脱碳钢:端到端的解决方案

钢铁制造可能很难减少，但该行业有了新的勇气，重新思考整个价值链，并永久减少碳排放。

据团长说世界钢铁协会(worldsteel)，埃德温·巴森(Edwin Basson)说，在通往钢铁厂的路上，最近发生了三件事，加快了该行业脱碳的能力。创新的新工艺可能还需要20-30年的投资，以及普遍可用的绿色氢气，以及大量的碳捕获和储存来实现净零排放，但一系列事件的汇集已经为新的可能性敞开了铁门。

₂在2030年的排放。巴森说，世界上许多钢铁制造商一直在等待中国采取行动，中国在政策上迈出的决定性一步标志着重新考虑竞争的开始。

巴森表示，在中国发令炮的同时，美国政府两年前转变为一个更注重全球参与的领导层，将重点放在脱碳上，这“带来了近乎180度的转变”，表明美国钢铁业决心超越生产效率，解决难以缓解的铁矿石精炼过程及其能源来源，更重要的是，解决钢铁的使用、再利用和回收问题。

巴森指出，钢铁行业新一波进步派首席执行官的出现，是促使钢铁行业态度发生转变的第三个因素。此前，钢铁行业专注于从300年历史的炼钢过程中节约每一项能源和材料，从而使资产负债表受益，同时减少碳排放。世界钢铁公司表示，自20世纪60年代以来，该行业的能效措施已经将能源消耗减少了约60%，对“CO的显著减少做出了贡献”₂强度”。

修改后的方法吗?巴森说，它是由“意识到作为一个全球社会，我们不能继续排放二氧化碳的数量”驱动的₂我们还在排放。”调整现有的高炉技术已经无法实现拯救地球所需的碳减排的巨大飞跃。

机会的温床

钢铁行业的碳排放量约占全球的8%，大部分(73%)依赖于高炉和基本氧气炉(BOF)技术，从构成铁矿石的氧化铁中分离出氧气，并生产出坚固、永久的材料——钢铁。

炼钢涉及到几种极端高温的应用。其中，在没有氧气的情况下，将煤加热到1000摄氏度左右，以去除杂质，从而产生一种更强的产品“焦炭”。冷却后的焦炭含有90-93%的碳，与铁矿石和石灰石一起被送入高炉;加热到1000-1200摄氏度的空气被送入熔炉，引发一系列化学反应，最终产生生铁和一氧化碳₂．

生铁仍然保留约4%的碳，这使得它在大多数应用中太过脆弱，而转炉被用来进一步降低碳浓度和其他杂质，以生产出碳含量在~ 0.02-2.1%范围内的钢。在转炉中，生铁、废铁(约15-20%)和燃烧的石灰(称为熔剂)被加热，通过水冷枪将纯氧“吹”到混合料中。它氧化了热铁中的碳和硅释放出更多的热量，从而融化了废铁。得到的钢的熔融体被倒入一个钢包中，并可能继续进行进一步的加热提纯过程，以满足客户的规格要求。

难怪Basson说，行业面临的脱碳最大挑战是“我们的能源从哪里来?”他表示，目前，煤炭不仅是该过程各个阶段的主要热源，而且“为我们提供了从铁矿石中氧化态提取铁的化学反应的基础”——这就是“难以减弱”的定义。目前，从铁矿石中炼钢依赖于碳来驱动反应;它的副产品是一氧化碳_2.

如今，每生产一吨钢铁平均会排放1.8吨一氧化碳₂．Basson说:“根据世界钢铁行业的评估，我们认为，即使使用仍在开发和升级中的新技术，该行业在未来几十年可以达到的最高水平也就是0.3吨，即300公斤的二氧化碳。₂每吨钢材的排放，因此扮演碳捕获与封存．

创新了

巴森在担任全球钢铁业务负责人近11年之前，曾在全球最大的矿商(铁矿石和冶金用煤)和钢铁生产商之一阿塞洛-米塔尔(ArcelorMittal)担任高管。他表示，他很自豪地看到，该行业出现了新的“尝试新技术的意愿”。他表示，中国/美国/CEO因素几乎“在行业内掀起了一波新的自由实验浪潮”。

一份报告,钢铁技术路线图该报告由国际能源署(IEA)于2020年10月发布，worldsteel也做出了重要贡献，详细阐述了该行业面临的挑战和可能性。它指出，”钢铁企业和地区性钢铁协会约占全球钢铁产量的三分之一是否制定了2050年或更早实现净零排放的目标以及“这些目标大多是在过去三年设定的。”

单独的跟踪报告《巴黎气候协定》旨在防止全球变暖超过工业化前水平的1.5-2摄氏度，而钢铁行业的减排目标与《巴黎气候协定》(Paris Climate Accord)相比明显“没有走上正轨”。

要求:更多政策，更多试点!

因此，它呼吁各国政府制定鼓励研发新工艺的政策，从各个角度解决减排问题。例如，在世界第二大钢铁生产国印度(2021年产量为1.18亿吨)，政府的绩效、实现和贸易(PAT)计划激励工业追求能源效率，从而减少排放。

在欧洲，政府机构和基金支持几个具体的项目，例如Siderwin该公司正在法国Mazières开发新的矿石提炼工艺。自2017年以来，欧盟的地平线2020项目已经资助了12个欧洲合作伙伴，由阿塞洛-米塔尔协调，以扩大本世纪初首次在实验室规模开发的工艺。该工艺将铁矿石浸泡在电解池中——没有焦煤，没有碳排放，只有来自未来可再生电网的电力——从原材料中吸取氧气，生产金属铁。添加碳来调整金属的等级，在这种情况下会在铁的熔化过程中进行生产，以形成符合客户规格的钢材。

设计要重复使用，而不是回收

在供应链的下游，通过改善可回收材料回收的举措，需求也可以得到缓和。巴森说，全世界必须开始在主要工业中以不同的方式使用钢材，这样钢材就可以重复使用，而不会产生熔化、重塑和加工的能源负担。

Worldsteel的目标是进行高质量的研究，从而实现钢铁在整个价值链中的脱碳。Worldsteel的战略之一是与大量使用钢铁的行业合作，研究如何减少未来对钢铁的需求。Basson说，目前汽车行业向生产电动汽车的转变提供了一个机会。“我们正在重新设计如何在新的汽车环境中使用钢材，因为电动汽车的重量分布与内燃机汽车非常不同，这使得对钢材的要求非常不同。”现在正是设计新型钢构件的好时机重用在汽车行业。

Basson认为，在石油和天然气等大型钢铁消耗行业，也必须有“重新利用现有形状或形式的钢铁以供未来安装的机会，而无需重新熔化和重新加工”。企业还可以将其工程专业知识应用于设计钢铁基础设施或产品组件，以便于回收和重新应用。

与此同时，巴森说，钢铁行业需要审视如何用其规格来标注今天的钢材，这样当它们被回收时，比如从建筑工地回收时，就可以重新定向，有信心地重复使用。

电弧是有限度的

直接再利用是不可能的，钢铁可以被无休止地循环。从铁矿石中生产钢铁的BF-BOF方法的替代品是电弧炉(EAF)技术，该技术已经用于生产世界上约30%的钢铁。电弧炉利用高功率电弧在阴极和阳极之间，熔化废金属和铁以及净化添加剂，生产出新的钢。

更多地使用电弧炉将在钢铁行业脱碳方面发挥重要作用，但Basson说，目前它有两个局限性。首先，它需要高、稳定的电力供应[1]——而且由于全球大部分电力供应仍然是煤或天然气产生的，化石燃料发电产生的碳排放必须计算到钢铁生产中。可再生能源将必须变得更加突出和可靠——以电池或氢气的形式作为支持——在电网中，使包括炼钢在内的高能量工业过程的电气化更加清洁。

此外，废钢的供应可能只够满足未来需求的40-45%。巴森解释说:“中国现在的废钢是上世纪80年代使用的钢材。1980年，中国每年使用钢材约5亿吨，现在则接近10亿吨，我们最乐观的估计是，废钢的供需缺口至少会持续到2070年。”

在氢辅助还原矿石的过程中

在短期内降低炼钢排放的另一个有希望的途径是增加天然气直接还原铁(DRI)的产量，目前该产品仅占钢铁产量的5%。直接还原法不需要在高炉中熔化，就可以从固态铁矿石中除去氧气——利用转化天然气或合成气中的一氧化碳和氢气与铁矿石中的氧气结合。尽管天然气和合成气目前以化石燃料为基础，但以天然气为基础的加工过程的排放量低于以煤为基础的加工过程。现在配置为使用天然气的系统将更容易过渡到使用绿色氢气，因为这种零排放气体变得更容易获得。随着管道和存储基础设施的规模化，碳捕获技术得到更好的支持，它们还可以用CCS进行改造。

“我们确信氢气是减少CO的解决方案的一部分₂从钢铁制造排放，”巴森说。“它可以取代煤减铁，基本上只产生水蒸气作为副产品”。他补充说，正在评估许多具有成本效益的方式来为工业提供绿色氢气。例如，一条供应链途径是在阳光充足的国家(如澳大利亚)利用太阳能生产氢气，然后将其加工成氨，比氢气更容易、更安全地运送到用户目的地。另一种可能是在水源或矿井生产DRI，从而避免氢的运输。

一个被广泛引用的例子是，一个由政府支持的私营企业项目将氢气集成到炼钢过程中HYBRIT．铁矿石生产商LKAB、全球钢铁制造商SSAB和能源供应商Vattenfall之间的合作得到了瑞典能源署(Swedish energy Agency)和欧盟创新基金(EU Innovation Fund)的支持，旨在展示世界上第一个完全不使用化石燃料的钢铁生产价值链。hybrid于2021年8月首次利用绿色氢直接还原生产出了无化石钢材。最初的天然气供应来自一个试点规模的绿色氢气储存设施，但该财团现在已经几乎完成了一个有夹层的岩石洞穴的准备工作，该洞穴可以储存大约100千兆瓦时的可再生氢气(足够为一家大型钢铁厂提供三到四天的电力)，这些氢气主要由该地区风力发电场的多余电力提供电力。这将确保清洁氢的随时供应，而不会给当地电网造成过重负担。

世界钢铁协会的研究、信息传播和成员支持的重点之一是确保任何新的炼钢基础设施都是根据最新的已知最佳实践建造的，并尽可能降低碳足迹。Basson说:“关键是要确保新的产能集中在CO上₂减少。”

最后，他总结说，新的综合解决方案将来自全球的共同努力，因为“没有一个国家完全了解技术或供应链。因此，我们必须在未来数年内继续以不违反反垄断考虑的方式分享经验和信息。世界钢铁协会每年都会为此举办一个公开论坛。它将行业参与者聚集在一起，努力分享他们所知道的知识的哪些方面，或许更重要的是，在将清洁钢推向市场并帮助客户明智地应用它方面，“行业还需要学习什么，以填补空白”。

尽管许多机会还处于萌芽阶段，巴森说:“这非常令人兴奋。人们使用和依赖钢铁的方式有很多，无论我们做什么，都会无处不在。我们必须努力抓住最大的机会，其中许多机会最终与钢铁生产的关系将小于与钢铁使用的关系。”现在实现低排放生产将使这种多功能材料在未来可持续再利用。