1973年石油危機以來，日本一直致力于節(jié)能減排研究。1992年，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》獲得通過，并于1994年3月21日起生效。1997年，日本經(jīng)濟團體聯(lián)合會的加盟團體制定了環(huán)境自主行動計劃（全球變暖對策），確定針對全球變暖正式開始CO2減排工作。1997年12月《京都議定書》在日本京都通過，并于2005年2月16日正式生效。為了實現(xiàn)日本在《京都議定書》第一承諾期（2008-2012年）約定的、相對基準(zhǔn)年（1990年）溫室氣體削減6%的目標(biāo)，日本制定了《京都議定書目標(biāo)達成計劃》。2008年7月，日本制定《低碳社會行動計劃》，該計劃分階段、定目標(biāo)、強舉措地全面推進節(jié)能減排。2015年12月《巴黎協(xié)定》獲得通過，并于2016年11月4日正式生效，日本提出到2030財年溫室氣體排放相比2013財年減排26%的目標(biāo)，到2050財年減排80%的長遠目標(biāo)。遵照《巴黎協(xié)定》，2018年日本鐵鋼連盟提出2100年挑戰(zhàn)“零碳鋼”的目標(biāo)。2020年12月25日，日本政府發(fā)布了《綠色增長戰(zhàn)略》，提出到2050年實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，構(gòu)建“零碳社會”。日本政府將應(yīng)對全球變暖、實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型視為后疫情時代拉動日本經(jīng)濟持續(xù)復(fù)蘇的新的增長點。

2 日本制鐵低碳發(fā)展路徑

作為日本最大的鋼鐵企業(yè)，日本制鐵公司深刻認(rèn)識到氣候變化問題的威脅。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，日本制鐵從產(chǎn)品生產(chǎn)到運輸，以及在產(chǎn)品最終使用階段，通過降低能源消耗、減少CO2排放以及提高整個供應(yīng)鏈的能源使用效率，努力遏制氣候變化帶來的影響。

為此，日本制鐵參與了日本鐵鋼連盟提出的《低碳社會行動計劃》以及由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）資助的“實現(xiàn)零碳鋼的技術(shù)開發(fā)”項目。《低碳社會行動計劃》分兩個階段實施，第一階段為2013-2020財年，第二階段為2020-2030財年。生態(tài)工藝、生態(tài)產(chǎn)品、生態(tài)解決方案這三大生態(tài)環(huán)保理念和革新性技術(shù)開發(fā)是該計劃實施的四大支柱。

目前，日本制鐵主要通過開發(fā)生態(tài)工藝、生態(tài)產(chǎn)品、生態(tài)解決方案，以及開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)來減少CO2排放?；谇捌诘某掷m(xù)努力，2019財年日本制鐵耗能1089PJ，與1990財年相比下降約13%，其中一部分是由于新冠肺炎疫情導(dǎo)致的產(chǎn)量下降；2019財年噸鋼CO2排放強度增至2.06噸，但CO2排放量則比1990財年下降約12%至9400萬噸。

2.1生態(tài)工藝

日本制鐵使用海外進口的鐵礦石、煤炭以及社會產(chǎn)生的廢鋼生產(chǎn)鋼鐵，其一直致力于降低生產(chǎn)和制造過程對環(huán)境造成的影響。

首先，日本制鐵有效利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的能源，如回收副產(chǎn)煤氣和余熱進行發(fā)電，其鋼廠產(chǎn)生的所有副產(chǎn)煤氣都用作內(nèi)部能源，回收率達100%；如將煉焦過程中煤在無氧環(huán)境下熱裂解產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣和高爐煉鐵產(chǎn)生的高爐煤氣，作為鋼廠加熱爐的燃料或作為發(fā)電廠的能源而得到充分利用；鋼廠內(nèi)用作各種熱源的蒸汽有83%是由廢熱產(chǎn)生的，從而大幅減少燃料消耗；鋼廠內(nèi)部產(chǎn)生的能源，如廢熱和副產(chǎn)煤氣，81%用于內(nèi)部發(fā)電，其自發(fā)電力占比達到89%，其中自發(fā)電力的37%通過電力公司向本地社區(qū)供應(yīng)。

其次，借助在高溫高壓下運行的煉鐵高爐和焦?fàn)t，對社會或其他行業(yè)產(chǎn)生的各種副產(chǎn)品進行回收利用。近年來，日本制鐵一直在積極回收廢塑料和其他廢物。這些以往被填埋或焚燒的廢物，在焦?fàn)t和高爐中作為原材料或能源再利用，也是減少CO2排放的另一種途徑。另外，在水泥生產(chǎn)中使用高爐渣可以減少石灰石和燃料的使用，每噸水泥可減少CO2排放320千克（與普通水泥生產(chǎn)相比降低40%以上）。

再次，為減少能耗及CO2排放，日本制鐵采取如下措施，如改進每道工序的操作、改造老舊焦?fàn)t和其他設(shè)備、引進高效發(fā)電設(shè)施和制氧機，以及在加熱爐中改用蓄熱式燒嘴等。

最后，為減少CO2排放，日本制鐵正在開發(fā)將氫作為還原劑部分替代煤炭的氫還原煉鐵工藝。

2.2生態(tài)產(chǎn)品

日本制鐵生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于能源、交通、建筑設(shè)備、家居用品等多個領(lǐng)域。產(chǎn)品不僅輕便而且使用壽命長，有助于用戶提高效率，從而有助于節(jié)約資源和能源，便于用戶使用時減少CO2排放。其開發(fā)的生態(tài)產(chǎn)品主要包括：

1）高強汽車板：高強度、易于成形的鋼板兼具強度和成形性，有助于減輕車身重量，提高燃油經(jīng)濟性，并在車輛碰撞時確保駕駛員和乘客的安全。日本制鐵的目標(biāo)是開發(fā)強度更高的汽車板，并商業(yè)化生產(chǎn)，提高汽車板的強度和成形性，滿足汽車安全性的同時減輕重量，從而提高燃油效率。

2）高壓氫氣環(huán)境用HRX19TM不銹鋼：具有世界一流的抗氫脆性能，強度高出傳統(tǒng)材料60%，可以進行焊接。作為一種先進的材料，除了滿足加氫站的要求外，它還具有安全、緊湊、長壽的特點，將促進新一代能源的推廣應(yīng)用。

3）環(huán)境影響小的超高強度線材：利用專有工藝開發(fā)強度2000MPa級的橋梁纜索用線材，以滿足橋梁建設(shè)中客戶的要求。通過消除這種線材生產(chǎn)過程中對鉛的需求，減少制造過程中的資源消耗。

4）船用高韌性鋼板NSafeTM-Hull：該鋼板的延性比高出傳統(tǒng)鋼板50%以上，是全球首個在船舶碰撞或擱淺時防止漏油的鋼種。目前該產(chǎn)品已用于大型散貨船和超大型原油運輸船。

5）Mega NS Hyper BeamTM：Mega NS Hyper BeamTM的腹板厚度比傳統(tǒng)的大截面H型鋼厚20%。該產(chǎn)品與日本的9種傳統(tǒng)H型鋼產(chǎn)品共同獲得EcoLeaf環(huán)境標(biāo)簽，EcoLeaf是一個國際認(rèn)證計劃，旨在披露與產(chǎn)品生命周期評估相關(guān)的定量環(huán)境信息。

6）高速鐵路用輪對（輪和軸）：日本制鐵制造的車輪和車軸廣泛應(yīng)用于日本鐵路系統(tǒng)。通過減小車輪厚度和開發(fā)空心車軸減輕重量，并結(jié)合高強度、高壽命的軌道和輕量化駕駛設(shè)備，為提高鐵路運輸能效作出貢獻。

2.3生態(tài)解決方案

日本制鐵認(rèn)識到，將日本先進的節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)移到海外或是減少全球CO2排放的最有效方式之一，因此，其積極參與日本和海外的許多節(jié)能和環(huán)境倡議。包括日本制鐵在內(nèi)的日本鋼鐵工業(yè)在全球部門減排方法（Global Sectoral Approach）中處于領(lǐng)先地位，該方法是一項旨在保護環(huán)境和節(jié)約能源的世界性倡議。日本鋼鐵工業(yè)可以將其先進的節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)移到有潛力提高能效的新興國家，為全球范圍內(nèi)的CO2減排作出貢獻。通過轉(zhuǎn)讓日本鋼鐵企業(yè)的節(jié)能技術(shù)，2018年在全球范圍內(nèi)共減少CO2排放6553萬噸，這相當(dāng)于日本鋼鐵工業(yè)CO2排放總量的1/3左右。日本制鐵下屬單位日本制鐵工程公司轉(zhuǎn)讓其干熄焦設(shè)備技術(shù)，2018財年減少CO2排放2074萬噸。

作為日本鐵鋼連盟的核心成員，日本制鐵參與跨國項目，并且正在推動與鋼鐵企業(yè)相關(guān)各方的聯(lián)合會議，準(zhǔn)備定制的技術(shù)清單，對鋼廠的節(jié)能狀況進行評估。這是與印度、東南亞等國家和地區(qū)開展雙邊節(jié)能環(huán)保合作的三大支柱。

1）與鋼鐵企業(yè)相關(guān)方的聯(lián)席會議。在新興國家和日本鐵鋼連盟的雙邊會議上，分享關(guān)于各國和日本的信息、想法和評論。根據(jù)技術(shù)清單的準(zhǔn)備結(jié)果和對鋼廠的評估開展活動，以促進日本節(jié)能技術(shù)在早期階段向國外轉(zhuǎn)讓。日本鐵鋼連盟還提供了鋼鐵生產(chǎn)的詳細技術(shù)信息和財務(wù)方面的信息。截至2019財年，聯(lián)席會議已在印度舉行九次，在東盟六國舉行12次。

2）技術(shù)定制清單。技術(shù)定制清單是一份技術(shù)能效清單，被確定為適用于目標(biāo)國家或地區(qū)，提供的信息包括技術(shù)大綱和供應(yīng)商信息。這份清單是為促進日本的節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)讓而編制的，并在對鋼廠進行評估時作為參考。2018財年，技術(shù)定制清單更新為印度的第四版和東盟國家的第三版。

3）鋼廠評估。在對國外鋼廠進行具體節(jié)能評估時，日本鋼鐵專家會走訪鋼廠，根據(jù)清單提出技術(shù)建議，并根據(jù)設(shè)施情況提出運營改進意見。專家們還會根據(jù)規(guī)定鋼廠CO2排放強度計算方法的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14404分析用能狀況。截至2019財年，日本鐵鋼連盟已對印度12家鋼廠和東盟六國14家鋼廠進行評估。另外，日本制鐵還參與世界鋼鐵協(xié)會的氣候行動計劃。同時，日本制鐵已被選為世界鋼鐵協(xié)會的氣候行動組織成員。近來，相當(dāng)多的客戶要求確認(rèn)其鋼鐵供應(yīng)商是氣候行動組織的成員。

2.4創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)

日本制鐵的研發(fā)部門致力于CO2減排的研究，并將CO2的回收和固定作為自上而下的項目。目前日本制鐵正在開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，目標(biāo)是在2100年前生產(chǎn)出零碳鋼，零碳鋼是使用氫而不是碳還原鐵礦石生產(chǎn)的。這項工作主要針對以下四個方面的技術(shù)進行開發(fā)：1）減少CO2排放；2）CO2分離和回收；3）CO2循環(huán)利用；4）CO2儲存。

2.4.1減少CO2排放

為減少CO2排放，日本制鐵開發(fā)了如下技術(shù)：

1）開發(fā)余熱回收的干熄焦技術(shù)：在焦?fàn)t中制成的熱焦炭用惰性氣體淬火，熱量被用來產(chǎn)生蒸汽而發(fā)電。與濕法淬火相比，節(jié)能40%。

2）開發(fā)新一代煉焦技術(shù)（Scope21）：Scope21是以強化資源和能源應(yīng)對能力為目標(biāo)的國家開發(fā)項目。該項目包括縮短煉焦時間、提高焦炭質(zhì)量等許多創(chuàng)新型技術(shù)開發(fā)內(nèi)容。利用該項目開發(fā)的技術(shù)將會擴大低品位煤的利用并大幅減少CO2排放。

3）開發(fā)高爐數(shù)字模型：合理調(diào)整高爐內(nèi)氣體流量、固體流量、液體流量、爐料分布等基本因素，降低焦炭等還原劑比例，從而減少CO2排放。

4）開發(fā)顯示爐料分布的三維離散單元法（DEM）模型：用DEM模型精確顯示高爐爐頂料面的分布情況，以布置爐料分布，提高反應(yīng)效率，減少CO2排放。

5）參與環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)項目COURSE50：該項目旨在通過開發(fā)在高爐煉鐵還原過程中使用氫氣的技術(shù)和采用化學(xué)吸收法以低成本分離和回收CO2的技術(shù)，實現(xiàn)CO2減排30%。其中，采用鋼廠產(chǎn)生的氫氣（焦?fàn)t煤氣）在還原鐵礦石的過程中部分取代碳，實現(xiàn)高爐CO2減排10%；采用捕集、分離和回收高爐煤氣中CO2可使CO2減排20%。目前實現(xiàn)實驗高爐CO2減排10%的目標(biāo)，同時還對實際尺寸的高爐進行模擬，使該項目更接近于在商業(yè)使用的高爐。

6）參與零碳鋼技術(shù)開發(fā)項目（100%氫還原煉鐵技術(shù)）：在鋼鐵工業(yè)中，大約70%的CO2排放是在高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的。由于日本高爐煉鐵技術(shù)的熱效率已提高到接近理論值，進一步減少CO2排放的難度極大。這就是為什么日本制鐵要接受氫氣還原煉鐵工藝的挑戰(zhàn)。由于鐵礦石的氫氣還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，現(xiàn)階段需要建立從外部向反應(yīng)爐供熱的技術(shù)，以及在充分考慮氫氣燃燒特性的基礎(chǔ)上，向反應(yīng)爐穩(wěn)定提供大量氫氣的技術(shù)。而且，氫氣是無碳的，其大量低成本穩(wěn)定供應(yīng)是一個關(guān)鍵要求。因此，日本制鐵與日本政府及其他公司一起申請參加由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)資助的“實現(xiàn)零碳鋼的技術(shù)開發(fā)”項目。這一項目旨在確定多種有前途的創(chuàng)新技術(shù)，專注于煉鐵過程脫碳。

7）開發(fā)一種全新的制氫工藝：通過開發(fā)一種專有的高性能光催化劑材料，利用太陽能生產(chǎn)零排放的氫氣。

8）提高物流效率以實現(xiàn)CO2減排。日本制鐵在日本沿海運輸中使用大型船舶（由700噸改為1500噸）等提高運輸效率，并通過引入節(jié)能輪胎、輕型汽車等提高燃油經(jīng)濟性。特別引入“內(nèi)島”號混合動力貨船，配備鋰離子電池，真正實現(xiàn)CO2減排。

2.4.2 CO2分離和回收

為實現(xiàn)CO2分離和回收，日本制鐵開發(fā)了節(jié)能型化學(xué)吸收工藝（ESCAPTM），該工藝適用于從高爐和熱電廠等大規(guī)模排放源中分離和回收CO2。這項技術(shù)作為CO2循環(huán)利用的第一步，具有世界一流的性能。該項技術(shù)由日本制鐵工程公司投入商業(yè)化應(yīng)用。目前有兩臺裝置分別在室蘭市和新居濱市投入商業(yè)運營。

為促進CO2捕集與封存/利用（CCS/CCU）的社會實施和推廣，分離和回收CO2的成本必須降低。目前日本制鐵成功開發(fā)的高性能水性吸收劑可以將分離CO2的能耗降低到2.3吉焦/噸。在此基礎(chǔ)上，未來該公司希望將能耗降低至理論最低值1.6吉焦/噸，這意味著相當(dāng)高的成本。此外，考慮利用工廠廢物中未使用的廢熱，以降低分離和回收的成本，從而開發(fā)能夠在較低溫度下分離CO2的吸收液。

2.4.3 CO2循環(huán)利用

最近將CO2作為一種有用的碳資源進行循環(huán)利用的CCU技術(shù)受到了關(guān)注。日本制鐵正在開發(fā)一種從CO2生產(chǎn)碳酸二甲酯（DMC）的工藝。DMC廣泛用作高性能塑料的原料和鋰電池的電解液。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法使用的是有毒氣體光氣，為此，特別開發(fā)氧化鈰催化劑和脫水劑2-氰基吡啶，使反應(yīng)能夠低壓、低溫、高效地進行，從而有效利用CO2，同時也極大地提高了安全性。

此外，日本制鐵正在利用一種從CO2中制取基礎(chǔ)化合物和燃料的新催化技術(shù)，以實現(xiàn)無化石燃料工藝。

2.4.4 CO2儲存

在創(chuàng)建海洋森林的計劃中，日本制鐵啟動了一個基礎(chǔ)研究項目，主要研究利用鋼渣捕集和封存CO2的影響。目前藍碳受到越來越多的關(guān)注，但對藍碳生態(tài)系統(tǒng)固碳能力評價方法的研究還存在許多挑戰(zhàn)，需要收集大量的數(shù)據(jù)，包括對生物量的認(rèn)識、長期固定不溶解生物量的比例、復(fù)雜海岸生態(tài)系統(tǒng)中碳的動態(tài)變化等。這些挑戰(zhàn)源于這樣一個事實，即海洋生態(tài)系統(tǒng)的物種類型和地理特征差異很大。為此，日本制鐵使用自備的大型水箱（海洋實驗室），按物種類型和區(qū)域收集潛在固碳數(shù)據(jù)并建立評估方法，在全社會啟動一個有關(guān)藍碳的大規(guī)模實驗項目。利用鋼渣改善海洋環(huán)境，有助于保護生物多樣性和海洋資源，有助于漁業(yè)的發(fā)展，而通過固定CO2，可以應(yīng)對氣候變化，預(yù)計將會長期有效。

此外，日本制鐵利用鋼渣制成的肥料可促進農(nóng)產(chǎn)品生長，并幫助固定農(nóng)田中的CO2。

3 挑戰(zhàn)十大創(chuàng)新技術(shù)

日本制鐵成立了“零碳鋼委員會”，主要討論：公司對無碳社會的設(shè)想及與CO2減排相關(guān)的技術(shù)研發(fā)。日本制鐵提出以下十項創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)項目：1）氫還原煉鐵零排放；2）高爐煉鐵還原過程中利用氫氣減少CO2排放；3）低成本分離和回收CO2的化學(xué)吸收法；4）推廣用于加氫站的HRX19TM，促進氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)；5）開發(fā)和推廣作為最終產(chǎn)品使用時幫助減少CO2排放的生態(tài)產(chǎn)品（NSafeTM-AutoConcept、電工鋼板）；6）提高廢塑料循環(huán)利用效率；7）建立由CO2制取DMC的方法；8）人工光合作用零排放制氫技術(shù)；9）利用鋼渣，通過藍碳生態(tài)系統(tǒng)固定CO2；10）為適應(yīng)氣候變化提供“國家恢復(fù)力”解決方案。

4日本減緩氣候變化長期愿景及未來技術(shù)開發(fā)

為應(yīng)對全球氣候變暖并達成《巴黎協(xié)定》的長期目標(biāo)，日本鐵鋼連盟在努力實現(xiàn)《低碳社會行動計劃》第二階段目標(biāo)外，還決定制定2030年及以后的“減緩氣候變化長期愿景”，以實現(xiàn)“零碳鋼”。

該愿景的制定首先基于未來全球鋼鐵行業(yè)的供需狀況預(yù)測。未來，受新興國家人口增長和經(jīng)濟增長帶動，預(yù)計中長期內(nèi)全球鋼鐵需求將增長，從2015年的12.9億噸增加到2050年的21.3億噸，2100年增加到30.1億噸；預(yù)計全球粗鋼產(chǎn)量從2015年的16.2億噸增加到2050年的26.8億噸，2100年增加到37.9億噸。未來，全球鋼鐵生產(chǎn)中廢鋼的用量也會隨全球鋼鐵積蓄量增加成比例增加，預(yù)計從2015年的5.6億噸增加到2050年的15.5億噸，2100年增加到29.7億噸。但這不能滿足鋼鐵生產(chǎn)的全部需求。因此，利用自然資源煉鋼是必不可少的。采用高爐長流程工藝生產(chǎn)的生鐵量預(yù)計在2100年達到12.0億噸，與2015年基本持平。

其次，該愿景目標(biāo)的實現(xiàn)基于鋼鐵行業(yè)先進節(jié)能技術(shù)、創(chuàng)新技術(shù)和超級創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)以及應(yīng)用情況的假設(shè)，為此，設(shè)定了四種假設(shè)條件下的愿景目標(biāo)：1）一切照舊（BAU）：技術(shù)水平保持現(xiàn)狀，但隨廢鋼產(chǎn)生量的增加，廢鋼比增加；2）先進節(jié)能技術(shù)（BAT）最大程度引入場景：到2050年，最大限度地向全球推廣現(xiàn)有的先進節(jié)能技術(shù)（干熄焦、TRT等），國際能源署發(fā)布的能源技術(shù)展望中預(yù)期BAT國際推廣應(yīng)用的CO2減排潛力為21%；3）創(chuàng)新技術(shù)最大程度引入場景：目前正在開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)（COURSE50等）將在2030-2050年期間以最高水平應(yīng)用于實際生產(chǎn)；4）超級創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)場景：隨著超級創(chuàng)新技術(shù)（氫還原煉鐵、CCS等）的開發(fā)及應(yīng)用，以及電網(wǎng)供電實現(xiàn)零碳排放，預(yù)計2100年將實現(xiàn)“零碳鋼”。

雖然日本鋼鐵行業(yè)不斷努力開發(fā)創(chuàng)新的煉鐵技術(shù)，但僅依靠這些技術(shù)無法實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的長期目標(biāo)，為此，日本鋼鐵工業(yè)開始挑戰(zhàn)開發(fā)最終實現(xiàn)煉鐵過程零排放的技術(shù)，包括使用氫氣還原煉鐵技術(shù)、以及CCS、CCU技術(shù)。氫還原煉鐵工藝的實際應(yīng)用是以氫氣作為社會公共能源載體的開發(fā)和維護為前提的，因為氫氣不僅廣泛用于鋼鐵生產(chǎn)，而且廣泛用于汽車、消費品等各個領(lǐng)域。鋼鐵生產(chǎn)對氫氣的一個重要要求是穩(wěn)定的低成本供應(yīng)。此外，實施CCS除了需要開發(fā)大量CO2的廉價運輸和儲存技術(shù)外，還需要解決技術(shù)方面以外的問題，如CO2儲存場所的安全、社會的接受、實施實體和經(jīng)濟負擔(dān)的分配。因此，實現(xiàn)“零碳鋼”，不僅要開發(fā)與鋼鐵行業(yè)相關(guān)的技術(shù)，還需要開發(fā)社會公共基礎(chǔ)技術(shù)，如無碳能源先進的傳輸、儲存技術(shù)，低成本大批量氫氣的制造、運輸和儲存技術(shù)，CO2捕集與封存/利用技術(shù)等。