綠色煉鋼

自工業革命以來，地球的年平均溫度正在上升。這主要是由于化石燃料的燃燒增加了大氣中的二氧化碳（CO2）排放。在工業革命之前，大氣中的280 ppm（0.028 %）由二氧化碳組成，而在2019年初，這個數字已經增加到大約413 ppm（0.0413 %）。圖1顯示了過去80萬年中全球年溫度的上升和地球上二氧化碳的濃度。大氣中的二氧化碳數據是由美國國家海洋大氣管理局（NOAA）提供的。由于沒有直接的測量，相應的信息是通過歐洲南極洲冰芯項目（EPICA）從冰芯中獲得的。

圖1 全球變暖的發生

全球變暖，實際上是 "好東西太多了 "的成果。如果沒有大氣層，地球的表面將幾乎被凍結。當太陽光進入大氣層時，它被海洋和大陸吸收，從而變暖。然后大部分的熱量以富含能量的紅外光的形式向太空輻射回來。這就是 "溫室氣體 "發揮作用的地方。這些氣體主要由水蒸氣、二氧化碳和甲烷組成，與紅外光相互作用，使其在進入太空時不會離開大氣。因此，"好事 "發生了，大氣層保留了熱量。只是，過多的變暖效應有負面的影響，使大氣層過于溫暖。

在促進清潔能源轉型的同時，鋼鐵也是目前世界面臨的實現氣候目標挑戰的一個重要因素。由于大量依賴煤炭和焦炭作為燃料和還原劑，該行業每年的直接二氧化碳排放量約為2.6千兆噸，或約占工業二氧化碳排放量的四分之一。此外，還有11億噸二氧化碳的排放是由于使用其廢氣和其他燃料來發電和進口熱能所造成的。

目前初級鋼鐵生產對煤炭的高度依賴，長期的資本資產，以及該部門對國際貿易和競爭力的影響，使得向二氧化碳近零排放的過渡具有挑戰性。正是由于這些原因，該部門有時被稱為 "難以消減 "的部門之一。

滿足鋼鐵產品的需求給鋼鐵部門帶來了挑戰，因為它要在保持競爭力的同時，謀求一條更可持續的道路。因此，鋼鐵生產商在減少能源消耗和溫室氣體排放、開發更多的可持續產品以及通過創新、低碳技術部署和資源效率提高其競爭力方面負有重大責任。

最近的研究估計，全球鋼鐵業可以發現，如果鋼鐵組織不能減少對環境的影響，其潛在價值的14%左右就會受到威脅。因此，去碳化將是保持經濟競爭力和保留行業經營許可的首要任務。此外，10年到15年的漫長投資周期，數十億的融資需求，以及有限的供應商能力，使得這個問題更加相關，并鎖定了解決去碳化挑戰的重要準備時間。

鋼鐵行業已經認識到，需要長期的解決方案來解決鋼鐵生產過程中產生的二氧化碳排放。因此，鋼鐵業在改善能源消耗和減少二氧化碳排放方面一直非常積極主動。自1975年以來，在大多數頂級鋼鐵生產國，能源效率的提高已經使生產一噸粗鋼所需的能源減少了約50%。通過專業限度地利用最先進的技術，正在進一步提高能源效率。

圖1顯示，自工業革命以來，大氣中的二氧化碳含量已經從280ppm上升到413ppm。碳測定顯示，這種增加與化石燃料（煤、石油和天然氣）的燃燒有關。雖然1攝氏度似乎并不高，但人們相信，任何進一步的增加都會產生嚴重的后果，如海冰的消失，冰川的消退，導致海平面的上升，目前的測量成果是平均每年3.3毫米。為了避免氣候機會的不良影響，全球變暖需要保持在2攝氏度以下。

就全球化石和工業排放總量而言，鋼鐵行業是專業的單一部門，占溫室氣體（GHG）排放量的7%至9%。它是專業的工業排放源，目前約占全球最終能源需求的8%。因此，它是各國政府的首要關注點。另一方面，鋼鐵對現代經濟至關重要，因此，全球對鋼鐵的需求預計將增長，以滿足不斷增長的社會和經濟福利需求。它也是清潔能源轉型的一個關鍵投入。發電和用電部分取決于鋼鐵及其合金的鐵磁性能。鋼是風力渦輪機、輸電和配電基礎設施、水力發電和核電站以及其他關鍵能源部門資產的關鍵投入材料。

綠色煉鋼包括使用那些能減少二氧化碳排放的工藝。歐盟、美國、加拿大、bar西、日本、韓國、澳大利亞和中國都在進行綠色煉鋼工藝的開發工作。對于綠色煉鋼技術的發展，正在探索五個關鍵方向。這些方向是：（1）涉及煤炭使用的技術，（2）涉及氫氣使用的技術，（3）涉及電子的技術，（4）涉及生物質使用的技術，以及（5）涉及碳捕獲、使用和/或儲存（CCUS）的技術。圖2顯示了從以礦石為基礎的鋼鐵生產路線中減少二氧化碳排放的突破性技術的路徑。

圖2 綠色煉鋼的突破性技術之路

在歐盟，突破性技術正在ULCOS（超低二氧化碳煉鋼）計劃下開發。在該計劃下，正在進行以下開發工作：（i）帶有二氧化碳捕獲、使用和/或儲存（CCUS）的 "頂部氣體循環高爐"（TGR-BF）；（ii）帶有CCUS的HIsarna工藝，涉及熔煉還原；（iii）帶有CCUS的ULCORED，涉及一個新的直接還原（DR）概念；以及（iv）電解。除此以外，ULCOS還在研究利用可持續生物質中的碳以及基于氫氣的煉鋼。

在美國，美國鋼鐵協會（AISI）和美國能源部（DOE）以及工業技術辦公室之間的 "公私合營 "正在進行開發工作。有兩個項目代表了重要的步驟。這些項目是（i）氧化鐵精礦的懸浮氫氣還原，以及（ii）熔融氧化物電解（MOE）。從近期來看，AISI成員正在進行 "配對直膛爐 "的開發工作，這是一種煤基DRI和熔融金屬工藝，用于長期替代高爐和焦爐。

在日本，開發工作是在COURSE50計劃下進行的，涉及六個鋼鐵和工程組織、日本鋼鐵聯合會和新能源和工業技術發展組織。 該計劃的研究和開發目標是：（1）用其他還原劑（氫氣）減少高爐鐵礦石還原過程中的二氧化碳排放；（2）改造焦爐煤氣，旨在通過利用廢熱提高氫氣含量；（3）用氫氣還原的高強度和高反應性焦炭。開發工作也正在進行，以從高爐煤氣中捕獲二氧化碳，包括（i）化學和物理吸收來捕獲、分離和回收二氧化碳，以及（ii）利用鋼鐵廠的廢熱來減少捕獲、分離和回收的能源需求。

在韓國，開發工作由POSCO、RIST、POSLAB和POSTECH參與進行。已經確定了三條有希望的二氧化碳突破性解決方案的路線。它們是：(i)碳精煉鋼，包括碳精煉FINEX工藝，以及熱燒結礦的預還原和熱回收；(ii)通過使用氨水吸收二氧化碳，以及在海洋氣田中封存二氧化碳，實現煉鋼的碳捕獲和封存；以及(iii)通過使用富氫合成氣在FINEX工藝中還原鐵礦石，以及富氫高爐工藝實現氫氣煉鋼。

減少或避免煉鋼過程中的碳排放的新興技術可以分為兩個不同的類別，即（i）碳捕獲、使用和/或儲存（CCUS），以及（ii）鐵礦石的替代性還原。CCUS采用了不同的方法來捕獲二氧化碳排放。它或者儲存它們（例如，在地質構造中，如耗盡的海底氣藏），或者處理排放物以繼續利用。單獨的CCUS不能實現碳中和。但是，如果煉鋼過程中使用的化石燃料被生物質替換，它可以導致二氧化碳的負平衡。

第二類潛在技術涉及用鐵礦石的替代還原劑替代焦炭或天然氣。這些包括氫氣和直流電。這些技術的優點是，理論上它們可以使鋼鐵生產完全綠色。然而，與CCUS相比，它們中的大多數可能需要更多的時間和資金來建立。

下面將討論最有前途的新CCUS和替代還原技術以及基于氫氣的直接還原技術。

含有CCUS的技術

在這些技術中，在操作過程中排放的二氧化碳被從其他氣體中分離出來并被捕獲。然后，捕獲的二氧化碳通過管道運輸或運到陸上或海上的儲存地點，或者使用。CCUS的過程包括燃燒后/燃燒前捕獲、壓縮、運輸和儲存/使用。圖3顯示了簡化高爐-基本氧氣爐（BF-BOF）煉鋼路線的CCUS方案。

圖3 簡化BF-BOF路線的CCUS方案

主要的優點是CCUS系統可以很輕松地集成到現有的傳統棕色現場工廠中。而且，由于該技術不是專門針對煉鋼的，其他行業也可以分享開發和基礎設施成本。此外，未來的運營成本基本上可以預測。

主要的缺點是CCUS并不是完全的碳中和，因為僅僅是碳捕獲過程就只能捕獲大約90%的二氧化碳。此外，還有一些其他挑戰。公眾對碳存儲的接受程度還不確定，這使先行者處于不好的地位。此外，目前，除了小規模的陸上儲存地點之外，海洋是唯一合適的大型儲存地點，這就需要大量的運輸工作。此外，排放物的利用也是為了確保在后期沒有碳排放，以實現碳中和的過程。另外，CCUS設備增加了維護負擔和停工時間，對運營成本有很大影響。

有一些試點項目已經開始處理二氧化碳等排放物，以制造合成燃料。但目前這還不是碳中和，因為二氧化碳是在后期排放的。

基于生物質的煉鐵與CCUS

這些技術的基本理念是，碳中性生物質在預處理中部分替換化石燃料，或作為鐵礦石還原劑。例子是用原始生物質（原始海藻、草、木材等）制成的富碳 "焦炭 "來生產替代焦炭，或將沼氣注入豎爐以代替天然氣?；谶@些技術的工藝包括熱解和水熱碳化。CCUS系統負責處理任何剩余的碳排放。

單純的生物質可以減少40%到60%的二氧化碳排放，與CCUS結合使用可以實現碳中性煉鋼。從短期來看，生物質可以立即部分替代化石燃料，使現有工廠的減排工作迅速取得成效。排放的二氧化碳也可以利用CCUS進行回收，生產新的生物質。

然而，生物質的種植是困難的。在環境方面，它可能導致森林砍伐、污染和生物多樣性的減少，在社會方面，它影響到糧食價格和農業用地的使用。因此，政治和社會接受的風險很高。此外，生物質的熱值比化石燃料低，限制了它在大型高爐中的使用或導致效率降低。此外，由于其高水含量，它也可能太重而無法用于大型高爐。

瑞典研究小組SWEREA在位于Lulea的SSAB鋼鐵廠進行的一項關于使用生物質的研究發現，使用生物質煉鐵可以減少28%的二氧化碳排放。

基于氫氣的直接還原鐵豎爐

在這個過程中，氫氣代替了碳還原劑（如重整天然氣），用于將鐵礦石顆粒還原成 "直接還原鐵"（DRI或海綿鐵）。該反應在豎爐中進行。然后，生產的DRI被送入電弧爐，通過添加碳，通過進一步加工變成鋼。DRI也可以以 "熱壓塊鐵"（HBI）的形式被送入高爐。這大大增加了高爐的效率，減少了焦炭的消耗。最常見的類似工藝技術是Midrex和Energiron工藝。

在氫基還原法中，鐵礦石通過氣固反應被還原，類似于DRI的生產途徑。唯一不同的因素是，還原劑是純氫氣，而不是一氧化碳氣體、合成氣或焦炭。氫氣對鐵礦石的還原分兩到三個階段進行。對于溫度高于570攝氏度的礦石，赤鐵礦（Fe2O3）首先轉化為磁鐵礦（Fe3O4），然后轉化為沃斯提（FexO），最后轉化為金屬鐵，而在溫度低于570攝氏度時，磁鐵礦直接轉化為鐵，因為沃斯提在熱力學上不穩定。

氫氣還原鐵礦石所涉及的還原反應由以下公式表示：（i）3 Fe2O3 + H2 = 2 Fe3O4 + H2O，（ii）x Fe3O4 + （4x-3）H2 = 3 FexO + （4x-3）H2O，以及（iii）FexO + H2 = x Fe + H2O，其中x等于0.95。正如這些反應所表明的，用氫氣還原鐵礦會釋放出無害的水蒸氣（H2O），而不是溫室氣體CO2。用氫氣還原赤鐵礦的總體反應是Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O，這是一個內熱反應，反應熱delta H在298攝氏度時=95.8 kJ/mol，這對該過程的能量平衡來說是負面的，需要用注入的還原氣體/氣體混合物增加能量。開發生產線的重點是基于還原溫度、反應動力學、球團組成以及還原氣體預熱技術的優化。

用于還原赤鐵礦（Fe2O3）的氫氣的化學計量消耗量為每噸鐵54公斤。因此，一個年產100萬噸的鋼鐵廠需要一個在標準溫度和壓力（STP）下氫氣能力高達70000立方米/小時的氫氣工廠。以氫氣作為還原氣體，與以氫氣-一氧化碳混合物作為還原氣體的反應器相比，預測反應器的行為變化是很重要的。有幾個因素會以不同的方式相互影響，如動力學、熱力學、傳熱和氣體輸送。

如果綠色電力完全用于該工藝，該工藝使整個初級煉鋼路線實現了碳中性和無化石燃料。該工藝的其他優點是生產靈活性高。該工藝易于啟動和停止，而且該技術使用較小單元的能力使其具有更大的擴展性。此外，將DRI作為HBI送入高爐-基本氧氣爐煉鋼系統的能力意味著在豎爐/EAF生產放量的同時，可以使用現有的傳統褐土廠。

該工藝仍然需要鐵礦石球團，而生產鐵礦石球團會造成大量排放，這取決于球團廠的熱源。提供必要數量的氫氣也是一個問題，需要開發高效的大規模電解器。此外，由于該工藝依賴于大量廉價的綠色能源，如果鋼鐵生產國不能大幅提高自己的綠色能源生產，就要進口氫氣或預加工鐵，從而損害其價值鏈。未來的運營成本也存在不確定性，這與氫氣和電力的價格有關。 圖4顯示了用于直接還原鐵的氫氣豎爐。

圖4 用于直接還原鐵的氫氣豎爐

HYBRIT工藝使用以氫氣為基礎的豎爐來生產DRI。HYBRIT是 "HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology "的縮寫。2016年4月4日，三家瑞典公司--SSAB、LKAB和Vattenfall AB啟動了一個項目，旨在調查以無二氧化碳排放的電力為主要能源的H2基DRI生產過程的可行性。一家合資公司HYBRIT Development AB成立了，三家公司都是業主。這使我們能夠充分獲得整個價值鏈的頂級能力，從能源生產、采礦、礦石選礦和球團生產、直接還原、熔化和粗鋼生產。2017年對基于H2的直接還原進行了預可行性研究。該研究認為，擬議的工藝路線在技術上是可行的，而且考慮到二氧化碳排放和電力成本的未來趨勢，它對瑞典/芬蘭北部的條件也有經濟吸引力。

HYBRIT工藝用氫氣代替煤直接還原鐵，與電弧爐相結合。該工藝幾乎完全不使用化石燃料，并大大減少了溫室氣體的排放。該工藝是使用氫氣直接還原/電弧爐設置的幾項舉措之一，將利用氫氣直接還原鐵礦石與電弧爐相結合，進一步加工成鋼。氫氣直接還原工藝的產品是DRI或海綿鐵，它被送入電弧爐，與適當比例的廢鋼混合，并進一步加工成鋼。

HYBRIT生產過程的原理流程圖見圖5。該工藝的主要特點是：（i）在球團生產中使用非化石燃料；（ii）使用無化石的電力通過電解生產氫氣；（iii）將氫氣儲存在一個特別設計的設備中，作為電網的緩沖；（iv）使用豎爐進行鐵礦石還原。(v) 使用定制的顆粒作為鐵礦石原料，(vi) 還原氣體/氣體混合物在注入豎爐之前被預熱，(vii) 產品可以是不含碳的DRI或HBI，也可以是滲碳的，(viii) DRI/HBI與回收的廢料一起在電弧爐中融化。

圖5 HYBRIT生產過程的原理流程圖

使用無化石電力電解水產生的氫氣在豎爐中還原鐵礦石顆粒是HYBRIT計劃的主要選擇。根據這一倡議，從礦山到成品鋼的無化石價值鏈的轉換包括很多有待開發的問題，其中也考慮到了當地的市場和地理條件。瑞典有一個獨特的情況，該國北部地區電力產能過剩，靠近鐵礦，有良好的生物質和鋼鐵廠的通道，以及工業、研究機構和大學之間的強大網絡。

HYBRIT工藝屬于一個大大接近商業部署的技術概念類別。它的基礎是使用氫氣作為還原劑，通過基于可再生電力的電解生產氫氣。從環境的角度來看，其最重要的優勢是該工藝的廢氣是水（H2O）而不是二氧化碳，從而減少了溫室氣體的排放。與傳統的DRI煉鋼一樣，使用氫基DRI路線生產的鐵可以使用市面上的電弧爐技術進一步加工成鋼。如果電力和氫氣是利用可再生資源生產的，如光伏（PV）太陽能/風能/水能電解、光化學制氫或太陽能-熱能水分離，那么氫氣生產和電弧爐煉鋼步驟就可以實現無碳。

基于氫氣的流化床工藝用于直接還原鐵

與豎爐版本一樣，該技術使用氫氣來還原鐵礦石并生產直接還原鐵，以進入電弧爐。不同之處在于，還原是在流化床中進行的，而不是在爐子中進行的，并且使用精細加工的鐵礦粉/精礦而不是球團。流化床是反應室，可以不間斷地將固體原料與氣體混合，產生固體。類似的工藝有FINEX和Circored。

使用細粉而不是鐵球的優點是不需要造粒，從而減少了成本和該過程中的高二氧化碳排放。此外，流化床反應器比豎爐有更少的內部粘連問題，可以實現更高的金屬化（約90％至95％）。

該工藝在氫氣供應、電解器和運行成本方面與豎爐法有相同的問題。電力供應也將是100%的綠色，以實現碳中和。此外，流化床反應器在煉鋼中的應用不如豎爐發達，因此需要更多的投資。圖6顯示了直接還原鐵的氫氣基流化床工藝。

圖6 基于氫氣的流化床直接還原鐵工藝

以氫氣為基礎的精礦還原（簡稱HYFOR）是世界上第一個從選礦中直接還原鐵精礦的工藝，不需要對材料進行任何預處理，如燒結或造粒。這減少了資本支出和運營支出的成本。該工藝能夠處理各種各樣的礦石，例如赤鐵礦和磁鐵礦。

HYFOR工藝是由Primetals技術公司開發的。這項新技術可以應用于所有類型的選礦礦石。它對100％的原料的顆粒尺寸小于0.15毫米，同時允許專業顆粒尺寸為0.5毫米。由于顆粒表面大，該工藝在低溫和低壓下實現了高還原率。

作為主要的還原劑，新工藝使用氫氣。氫氣可以來自可再生能源，或者來自其他氣體來源的富氫氣體，如天然氣熱解或傳統蒸汽轉化器。作為另一種選擇，HYFOR可以在富含氫氣的廢氣中運行。 根據氫氣的來源，這將導致所產生的DRI的二氧化碳排放量低，甚至為零。

一個用于測試的試點工廠已于2021年4月在奧地利奧鋼聯Stahl Donawitz投產。該工廠采用模塊化設計，每個模塊的額定產能為每年25萬噸，使其適用于所有規模的鋼鐵廠。試驗工廠的目的是為這一突破性工藝提供實際證據，并作為一個測試設施，收集足夠的數據，以便在以后建立一個工業規模的工廠。

第一次測試已在2021年4月和2021年5月成功執行。一次試驗的規模在處理800公斤鐵礦石的范圍內。HYFOR試驗工廠將在多個活動中運行至少2年，以測試各種礦石類型，并為下一步的擴大規模評估最佳工藝參數。假設運行順利，將增加一個熱壓塊設備，以驗證熱壓塊步驟以及HYFOR技術所期望的HBI質量。

HYFOR工藝大大減少了二氧化碳的排放，并幫助生產商有效地應對鐵礦石質量下降的挑戰，這種挑戰最近變得更加嚴重，導致對礦石選礦的需求增加。高爐和直接還原廠對鐵礦石顆粒的需求不斷增加，導致鐵礦石價格上漲，特別是顆粒的溢價。有了HYFOR工藝，就有可能直接使用球團礦，并從全球不斷上升的超細粉供應中獲益。

位于奧鋼聯多納維茨的HYFOR試驗工廠由三部分組成，即(i)預熱-氧化設備，(ii)氣體處理設備，以及(iii)核心部分，即全新的、獨特的還原設備。在預熱-氧化設備中，精礦被加熱到大約900攝氏度，并被送入還原設備。還原氣體是100%的氫氣，由位于工廠邊界外的氣體供應商提供。從廢氣中獲取熱量的余熱回收系統確保了能源的最佳利用，而干式除塵系統則負責處理過程中的粉塵排放。熱直接還原鐵（HDRI）在離開還原設備時的溫度約為600攝氏度，然后被冷卻并從HYFOR試驗工廠排出。

在600攝氏度左右的溫度下離開還原設備的熱直接還原鐵，隨后可以直接運輸并送入電弧爐，或用于生產熱壓塊鐵。熱壓塊鐵是用來供應給市場的。下一步將是增加一個熱壓塊測試設施，以測試熱壓塊鐵的特性。

HYFOR試驗工廠的目的是驗證這一突破性工藝，并作為一個測試設施，為將工廠規模擴大到工業規模的原型工廠提供數據基礎，作為下一個發展步驟。

懸浮式煉鐵

懸浮式煉鐵也被稱為 "閃光煉鐵技術"。該工藝首先對低品位鐵礦石進行超細研磨，生產鐵精礦。鐵礦石要被磨成直徑小于100微米的顆粒。然后，超細粉在高溫 "閃電 "反應器中使用氫氣進行還原，只需幾秒鐘，一旦加入碳，就直接產生鐵。鐵精礦也可以在加入閃光反應器之前，在一個單獨的反應器中以較低的溫度進行預還原。圖7顯示了懸浮式煉鐵的原理。

圖7 懸浮式煉鐵

在美國鋼鐵協會的資助下，美國的一些組織和機構正在開發閃蒸煉鐵的轉型技術。這項技術的基礎是在閃蒸還原過程中直接氣態還原氧化鐵精礦。與目前基于BF的平均操作相比，該技術有可能將能源消耗降低32%至57%，將二氧化碳排放降低61%至96%。該技術適用于將鐵精礦（小于100微米）轉化為鋼的工業操作，無需進一步處理。

這項技術在生產鐵的同時，繞過了造?；驘Y以及煉焦的步驟。此外，由于精礦的細小顆粒在1150攝氏度至1350攝氏度的溫度下被快速還原，因此，該工藝所需的停留時間為幾秒鐘，而不是球團甚至鐵礦粉所需的幾分鐘或幾小時。在1,200攝氏度至1,500攝氏度的條件下，90%至99%的還原率在2秒至7秒內完成。以H2作為還原氣體的工藝的能量需求為5.7GJ（1,360麥卡）/噸鐵液。

在一個反應器內將鐵礦石直接還原成鋼，就不需要煉鐵和燒結或造粒。它具有相當大的成本和排放優勢。由于高溫和快速反應時間確保了較少的雜質，它還能生產出 "更清潔 "的鋼。

用H2作為還原氣體，每噸液態鐵的二氧化碳排放量為0.04噸。這些排放量是BF煉鐵路線排放量的2.5％。閃蒸鐵工藝是在足夠高的溫度下進行的，因此單個顆粒有足夠的能量來關閉除氧產生的孔隙。因此，單個顆粒遠不容易因快速氧化而著火。猶他大學對粉末的小樣本進行了研究，并確定它們不具有發火性。

該工藝將被應用于鐵的生產，作為煉鋼工藝的原料或不間斷直接煉鋼工藝的一部分。根據該項目前一階段獲得的實驗數據，猶他大學目前正在進行放大開發工作。在實驗室閃速爐中的測試導致了在大多數操作條件下動力學數據庫的建立，以及一個更先進的臺式反應器的完整設計。為了開發一種工業上可行的閃蒸鐵技術，計劃進行一次全面的臺架試驗。該項目這一階段的成果預計將是確定工藝的可擴展性，實質性的工藝模擬成果，以及導致設計和建造工業試驗工廠的基本工程數據。圖8給出了閃速煉鐵技術的流程圖。

圖8 閃蒸煉鐵技術的流程圖

等離子體直接煉鋼

在等離子體直接煉鋼工藝中，鐵礦石（原礦或細粉或球團形式）在等離子體煉鋼反應器中使用氫氣等離子體進行還原。同時，碳被添加到反應器中以生產鋼。氫氣等離子體是經過加熱或帶電的氫氣，將其分離或電離成其組成顆粒。該工藝可以使用熱等離子體（通過直接加熱氫氣產生）或非熱等離子體（通過將直流電或微波穿過氫氣產生）。

該工藝避免了對鐵礦石進行預處理的需要，并允許降低反應器溫度。它也是高度集成的，一些方法（例如，氫氣等離子體熔煉還原）只需要一個步驟。這使得它在商業上具有吸引力。該技術有可能大大減少成本。它還提供更高的產品質量和更好的生產靈活性。

該技術處于非常早期的開發階段，最佳工藝和完整的反應器設計尚待開發。其商業可行性也仍有待證明。作為其可持續鋼鐵（SuSteel）項目的一部分，奧地利鋼鐵制造商奧鋼聯已經在其Donawitz工廠建立了一個小型試驗性氫氣等離子體還原反應器。等離子體直接煉鋼的過程如圖9所示。

圖9 等離子體直接煉鋼工藝

 電解工藝

有兩種類型的電解工藝。它們是：(i) 電解，和(ii) 電鑄。這兩種工藝的變體在ULCOS計劃中被稱為ULCOWIN和ULCOLYSIS。ULCOWIN工藝在略高于100攝氏度的水堿溶液中運行，溶液中充滿了小顆粒的礦石。在這個過程中，鐵礦石被磨成超細精礦，浸出，然后在電解槽中以大約110攝氏度的溫度進行還原。所產生的鐵板被送入電弧爐，變成鋼。ULCOLYSIS在煉鋼溫度（約1550攝氏度）下運行，其熔鹽電解質由爐渣制成（熱電解）。這個過程使用電力作為還原劑將鐵礦石轉化為液體鋼。圖10顯示了鋼鐵生產的電解過程。

圖10 用于鋼鐵生產的電解工藝

電解工藝是在ULCOS計劃內從零開始開發的，因此，目前仍在實驗室規模下運行。盡管它擁有零排放的承諾，但如果能獲得綠色電力，需要時間將其擴大到商業規模（10到20年）。ULCOWIN工藝包括鐵礦石的堿性電解。電解通常用于生產鋼鐵以外的金屬，需要大量的電力。該工藝要依靠二氧化碳清潔的電力來源，如可再生能源、水力發電或核能。ULCOLYSIS是熔融氧化物電解。熔融氧化物電解的工作原理是將電流通過裝有氧化鐵的熔融礦渣。氧化鐵會分解成液態鐵和氧氣。不產生二氧化碳。通過二氧化碳清潔電力來源，工藝排放進一步減少。

由于電解工藝跳過了其他生產路線所需的上游階段，如生產焦炭或H2作為還原劑，這些工藝有可能成為最節能的煉鋼技術，特別是電解。它們還有望大大降低資本支出，因為就電解而言，只需要非常少的設備。與氫氣直接還原工藝相比，該工藝也是相對不靈活的，因為它不能輕易停止。