前沿·科研

   气候变化是人类面临的全球性问题。碳达峰、碳中和目标的实现将重构社会经济体系、能源体系、工业体系以及人们的消费行为，意义重大。钢铁行业为工业发展提供基础原材料，是支撑国民经济必不可少的重要产业。随着钢铁产量逐年攀升，钢铁行业已经成为低碳发展改革的主战场。中国是世界上最大的钢铁生产国和消费国，其钢铁行业的碳排放占全球钢铁行业碳排放总量的50%以上，占国内碳排放总量的15%以上，是制造业31个门类中碳排放量最大的行业。因此，无论从国际还是国内形势研判，中国钢铁都是落实碳减排的重点领域。

图1：a，全球粗钢产量在过去20年的增长趋势；b，2019年各国钢铁行业碳排放量占比。

   鉴于此，北京科技大学张跃院士团队在国际顶级学术期刊Nature Materials撰文，系统论述了我国钢铁行业低碳高质量发展面临的瓶颈问题、应对策略与远大前景。本文首先深入剖析了制约我国钢铁行业高质量低碳发展的瓶颈挑战。我国钢铁行业集中度仍有待提高，中小型钢铁企业亟需进一步整顿与整合，加速钢铁企业跨地区、跨所有制兼并重组；我国钢铁制造工艺仍以高炉-转炉长流程为主，碳排放机理复杂，排放量密集，有待持续大力优化钢铁生产工艺流程，突破核心制造技术；相比于长期雄居世界第一的钢铁产量，我国钢铁高端产能占比相对不足，前沿创新技术研发与科技成果落地转化仍有待加强。针对上述发展制约，本文扼要评析了世界各大主要经济体在钢铁领域推行的系列政策与措施，并深入解读了我国为推动钢铁行业高质量低碳发展，在深化供给侧结构性改革、优化能源结构、推广先进适用低碳技术、大力支持科技创新等方面实施的宏观政策与行动方案，充分彰显了我国在推进构建人类命运共同体方面展现出的大国担当。

图2：不同钢铁制造工艺对应的二氧化碳排放量，着重突出风能、太阳能等清洁能源驱动下的电解水绿色制氢技术及碳捕集、利用、封存技术对未来钢铁工业脱碳的重大意义。

   围绕钢铁低碳先进制造，本文探讨了无碳技术、减碳技术与去碳技术在钢铁领域中的应用现状、优势特色及未来发展前景。立足当前，本文明确指出现行钢铁制造工艺的系统升级改造是该行业近期发展阶段内推进碳减排较为切实有效的技术路径。放眼未来，本文重点阐述了氢冶金，碳捕获利用与封存技术、废钢电炉流程的巨大减碳潜力与工艺路线革新。重点强调了清洁能源在经济社会低碳转型中的重要基础性作用，指明绿色氢能的大规模制备、输运、存储与利用技术势必对工业发展带来颠覆性变革与创新，倡导大力发展可再生能源驱动下的电解水制氢技术与配套装备，推进其商业化应用。在此基础上，本文阐明了材料科学与技术在促进钢铁行业高质量发展中所扮演的重要角色，突出了产品迭代升级在减少资源消耗、延长产品服役寿命、降低产品全生命周期碳排放方面的重大贡献。系统剖析了大块非晶、纳米晶、高熵合金等新一代金属材料，以及腐蚀大数据、材料基因工程、增材制造等前沿材料制造与防护技术的结构/工艺特色、研究进展与应用前景。

图3：保证全球气温上升低于1.5 °C情景下，不同工艺流程对应的全球粗钢产量预测。

   实现碳达峰、碳中和目标是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，本文呼吁以国家宏观政策为引导，统筹策划，科学制定钢铁行业节能降碳相关政策标准与技术路线图，尽早将钢铁行业纳入全国碳市场。鼓励钢铁行业顺应智能制造发展契机，探索智能钢厂建设，积极推动5G、大数据、云计算、人工智能、数字孪生等新一代信息技术的工业化应用。总之，钢铁工业低碳转型是一个庞大复杂的系统工程，关键是依靠科技进步，核心是技术创新。应加快构建以市场为导向的绿色低碳技术协同创新体系，推进多领域、多学科交叉研究，推动节能低碳技术的集成创新，强化科技成果转化应用，将科技创新势能更多转化为高质量发展新动能。作为世界钢铁大国，中国必将继续不遗余力引领世界钢铁工业绿色低碳发展，争做钢铁强国，积极推动全球气候问题的有效解决，为人类命运共同体的构建贡献“东方智慧与力量”。

文章信息：

   Zhuo Kang, Qingliang Liao, Zheng Zhang, Yue Zhang, Carbon Neutrality Orientates the Reform of the Steel Industry. Nat. Mater. 2022, 21, 1094.

DOI: 

10.1038/s41563-022-01370-7