日本钢铁业的CO₂减排目标是到2030年，与能源相关的CO₂排放量比2013年减少30%，约5790万吨。为实现该目标，除依靠日本国内完善国家能源基本计划和实施各项措施的条件下，钢铁业自身将通过引进最佳可行性技术推进节能，开发创新技术并在2030年左右实现商业化等。

在创新技术开发方面，日本钢铁业从2008年开始进行氢还原炼铁技术开发，即COURSE50项目。2016年开始使用12m³试验高炉进行试验，验证了通过喷吹氢系气体铁矿石还原过程可减排CO₂ 10%以上，并确立了CO₂分离回收所采用的化学吸收法和物理吸附法。该项技术还利用钢铁厂内未利用的余热，进一步推进节能。从2020年开始，提出实现碳中和的各项课题，并于2021年制定了发展路线图。“炼铁工艺氢能利用”项目就是为实现碳中和炼铁而进行的研发课题，也是绿色创新基金项目（GI基金项目）。该项目主要聚焦在以下两个研发领域。

一是氢还原。因为碳还原是放热反应，而氢还原是吸热反应，将导致炉内温度降低，因此需要研发应对吸热反应的技术，为增加氢还原率，需要加热氢。此外，氢还有爆炸风险。传统高炉热风采用热风炉，通过加热耐火砖进行热交换，为确保安全，氢还原需要开发间接加热等新技术，而提高加热效率也是课题之一。

二是扩大废钢、直接还原铁的使用量。由于废钢中的铜、直接还原铁中的磷等杂质以及氮会影响产品质量，因此使用废钢和直接还原铁的电炉在生产钢种方面受到限制，特别是使用低品位原料的铁源，更难以制造高等级钢。因此确立有害元素的无害化处理技术是主要研发方向。

为应对上述挑战，日本制铁、JFE钢铁、神户制钢和金属材料研究开发中心（JRCM）四家公司组成氢炼铁财团产业联盟进行“炼铁工艺氢能利用”项目开发。除上述四家公司外，还有12家研发机构参与。该联盟以实现碳中和炼铁工艺为目的，通过共同利用各公司的资源（人才、设备和技术），以促进项目目标实现。开发成果由各公司董事出席的氢炼铁委员会确认，各公司根据需要提供经营资源，实现成果的最大化。

该项目的主要研发方向如下。

一、 高炉炼铁工艺氢利用技术开发

（1） 利用钢厂内部氢气的高炉氢还原技术开发（COURSE50）

通过利用钢铁厂内氢的高炉氢还原技术及CO₂分离回收技术等，到2030年实现炼铁工艺CO2排放量减少30%以上，其中用氢还原技术等减排10%以上，用CO2分离回收技术减排20%以上。项目分两个阶段进行，一是实炉验证试验的操作条件的研究；二是在实际高炉（5000m3级）的验证试验。

在日本制铁东日本制铁所君津厂的2号高炉安装常温氢系气体喷吹设备，预计2025年下半年开始实机验证试验。氢系气体采用焦炉煤气等。产生的高炉煤气通过化学吸收法和物理吸附法分离二氧化碳，其中将有效利用未利用的低温余热。

（2）利用外部氢气的高炉氢还原技术开发（Super COURSE50）

在日本制铁东日本制铁所君津地区，改造试验高炉（使用COURSE50开发使用的12m3试验高炉），2022年5月开始试验。

将加热后的外部氢气喷吹入高炉，替代部分焦炭，并且用直接还原铁代替部分铁矿石。通过将CO₂削减到极限和最大化利用CCU/CCS实现碳中和。验证与现行的高炉工艺相比，实现减排CO₂ 50%以上的技术。

（3）碳循环高炉

将高炉煤气中的CO2转换为甲烷，作为还原剂重复利用，替代一部分焦炭，从而减少CO₂排放量。该项目的研发将在JFE钢铁东日本制铁所千叶地区，建设小型碳循环试验高炉（150m³规模），2025年4月至2026年进行试验操作，确认工艺原理，验证与现行的高炉工艺相比，实现减排CO2 50%以上的技术。

二、 直接还原工艺氢利用技术开发

（1）氢直接还原低品位铁矿石的技术开发

到2030年，通过用氢直接还原低品位铁矿石的技术，实现比现行高炉工艺减少CO₂排放量50%以上。为此，将在中等规模的直接还原炉（实炉的1/25-1/5规模）中进行试验验证，包括在日本制铁波崎研发中心建设小规模试验竖炉（1t/h），预计2025年开始试验；在JFE钢铁东日本制铁所千叶地区建设小型试验炉，预计2024年开始试验。

（2）使用直接还原铁的电炉去除杂质技术开发

到2030年，在利用低品位铁矿石的氢直接还原铁的电炉工艺中，为了制造可用于汽车外板等的高端钢材品种，在直接还原炉-大型电炉的联合工艺（处理量约300 吨规模）中，验证将杂质（对产品有影响的成分）的浓度控制在与高炉工艺相同（磷150ppm、氮40ppm以下）的技术。

一是关键技术开发及小型试验电炉、炉外处理炉（处理量3-10吨）的试验；二是大型试验电炉、

炉外处理炉（处理量约300 吨）的试验。

在日本制铁波崎研发中心建设小型试验电炉（10吨），2024年开始试验，重点开发直接还原铁高速熔解和提高精炼效率的技术。在JFE钢铁东日本制铁所千叶地区建设小型试验电炉 （10吨），2024年开始试验，重点是研发还原铁预热、供给炉内热量的技术。在神户制钢高砂制作所改造小型商用炉（20吨），2022年开始试验，重点是开发还原铁熔解技术。

直接氢还原技术的开发是由日本制铁、JFE钢铁和JRCM三家公司负责实施。利用直接还原铁的电炉去除杂质的技术开发由日本制铁波崎研发中心、JFE钢铁东日本制铁所千叶地区和神户制钢所高砂制铁所负责实施。

其实面向碳中和的各种钢铁生产工艺，包括高炉-转炉、纯废钢电炉、直接还原铁-电炉都有其优点和待解的难题，需要各方进行多项技术开发来解决。

高炉工艺的优势是生产率高、可以使用现有设备，投资相对较低；可以使用低品位铁矿石，可以生产高等级钢材，存在的问题是要实现低碳甚至碳中和，必须将焦炭置换为氢、甲烷等碳中和还原剂；必须采用CCUS技术；采用氢还原时，炉内温度降低，需要解决方案；氢成本较高。

电炉工艺的优势是二氧化碳排放量少，存在的问题是生产率低、低品位原料难以制造高等级钢材；使用废钢，但铁源不足；需要绿色电力，但日本电力成本较高。

直接还原炼铁工艺的优势是二氧化碳排放量少，如果可以100%氢还原，可以实现碳中和。存在的问题是难以使用低品位铁矿石；采用氢还原时，炉内温度下降，需要解决方案；氢成本高；设备投资相对较高。

此外，为实现碳中和炼铁，

高昂的成本也是待解的难题。一是巨额研发费用。日本钢铁业预计到2030年需投资数千亿日元，面向2050年需要更多的开发费用（除了绿色创新基金之外，还需要国家支持研究开发）。二是巨额设备投资。为了实现碳中和，估计钢铁设备投资需要10万亿日元左右，因此需要建立有关设备投资的支持措施。三是绿色氢、电力费用及基础设施建设投资。（全荣）