶金是冶金學中基於碳熱還原反應的金屬冶煉技術體系，以焦炭、煤等碳基材料作為還原劑和能量載體，通過高爐 轉爐長流程實現鐵礦石還原與鋼材生產。作為我國鋼鐵行業主導工藝，其煉鐵工序占全流程二氧化碳排放量的70% 90%。在碳中和背景下，傳統碳冶金面臨技術減排瓶頸，行業通過富氫碳循環高爐改造、氫基直接還原等技術探索低碳轉型路徑，並依託《氫能產業發展中長期規劃》等政策推進示範工程落地。

基本介紹

• 所屬學科：冶金工程
• 核心工藝：高爐-轉爐
• 碳排放占比：70%-90%
• 技術替代：富氫高爐
• 政策檔案：氫能規劃
• 示範工程：寶武八鋼

技術原理

碳冶金通過碳氧化釋放的熱量及一氧化碳還原鐵氧化物實現金屬提取，基本反應為鐵礦石（Fe₂O₃）與焦炭（C）在高溫下生成鐵和二氧化碳。碳既作為還原劑提供化學能，又通過燃燒釋放熱能維持反應溫度，形成碳熱耦合還原體系。

工藝流程

主流工藝流程包括：

• 高爐煉鐵：焦炭與鐵礦石在高溫下生成生鐵
• 轉爐煉鋼：生鐵脫碳處理得到鋼水

此長流程工藝支撐了全球90%以上的鋼鐵產量，但高爐工序單位能耗占全流程60%以上。

現狀與挑戰

截至2023年，碳冶金仍是我國鋼鐵產業結構的主導工藝。傳統高爐通過噴煤等技術最佳化，碳減排潛力已趨近極限，噸鋼碳排放維持在1.6-1.7噸。在歐盟碳邊境稅等政策壓力下，行業亟需突破碳冶金技術天花板。

技術轉型路徑

現階段轉型聚焦兩類技術：

• 富氫碳循環高爐：噴吹焦爐煤氣等富氫介質，實現10%-30%碳減排
• 氫基直接還原：以氫氣替代碳還原劑，減排幅度超70%

氫冶金被視為碳冶金革新的終極方向，但綠氫成本制約其規模化套用。

政策支持

2022年《氫能產業發展中長期規劃》明確將氫冶金納入技術創新示範工程。發改委、工信部等部門聯合發布的《關於促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》提出制定氫冶金行動方案，推動低碳技術研發。

示範工程

2021年，寶武八鋼建成全球首座富氫碳循環氧氣高爐，碳減排率突破18%。2023年，河鋼集團投產120萬噸氫冶金示範項目，年減排二氧化碳80萬噸，工藝氣體中氫碳比達7:3，標誌碳冶金向氫冶金轉型取得實質性進展。