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使用氢气实现创新的钢铁制造工艺， CO 2排放几乎为零

2024-05-29

钢铁用于汽车、新干线、个人电脑、智能手机、住房和日常生活用品等多种产品。此外，钢铁行业是国内出货总额达19万亿日元的主要行业，日本是继中国和印度之后的世界第三大粗钢生产国。

另一方面，钢铁在制造过程中会排放大量CO 2 。钢铁工业约占日本工业部门CO 2排放量的40 % * 1。炼钢过程脱碳将极大地有助于实现碳中和社会。

日本从2008年起就领先于世界，重点关注利用氢的炼钢工艺，并一直在推进“环保工艺技术的开发/氢还原等工艺技术的开发”的技术开发项目。COURSE50项目）'' *2来了。碳中和的CO 2削减目标已经具体化，为了实现钢铁中的碳中和，我们正致力于将迄今为止开发的技术成果应用于社会，并迎接进一步技术创新的挑战。

我们将介绍钢铁行业炼钢过程中的挑战以及减少二氧化碳排放的技术。

目前的铁制造方法

在考虑钢铁脱碳时，首先重要的是要了解当前的钢铁生产方法。铁由铁矿石 (Fe 2 O 3 ) 和焦炭（经过蒸汽处理后仅保留碳部分的煤）制成。焦炭用于去除铁矿石中的氧气。当这些原料放入熔炉中高温熔化时，铁矿石中所含的氧被除去，较重的铁积聚在底部，较轻的杂质则浮到顶部。提取铁水（生铁）。然而，生铁含有大量焦炭产生的碳，处于脆性状态，因此在称为熔炼的过程中，向其中吹入氧气和其他物质，以进一步减少杂质并将其变成钢。

目前，广泛使用三种炼铁方法：高炉法、直接还原法和电炉法。

“高炉法”：将铁矿石和焦炭放入高炉中，铁矿石在高炉中熔化。
“直接还原法”：将铁矿石直接放入还原炉，通入天然气。
“电炉法”：将铁屑等还原铁原料放入电炉中，用电能加热熔化。

根据制造方法的不同，所需的能源量、可制造的钢材质量以及CO 2排放水平也存在差异。具体来说：

高炉法

直接还原法

电炉法

特征

二氧化碳排放量


由于熔化和还原利用高热量同时进行，因此能源效率很高。我们还可以制造高级钢材。	由于还原和溶解是独立的过程，因此能源效率较低。	原材料废铁杂质较多，需要分选、混合管理。
由于使用大量焦炭，产生大量CO2。	与高炉法相比，CO 2排放量较低。	不需要使用焦炭，与高炉法相比，CO 2排放量较低。

氢还原炼铁的特点及问题

在高炉法和直接还原法中，使用碳进行还原。换句话说，CO 2是在从铁矿石中还原氧的制造过程中产生的。氢还原炼铁技术利用氢气代替碳来还原铁矿石，有望成为消除制造过程中CO 2排放的新方法。

资料来源：经济产业省、第3次产业结构审议会、绿色创新事业分会、能源结构转型现场工作组，参考资料2《‘钢铁制造过程中的氢利用’项目的研发方向和社会实施（草案）》 )" p15 创建于

高炉法氢还原炼铁是用氢气代替高炉中使用的部分焦炭的方法。日本是世界上第一个成功运用这种方法的国家。测试于 2013 财年开始，我们是世界上第一个验证可以通过减排过程减少二氧化碳排放量的公司。这是“环境友好型钢铁制造工艺技术开发（COURSE50）”从2008年开始该项目启动的目的是建立一种创新的低碳炼钢工艺，将钢铁厂的二氧化碳排放量减少约 30 %。

直接还原法氢还原炼铁是一种用氢气代替传统天然气的方法。如果所有能源都换成氢气，CO 2可以减少100%。

另一方面，用氢气进行还原时存在几个问题。当使用高炉法进行氢还原炼钢时，维持高温是一个问题。使用焦炭的传统还原会产生放热反应，确保有足够的热量来熔化铁。传统高炉的最高温度约为2300℃。然而，与氢的还原反应是吸热反应（吸热反应）。因此，随着还原反应的进行，炉内温度降低，导致铁不再熔化的情况。为了使还原反应连续进行，需要有足够的热量和一定的间隙，使热量分布在整个炉内。当焦炭堆积时，会有间隙，但如果减少焦炭的量，间隙也会减小。

资料来源：经济产业省、第3次产业结构审议会、绿色创新事业分会、能源结构转型现场工作组，参考资料2《‘钢铁制造过程中的氢利用’项目的研发方向和社会实施（草案）》 )" p20 创建于

因此，在高炉法氢还原炼钢中，必须使用一些焦炭。为此，绿色创新基金项目的目标是通过氢还原炼钢实现50%的二氧化碳减排率，其余50%的目标是通过使用CCUS（二氧化碳捕获、利用和储存）技术实现几乎零排放。我们正在发展。

在使用直接还原法的氢还原炼钢中，保持温度也是一个问题。原本直接还原炉内的温度较低，在900℃左右。因此，当因氢还原的吸热反应而温度降低时，还原铁在直接还原炉内更容易粉化、凝固。结果，可能发生堵塞，降低制造效率。众所周知，当使用低品位铁矿石时，特别容易发生粉化和凝固。低品位铁矿石是目前高炉工艺使用的原料，因此如果能够稳定使用，则更容易扩大生产。绿色创新基金项目还将致力于建立基于使用低品位铁矿石的氢还原技术。

由于电炉法使用还原铁原料，是继直接还原法氢还原炼铁之后的工艺，挑战在于提高去除铁原料中所含杂质的精度。特别是，当使用低品位铁矿石制成的还原铁时，杂质较多，因此绿色创新基金项目正在开发提高熔化效率和除杂精度的技术。

炼钢工艺的根本转变并不是一件容易的事。在追求所有可能性的同时，绿色创新基金面临着创建最佳流程以解决每个制造流程所面临的问题的挑战。这些举措的详情将在第二部分介绍。

出处：经济产业省、第10次产业结构审议会、绿色创新事业小组委员会、能源结构转型现场工作组，资料4：参考《国内外钢铁行业碳中和趋势》第3页制作

氢还原炼钢对增强产业竞争力至关重要

日本钢铁工业是一个国内总出货值达19万亿日元、拥有22万名员工的产业*3，是一个极其庞大的工业和就业基地，而钢铁工业的发展是该行业的一个主要因素。也与发展密切相关。此外，由于钢铁是各种场合都需要的原材料，包括资源、能源、土木、建筑等基础设施领域，氢还原炼钢的实现将有助于各行业脱碳，有利于日本的产业竞争。预计将有助于维持和提高实力。

此外，在全球18.7亿吨的粗钢产量中，日本的产量约占1亿吨* 4 。为了供应世界最高标准的高等级钢材并继续领先世界，领先于世界其他国家的技术创新至关重要。

此外，支持脱碳社会的新产业也需要钢铁，例如未来移动社会中使用的电工钢板和海上风电的单桩（钢管桩）。未来，碳中和产业将集中在产业集中的工业园区，以便高效地进行工业生产。在那里设立氢还原炼钢厂并与之合作的计划也正在形成。例如，为了进行氢还原炼钢，需要建立一个系统来确保氢气稳定地到达钢厂，因此正在努力发展包括生产、供应和储存在内的价值链。通过与这些努力的合作，我们的目标是从根本上改变炼钢工艺。

出处：经济产业省、第10次产业结构审议会、绿色创新事业小组委员会、能源结构转型现场工作组，资料4：参考《国内外钢铁行业碳中和趋势》第33页制作

迈向应用氢还原炼铁技术的社会

国际能源署 (IEA) 预测，到 2050 年，绿色钢铁（在制造过程中二氧化碳排放几乎为零）的市场规模将约为 5 亿吨，到 2070 年将几乎完全被取代。* 5。未来，没有绿色钢材，可能就无法进入市场。

出处：经济产业省、第10次产业结构审议会、绿色创新事业专门委员会、能源结构转型现场工作组、文件4：国内外钢铁行业碳中和趋势等。参考第14页制作

此外，其他国家钢铁行业的脱碳努力也在加速。例如，欧洲大型钢铁公司安赛乐米塔尔宣布计划在其德国汉堡工厂建设直接氢还原示范工厂，并于2025年底开始示范。

中国大型钢铁公司宝武钢铁集团目前正在开发通过在高炉工艺中注入氧气来减少焦炭使用量和二氧化碳排放量的技术。同时，我们也在进行利用小型高炉进行氢气还原的研究。此外，韩国大型钢铁公司POSCO正在开发自己的氢还原技术，并宣布计划在2050 年之前将其商业化* 6。

绿色创新基金项目在密切关注这些海外趋势的同时，力求早日实现商业化，同时也考虑通过联合研究进行合作。未来，我们将继续承担社会落实的挑战，通过向海外拓展氢还原炼铁技术，为全球实现碳中和做出贡献，奠定未来的产业基础。

*1 新能源产业技术综合开发机构（NEDO）绿色创新基金特设网站、项目信息【钢铁制造过程中的氢利用】相关资料《研究开发/社会实施计划》p3
*2 2008年，新日铁、JFE制钢所、神户制钢所等参与的项目已完成，旨在建立一种创新的低碳炼钢工艺技术，可将钢铁厂的二氧化碳排放量减少约30%。
* 3经济产业省、第3次产业结构审议会、绿色创新事业分会、能源结构转型领域工作组资料2《‘炼钢过程中的氢利用’项目（草案）的研发方向和社会实施》p2
* 4经济产业省第3次产业结构审议会绿色创新项目分委会能源结构转型领域工作组资料2《‘钢铁制造过程中的氢利用’项目（草案）的研发方向和社会实施》p2
* 5经济产业省、第10届产业结构会议、绿色创新项目小组委员会、能源结构转型现场工作组资料4“钢铁行业碳中和的国内外趋势”p14
* 6经济产业省、第10届产业结构会议、绿色创新项目小组委员会、能源结构转型现场工作组资料4“钢铁行业碳中和的国内外趋势”p8、11、

未完待续：下一集《高炉法、直接氢还原法、电炉法有哪些创新技术？》