一、冶金行业碳排放现状与低碳转型紧迫性

（一）全球与中国碳排放特征

冶金行业是工业化进程中的能源密集型产业，其碳排放总量占全球总排放量的10%-15%，其中钢铁行业贡献占比超70%，成为减排重中之重。从区域分布看，亚洲地区（以中国、印度为核心）承担了全球60%的冶金碳排放，中国更是以占全球45%以上的排放量成为关注焦点，这与我国钢铁产业粗放式生产模式及70%的煤炭能源依赖度密切相关。尽管近年通过产业升级，部分高端企业单位产品碳排放已下降10%-20%，但整体减排形势仍不容乐观。

（二）关键排放环节解析

冶金碳排放呈现显著的源头集中特征：在钢铁生产中，烧结与高炉炼铁环节占总排放量的60%以上，焦炭燃烧与铁矿石还原反应是核心排放源，每吨生铁生产需消耗约400公斤焦炭，伴随大量CO₂生成；有色金属领域，电解铝生产因依赖火电，碳排放强度可达2-3吨CO₂/吨铝，而石灰石分解等原料反应也贡献了约10%的碳排放。此外，电弧炉炼钢的电力消耗、冶金废弃物处理等环节的间接排放同样构成减排难点。

（三）政策驱动与行业压力

全球低碳政策框架为冶金行业设定了明确约束：欧盟碳市场（EUETS）通过配额交易强制企业减排，中国“双碳”目标则将冶金行业纳入重点监管，明确2025年钢铁企业吨钢碳排放强度需降至1.5吨CO₂以下。市场层面，碳足迹核算体系完善与绿色金融兴起（全球绿色债券年均增长超20%），进一步倒逼企业从被动减排转向主动技术革新。

二、低碳冶金工程核心技术路径探索

（一）钢铁冶金低碳技术突破

1.氢基还原技术：从“碳冶金”到“氢冶金”的革命

氢冶金以氢气替代焦炭作为还原剂，从源头切断碳排放，成为钢铁行业颠覆性技术方向。河钢集团张宣科技建成全球首例“氢基竖炉—近零碳排电弧炉”示范工程，2023年达产达效后稳定运行近两年，通过绿氢还原铁矿石实现直接还原铁（DRI）生产，配套CO₂捕集系统使捕集效率超80%，最终达成近零碳排放目标。德国同类项目数据显示，氢冶金可使每吨钢材减排约2吨CO₂，减排效能远超传统工艺。当前技术攻关重点集中于高性价比原料适配与钒钛磁铁矿等复杂矿种的氢基还原工艺优化。

2.短流程炼钢技术：流程重构与能效提升

短流程炼钢以废钢为原料，通过电弧炉冶炼替代传统转炉工艺，显著降低碳排放强度。我国短流程炼钢占比已从2010年的20%提升至2020年的35%，对应碳排放量减少约15%，每吨短流程钢材可减排0.5吨CO₂。张宣科技在此基础上创新开发“氢基竖炉DRI—近零碳排电弧炉”新型短流程，通过配加30%-50%DRI与生物质燃料，结合数字孪生系统实现冶炼过程精准管控，其项目获世界钢铁协会“低碳生产卓越成就奖”。国家政策明确2030年短流程炼钢占比需达20%以上，为技术规模化应用提供保障。

3.CCUS技术：末端减排的关键补充

碳捕集、利用与封存技术为高排放环节提供兜底解决方案。宝武钢铁采用膜分离技术从高炉煤气中捕集CO₂，捕集效率超80%，被捕集的CO₂可用于生产碳酸钙、甲醇等化工产品，每利用1吨CO₂可替代1吨石灰石，间接减排0.9吨CO₂。但目前CCUS面临成本高企与商业化规模有限的瓶颈，需结合绿色能源与化工产业协同降低应用门槛。

（二）有色金属冶金低碳创新

1.复杂矿产清洁利用技术

针对难处理矿产的低碳冶炼技术实现资源高效利用与减排协同。中南大学开发的难处理钨矿高效清洁技术，可处理品位低至20%的钨矿，浸出率超99%，综合回收率提高15%，同时实现废水近零排放与冶炼成本降低25%。其冶炼多金属废酸资源化技术，通过“选择性吸附—气液硫化—酸浓缩回用”工艺，使金属回收率达96%以上，危废量削减90%，已在五矿株冶、紫金矿业等企业规模化应用。

2.电解铝与盐湖提锂绿色升级

铝工业通过工艺革新突破减排瓶颈：一水硬铝石矿非石灰拜耳法溶出技术从源头减少赤泥排放（年排放超1亿吨），结合电解槽智能化管控系统，实现节能降耗与减排协同。盐湖提锂领域，电化学脱嵌法创造性应用锂离子电池原理，实现锂的高选择性提取，被列为矿业领域颠覆性技术，支撑新能源产业低碳发展。

3.城市矿产循环利用技术

电子废弃物等二次资源的循环利用成为减排新路径。中南大学开发的废旧电路板低温热解与有价金属梯级分离技术，构建“互联网+分类回收”模式，三年处理电子废弃物2421万台，实现销售收入72.46亿元，推动资源循环与减排双赢。

三、低碳冶金技术实践案例与效能评估

（一）张宣科技氢冶金示范工程

作为中国首个钢铁工业绿色转型示范区核心项目，张宣科技实现“氢基竖炉DRI—电炉冶炼—汽车板连铸”全链条贯通，其氢冶金产品成功应用于核聚变EAST装置耐超低温材料。工程通过与必和必拓合作优化铁矿石适配性，开展镍球DRI工业试验，挖掘高附加值元素回收潜力，为行业提供“技术可行+经济合理”的低碳转型范本。

（二）中南大学技术产业化应用

该校低碳有色冶金技术已形成“实验室突破—工业化应用—国际化推广”的完整链条：红土镍矿冶炼技术提升镍铁生产效率，支撑不锈钢产业可持续发展；电子废弃物循环技术构建国内最大回收体系，引领资源循环产业升级。这些成果累计获国家技术发明二等奖2项、科技进步二等奖3项，彰显科研对减排的支撑作用。

（三）技术减排效能对比

不同技术路径呈现差异化减排特征：氢冶金与短流程炼钢属于源头减排，吨钢减排量分别达2吨与0.5吨；CCUS作为末端技术，捕集效率可达80%以上；有色金属清洁技术则实现“减排+资源增效”双重收益，如废酸处理技术同时降低碳排放与危废污染。

结论

低碳经济背景下，冶金工程技术正经历从“末端治理”向“源头减排”“过程优化”“资源循环”的全方位变革。氢冶金、短流程工艺等钢铁领域技术与有色金属清洁提取技术已展现明确减排效能，张宣科技与中南大学的实践验证了技术可行性。未来需通过技术创新降低成本、政策协同破除壁垒、产业融合构建生态，推动冶金行业从高碳粗放型向低碳高效型转变，为全球“双碳”目标实现提供核心产业支撑。

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