专家观点｜浅析美国钢铁工业脱碳项目布局
发表时间：2025-03-31 09:17:14 来源：kaiyun网页版登录入口
当前，美国钢铁工业全球竞争力不足，但在低碳冶金领域仍不乏创新活力。本文主要聚焦美国钢铁工业低碳创新活动，简要介绍了美国钢铁工业脱碳路线图及美国能源部脱碳项目组织方式，系统梳理了钢铁领域脱碳项目相关联的内容。受当前政治环境影响，美国在气候治理问题上立场摇摆，其应对气候变化政策存在不确定性，有可能波及钢铁工业脱碳项目的支持资金，影响项目实施进展。但美国能源部在低碳冶金领域的项目统筹组织、技术方向选择等经验，对中国钢铁工业的低碳转型仍具有一定的借鉴和启示意义。
近年来，美国粗钢产量维持在8000万吨左右，流程结构以短流程为主，占比近70%。在能源使用情况，基于2018年数据（当年流程结构与当前相近），从生产工序或生产环节考虑，工艺加热所耗能源占钢铁生产总耗能的63%，动力耗能（机械驱动）占12%，热电联供/余热发电工程耗能占10%；从能源类型考虑，天然气占37%，焦炭和煤粉占28%，网电占17%。美国工业部门2020年CO2排放量为13.6亿吨，占与能源相关的CO2排放量的30%，其中排放量前三位的行业分别是化学工业2.74亿吨、石油加工业2.35亿吨、钢铁工业0.9亿吨。所以，美国钢铁工业低碳发展对美国工业部门减排具备极其重大影响。
美国能源部（United States Department of Energy）是美国联邦政府的一个下属部门，主要负责美国联邦政府能源政策制定、能源行业管理、能源有关技术研发等。近些年，美国能源部先后发布了钢铁工业脱碳路线图，并在钢铁领域通过不同方式支持了多批次脱碳项目，推动本国钢铁工业的低碳转型。
2022年，美国能源部发布《工业脱碳路线图》，提出了美国实现工业脱碳的四个关键路径，即能效提升，工业电气化，低碳燃料、原料和能源，碳捕集、利用和封存（CCUS）。就钢铁行业而言，面向2050年钢铁工业净零碳排放，分阶段提出了具体的低碳技术方向（图1）。
1）支持低成本解决方案，如能效提升、战略能量管理、余热回收（TRT、CDQ）等；
2）实现向低碳燃料和低碳加热转型，如加热炉电气化、清洁氢燃料、生物质燃料；
1）探索继续提高材料效率和灵活性的途径，包括再利用、回收利用和翻新等（比如从冶金渣中回收材料和能源等）；
2）投资低碳工艺路线，如熔融氧化物电解、扩大感应电炉应用、清洁氢直接还原铁+电弧炉工艺等；
3）扩展基础设施和整合能力及知识，尽可能以最高效率和最佳经济效益捕集难减碳源的CO2；
4）探索使用低碳、净零碳或负碳方法以生产还原剂的创新工艺，例如使用清洁电力共电解CO2和水以生成合成气用于直接还原铁。
2）降低变革性炼钢方法的技术和经济挑战性，加快开发进度（如水溶液电解和电解冶金）
3）开发在现场或附近设施利用废气（H2、CO、CO2等）的其他途径，提高气体分离效率，显著降低其能源和资源需求，降低部署门槛。
美国能源部制定了工业技术联合战略，对处于研究、开发、示范、推广等不同阶段的技术进行系统投资，以最大限度地提升全链条创新能力。结合工业脱碳路线图四大关键脱碳路径，美国能管部进一步提出了制造技术创新路径，旨在推动制造工艺、新材料以及数据分析和机器学习等技术的进步。基于此五大路径，从基础科学，研究、开发及中小型示范，大型示范，大范围推广等四个技术阶段，在脱碳技术开发方面不断加强组织协调（见图2），以加快推动技术创新。具体如下：
一是针对研发阶段项目。通过对基础科学、研究、开发和小规模示范等技术阶段项目的投资，确定并加快开发净零排放所需的全套技术。主要负责部门涉及美国能源部下属能源效率和可再生能源办公室（EERE）、化石能源和碳管理办公室（FECM）、能源高级研究计划局（ARPA-E）等。
二是示范、推广阶段项目。通过对工业规模示范、推广阶段技术项目的大量投资，包括借助《两党基础设施法》（Bipartisan Infrastructure Law）和《通胀削减法案》（Inflations Reductions Act）等，以推进有前景技术克服最终的市场风险。主要负责部门涉及美国能源部下属清洁能源示范办公室（OCED）、制造和能源供应链办公室（MESC）等。
2024年4月，美国能源部能源高级研究计划局聚焦变革性技术，提出ROSIA（Revolutionizing Ore to Steel to Impact Emissions）计划，宣布向13个项目提供2800万美元，以推进过程零排放炼铁和生命周期超低排放炼钢。ROSIE项目的目的还在于遴选出能够以现有工艺相同或更低的成本制造生铁的技术，项目相关信息见表1。
2023年6月，美国能源部工业效率和脱碳办公室遴选出40个项目，主要聚焦研究、开发及中试规模等技术阶段的项目，共提供1.35亿美元资金。其中，钢铁领域项目10个，资助总额3150万美元，项目相关信息见表2。
2024年3月，美国清洁能源示范办公室公告资助6个钢铁领域（含铸造）工业示范项目，资助总额超15亿美元，项目全部建成后将实现每年减少250万吨碳排放。项目相关信息见表3。
受当前政治环境影响，美国在气候治理问题上立场摇摆，其应对气候变化政策存在不确定性，有可能波及钢铁工业脱碳项目的支持资金，进而影响项目实施进展。但美国能源部在低碳冶金领域的项目统筹组织、技术方向选择等经验，对我国钢铁工业的低碳转型仍具有一定的借鉴和启示意义。
美国能源部制定了钢铁行业脱碳路线图，提出了实现行业脱碳的四条路径，即能效提升，工业电气化，低碳燃料、原料和能源，碳捕集、利用和封存（CCUS）。基于该路线图，美国能源部对各路径上处于研发、开发、示范、推广等不同阶段的技术进行统筹协调、系统布局。
一是能源高级研究计划局（ARPA-E）等主要负责基础科学阶段最前沿的技术项目；
二是能源效率和可再生能源办公室（EERE）下属工业效率和脱碳办公室（IEDO）等承接上述技术阶段，主要负责研究、开发和小规模示范阶段的技术项目；
据不完全统计，近两年，美国能源部根据技术成熟度情况先后资助了三批钢铁行业脱碳类项目，形成梯次布局结构，全面提升创新能力。
一是能源高级研究计划局支持的前沿技术项目——ROSIA，共13项，资助总额2800万美元。项目技术方向涉及氢等离子体还原技术、熔融氧化物电解技术（MOE）、电解冶金技术（Electrowinning）以及低温电化学法、氨还原工艺等。项目承担单位包括国家实验室、院校以及Electra、Phoenix Tailings等初创公司和Blue Origin等高技术企业。
二是工业效率和脱碳办公室支持了研究、开发及中试规模等阶段的10个钢铁项目，资助总额3150万美元，技术方向涉及氢基直接还原、氢燃料、生物质利用等。项目承担单位主要为科研院所以及能源类企业、初创类公司等。
三是清洁能源示范办公室支持了钢铁领域（含铸造）6个工业示范项目，资助总额超15亿美元，技术方向涉及电感应加热、氢基直接还原、氢基直接还原+熔分炉等，包括了SAAB公司HYBRIT技术、淡水河谷冷固球团技术等世界范围内的热点低碳技术。项目承担单位主要为钢铁（含铸造）生产企业。
一是加强项目统筹。在双碳目标背景下，我国钢铁行业提出了系统能效提升、资源循环利用、流程优化创新等六大低碳路线，以及富氢或全氢气基直接还原技术、富氢碳循环高炉技术、近零碳排电炉流程技术等八大技术方向。相关企事业单位也已开展了一系列探索性研究，部署了一批低碳项目。但也应注意到，我国在创新方面还存在着资源分散、多头研发、相互竞争、彼此割裂等问题，共性研发技术机制尚未建立，“政产学研金服用”创新生态系统有待完善。应系统梳理总结现阶段我国低碳冶金领域相关科研实践进展，从项目组织管理、技术方向选择、研发资金支持等方面，进一步强化工作统筹、加大支持力度。
二是营造创新环境。1）立足减量发展阶段，要严控新增产能，同时也要为创新留足产能空间，特别是工业示范阶段项目，要让创新成为产能存量优化的重要抓手，避免因产能问题桎梏技术创新。2）面向数字化时代，钢铁制造流程还存在大量“黑箱”，而钢铁行业为新一代信息技术提供了巨大的应用场景，应创造条件欢迎各领域、各类创新资源参与钢铁行业创新。3）树立全球视野，加强国际合作，欢迎世界各地的低碳冶金先进的技术到中国落地，发挥“鲶鱼效应”，活跃行业创新氛围，推动行业绿色低碳高质量发展。
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