尽管电炉炼钢是钢铁工业脱碳的发展趋势，但世界各地仍在兴建新的高炉工厂，至少在2050年之前，甚至21世纪内高炉仍将占据主导地位，但在高炉中使用可再生能源和氢气可加速钢铁工业脱碳进程。

目前，有三类能源可用于低碳排放炼铁：1）化石还原剂煤、天然气与碳捕集与封存（CCS）装置相结合；2）风能、太阳能和核能等产生的低碳排放电力；3）生物质能。产品可以是含碳或不含碳的铁水，也可以是含碳或不含碳的固态海绵铁。低碳排放氢气可通过配备CCS装置利用天然气制取（蓝氢），也可使用低碳排放电力通过电解水制取（绿氢），另外也可利用生物质制取（绿氢）。未来的工艺发展趋势将会逐步证实，一氧化碳和氢气混合作为还原剂是否更可取，或者纯氢是否更有效。还原机理非常复杂，能否从计算、简单的实验室试验甚至中试试验中得出意义深远的结论，目前仍有待考证。

化石还原剂与CCS

使用化石煤炭和天然气的工艺都面临严峻的挑战，即煤炭开采减少和天然气开采产生的甲烷上游排放。高炉无论是使用富氧空气鼓风，还是使用炉顶煤气循环的纯氧鼓风炉，都需要一定数量的焦炭确保炉床透气，每吨铁水约需要280-300kg焦炭。在满足这一要求后，可使用非化石还原剂替代品或低碳海绵铁来减少碳排放，并额外减少焦炭用量。HIsarna工艺的优点是不需要球团或其他团块作为原料，但如果使用化石煤，则需要依靠CCS来减少碳排放。MIDREX公司宣布了一种灵活方法，即炼铁厂先使用天然气，然后在氢气供应充足时提高氢气含量。在此之前，必须从稀释的烟气中捕集二氧化碳。由特诺恩和达涅利联合开发的Energiron工艺既可以使用天然气作为还原剂，也可以使用100%氢气。另一方面，目前的工艺将CCS作为工艺的固有部分，以便将一氧化碳回收到竖炉中，因此，只需对布局稍作调整，就可以改进工艺，捕集大部分二氧化碳。

低排放电力作为能源

熔融氧化物电解（MOE）是目前开发的一种生产铁和铁合金的工艺。MOE工厂的设计是将多个电池并联运行，以氧气作为副产品，生产出高温无碳液态金属。Siderwin是另一种在低温下生产铁的阴极极化电解工艺。MOE和Siderwin均处于早期开发阶段，尽管预期能耗较低，但对于像铁这样的低成本材料来说，过多设置小型电池使得竖炉的成本竞争力面临挑战。

Hybrit工艺通过电解水制氢来生产无碳海绵铁。目前中试试验已完成，并计划实施130万吨/年的示范项目，将于2025年开始建设。Hybrit团队面临的一大挑战是在生产商业工厂所需的大量氢气时电解槽的效率和稳定性。Circored和Hyrex均是流化床工艺，利用粉矿生产无碳海绵铁，在工艺布局上都减少使用天然气或气化煤，但经过重新设计，目前已开始使用氢气。

源于生物的还原剂

在大多数碳核算系统中，生物资源产生的二氧化碳排放被认为是不存在的，除非是被捕集和储存，此时生物资源的二氧化碳排放作为碳汇被赋予负值。建议在转炉工序之前采用熔分炉工艺对海绵铁进行熔炼、最终还原和渗碳。目前，大多数冶炼厂使用化石碳作为电极，而未来必须使用生物碳作为电极来生产低碳排放钢。在Tecnored工艺中，木炭被用来还原铁矿石，以冷压块的形式生产出与高炉类似的铁水。通过对森林残留物等生物质以及其他生物材料进行气化处理，可以产生一种合成气，其成分与MIDREX工艺中使用的重整天然气相同。FerroSilva工艺利用生物合成气生产含碳量正常的海绵铁，同时吸收生物二氧化碳。该项目正处于早期开发阶段，计划于2028年首次投产，产量为5万吨/年。

低碳排放钢铁的生产

低排放钢铁的生产取决于上游低碳排放的煤炭和天然气、CCS能力、低排放电力和生物质能。这些将取决于地点、时间和可用的交通工具，技术准备是一大问题。在全面证明之前，新工艺只能是一种初步想法，需要对现有和正常运行的工艺进行改进，为新的干预措施留出空间。

低碳排放海绵铁的作用

当越来越多的高炉关闭并改用电弧炉时，为确保钢材的高质量，对海绵铁的需求也随之增加。如果外加剂含量在20%左右，那么煤矸石含量就不那么重要了，即使低含量也是可取的。电弧炉用海绵铁熔炼代替高炉生产，由于需要低煤矸石含量的铁矿石，且资源有限，因此，依旧存在难度。不过，目前高炉可用于处理煤矸石含量高的矿石或海绵铁。因此，在全球范围内最大程度地混合海绵铁既可以减少二氧化碳排放，也可以更为经济地利用铁矿石。

何处生产低碳排放海绵铁

将铁矿石还原成低碳排放海绵铁（直接还原铁）的成本如图1所示，柱形的粗细表示32-65欧元/MWh的电力成本差异。在图1中，天然气中的二氧化碳被捕集并储存，生物合成气中的二氧化碳被捕集并出售，从而获得溢价。当然，这样的计算只是指示性的，显示的是在铁矿石成本和市场距离相同情况下的还原剂成本。

从图1中可以得出两个结论：一是如果要寻找一个可以将铁矿石还原成低碳排放海绵铁的地方，以此来减少全球钢铁工业的碳排放，那么在可预见的未来，就必须寻找拥有低成本天然气的国家；二是为了用氢气生产海绵铁，还必须具备地理优势，最好靠近钢铁厂。

以有限资源应对气候挑战

实现《巴黎协定》的目标是全社会的任务，而不仅仅是钢铁行业的任务，尽管如今的情况似乎正是如此。拥有低碳排放电力是所有行业脱碳发展的关键，而首要问题必须是如何优化全球影响。在哪些地区使用可再生电力生产氢气是最佳选择？如果在废钢竞争加剧的情况下，一边用电弧炉取代传统高炉，而同时在其他地方建造新的高炉，这是否合理？

从炼铁工艺发展趋势来看，显而易见的是，在没有天然气资源的国家，主要炼铁工艺仍然是高炉，而且在无化石能源生产取得突破性进展、大幅降低电力成本之前，现状并不会有太大改观。从长远来看，业内或将真正拥有无化石新工艺，但这些新工艺还需要一段时间才能准备就绪，并在世界市场上发挥重要作用。不过，低碳排放电力和生物质能的可用性将会设置一定限制，并决定其竞争力和市场占有率。

从目前来看，为了实现全球钢铁行业碳减排，最简单、最经济的方法就是利用天然气生产低碳排放海绵铁，并将CCS用于电弧炉和高炉。