Abstract
The technological change of traditional metallurgical processes centred on reducing carbon emissions has become a new trend in the development of steel industry. Replacing coal with hydrogen, changing the structure of energy consumption, and realising "low-carbon" or even "zero-carbon" industrialisation is an important technological direction to completely solve the problem of carbon emissions in steel industry. How can the iron and steel industry, with high energy consumption and carbon emissions, walk out of a new road of high-quality green development? Overseas enterprises' experiences are worth learning from. In this article, we focus on international low-carbon metallurgical advanced technologies .
寻找钢铁行业二氧化碳减排最优路径，尽快完成钢铁行业绿色低碳转型，是当下全球钢铁行业科技工作者一同努力的重要领域与重点方向。
本文聚焦国外低碳冶金前沿技术进展，包括氢冶金、氢能的来源与储运、负碳技术和减少化石能源依赖的前沿技术，以及低碳冶金新工艺，并提出生产“绿钢”的工艺路径建议。
海外钢企公开的氢冶金项目大致分为两类
目前，氢还原主要有两种方式，一种是通过高炉风口喷吹氢，减少煤粉及高炉中焦炭的用量；另一种是在氢基直接还原竖炉中，用氢气还原生产直接还原铁（DRI）。氢替代碳作为铁还原剂，在还原过程中，生成了水，避免或减少了二氧化碳的排放。
据不完全统计，国外已公开的钢铁企业采用氢能进行低碳冶金的项目包括两类：高炉富氢冶炼和氢基直接还原。其中，高炉富氢冶炼包括日本COURSE50项目、德国蒂森克虏伯氢基炼铁项目、德国迪林根和萨尔钢铁公司富氢炼铁技术开发项目等，氢基直接还原包括瑞典HYBRIT项目、瑞典博登100%氢直接还原项目、德国萨尔茨吉特SALCOS项目、奥钢联H2FUTURE项目、阿联酋钢铁和建材公司低碳炼铁项目、法国GravitHy公司氢气直接还原铁项目、德国蒂森克虏伯氢气竖炉直接还原（DR）+熔炼（SAF）等。高炉富氢冶炼类项目主要通过焦炉煤气制氢和天然气制氢。氢基直接还原类项目前期采用灰氢，未来预计逐步过渡到采用蓝氢、绿氢。
氢储运仍有诸多问题亟待解决
根据现有的氢制取技术路线，通过可再生能源进行电解水制氢是获得绿氢较为常见的方式。国外用于电解水制氢的可再生能源主要为太阳能、海上风能和水力，即通过可再生能源发电，得到“绿电”，用“绿电”进行电解水制氢，便可以得到绿氢。在低碳冶金工艺中，已被成功应用的电解水制氢技术路线为质子交换膜电解（PEM）和碱性水电解（AE），其中质子交换膜电解水技术已经在奥钢联H2FUTURE中成功应用；碱性水电解制氢是当前大规模、产业化制氢的主要技术路线。目前，该技术在蒂森克虏伯公司内部广泛应用。蒂森克虏伯应用的碱性水电解技术具有3个方面的特点：一是采用零间隙技术，电极与隔膜几乎做到零距离，减小了溶液电阻；二是单元槽之间互相独立，有利于后期拆装检修；三是电解效率可达到80%以上。
目前，氢储能各个环节发展仍有诸多问题需要解决，比如用于低碳冶金的氢能原料的输送问题。当前，通过采用绿氨作为氢运输载体，被证明是一种较为经济、合理、安全的方式，部分海上风力发电项目通过优先制备绿氨，储存运输到钢铁企业后再制备绿氢，用于高炉富氢喷吹或氢基还原竖炉。对于钢铁项目而言，连续生产意味着匹配的氢气产能也是连续的。例如，蒂森克虏伯的氢基直接还原项目最开始采用的是储氢罐车，后转为采用运氢管道输送的方式。
负碳技术大规模应用面临诸多挑战
“零碳”技术，是指在排放二氧化碳的烟囱和设备上应用CCS（碳捕集和封存）或CCUS（碳捕集、应用和封存）技术，实现“零碳排放”。在此基础上，海外钢企开展了一系列关于负碳技术的研究，其中生物质能碳捕集与封存（bioenergy with carbon capture and storage, BECCS）技术是一项结合碳捕集和封存以实现二氧化碳负排放的技术。从碳潜力和碳成本两个方面来看，生物质能碳捕集与封存技术是未来有望将全球温室效应稳定在低水平的关键技术。生物质能碳捕集与封存技术是指捕集和封存生物质燃烧或转化过程中产生的二氧化碳，从而将捕集的二氧化碳与大气长期隔离。生物质本身通常被认为是“零碳排放”的，即生物质燃烧或转化产生的二氧化碳与其在生长过程中吸收的二氧化碳的量相当，因此其封存的二氧化碳在扣除相关过程中的额外排放值之后，就成为了“负排放的二氧化碳”。国际能源署（IEA）发布的《世界能源技术展望2020——CCUS特别报告》预测，2030年后，生物质能碳捕集与封存技术将开始大规模应用；2050年、2070年，生物质能碳捕集与封存技术将分别抵消全球能源系统7%、30%的碳排放，对应约10亿吨、27亿吨的二氧化碳排放量；到2070年，全球1/4的生物质能利用项目将采用生物质能碳捕集与封存技术。
目前，生物质能碳捕集与封存技术在全球范围内尚处于研发和示范阶段，不具备大规模商业化运行的条件。国外生物质能碳捕集与封存项目分布在美国、欧洲、日本和加拿大等国家和地区，应用于生物质乙醇工厂、生物质发电、垃圾焚烧发电等领域。据不完全统计，美国伊利诺伊州工业碳捕集项目是目前全球规模最大的生物质能碳捕集与封存项目。该项目从玉米生产乙醇的过程中捕集高纯度的二氧化碳，用于咸水层地质封存，捕集规模达到100万吨/年。其他的二氧化碳封存方式还有离岸封存、地质封存等。
此外，直接空气碳捕获与封存是为数不多的能从大气中去除二氧化碳的技术。直接空气碳捕获与封存技术利用电力，通过风扇和过滤器从大气中去除二氧化碳。直接空气碳捕获与封存技术的溶液系统使空气通过化学溶液，去除其中的二氧化碳并将剩余的空气返还到大气中，被捕获的二氧化碳可以在高压状态下被压缩，并通过管道泵输送至深层地质层。据不完全统计，目前全球有15家直接空气碳捕获与封存工厂，每个工厂可捕获约9000吨/年的二氧化碳。目前，美国得克萨斯州的二叠纪盆地（Permian盆地）正在开展一个大型的直接空气碳捕获与封存项目建设，预计到2025年投入运营，届时将达到每年捕获100万吨二氧化碳的目标。
目前，通过技术手段的负碳技术大规模应用仍面临诸多挑战，其中生物质能碳捕集与封存需要大规模生产生物能源，给土地和水资源带来压力。从全生命周期来看，负碳技术的应用前景还需相关部门做出进一步的细致评估。
颠覆性新能源前沿技术研发需持续高额投入各类资源
据壳牌石油公司编撰的《BP世界能源统计年鉴》，2022年，全球一次能源需求同比增长了1.1%，其中可再生能源（不含水能）在一次能源消费结构中的占比为7.5%，化石能源在一次能源消费结构中的占比为82%。可以预计，在一段时间内，全球很难摆脱对于化石能源的依赖，研发颠覆性的新能源技术和规模化应用场景仍需要持续高额投入人力、物力和财力。
当前减少化石能源的主要途径是提高可再生能源在能源消费总量中的占比，这意味着可再生能源在每年增加的能源消费总量中占比需不断提高。目前，全球钢企公开的有突破性进展的可再生能源示范项目很少。具体来看，美国Heliogen公司是一家清洁能源公司，其正在积极开展人工智能聚光太阳能项目，即利用阳光来制造和替代燃料。该公司专有的定日镜（heliostat）布局和控制系统，即使用先进的计算机软件高度精确地通过大量镜子阵列，将阳光反射到单一目标（焦点）上，在焦点处产生超过1000摄氏度的温度，并将这些热量转化后用于生产绿氢。这一系统的目的是尽可能24小时不间断地供应可再生能源，用集中的阳光代替化石燃料，极大地减少钢铁等生产活动产生的温室气体排放。Heliogen公司的目标是使焦点处的温度达到1500摄氏度，再将获取的热量用于水电解生产绿氢。当前，该公司已开展了5兆瓦级别的商业规模示范设施建设，并配套建设了绿氢生产装置。
多家海外钢企聚焦低碳冶金新工艺研究
不管是大容积高炉工艺，还是高品质直接还原铁工艺，都要以高品位铁矿石作为原料保障，前者是执行精料方针，保证炉况顺行稳定，后者则是要提高直接还原铁的金属化率。降低对于高品质铁矿石的依赖程度，提升对于低品位或相对劣质的铁矿石使用量，一直是钢铁企业降本增效的重要手段之一。当前，多家海外钢企正聚焦这一领域开展研究。
美国波士顿金属公司正在开发的熔融氧化物电解工艺，通过使用可再生能源生产的电力，在电解槽中将低品位铁矿石直接还原为熔融钢水，实现一步法炼钢。该工艺不仅可以省去传统的铁前系统和转炉炼钢系统，而且可以实现减碳、不使用循环水、避免有害物质排放等。该公司今年在巴西投资建厂，计划到2026年实现商业化运营。如果该工艺顺利应用，将帮助美国波士顿金属公司生产出有成本竞争力的“绿钢”。
韩国浦项制铁基于流化床反应器的HyREX工艺以氢气为还原剂，将铁矿粉直接还原为海绵铁，然后用电熔炉将其熔化为熔融金属，后端配置电炉用于生产钢水。该工艺初期使用非焦煤作为还原剂，在工艺不断改进的过程中，浦项制铁计划逐步采用绿氢替代非焦煤作为还原剂。该工艺也可以直接使用粉末状低品位含铁矿物作为原料，减少企业对于高品位铁矿石的依赖。
安赛乐米塔尔主导的Siderwin项目利用水基电解质，研究在电解槽中完成低温铁矿石电解生产金属铁的过程。该工艺首先将铁矿石引入到电解槽，在电流流过电极时，赤铁矿被吸引到阴极，逐步还原为磁铁矿、氧化亚铁、铁离子、熔融态金属铁。不过，该项目自2020年由“欧洲地平线计划”资助进行工业电池建设后，暂时没有其他新的进展。
综合来看，国外钢铁企业聚焦低碳冶金前沿技术的方方面面，以可再生能源供应、绿氢制备和电解冶炼技术等为主。可以看到，当前，低碳冶金没有通用的法则，也没有唯一的解决方案。跨学科的共同研究，跨产业间的协同耦合，多种技术的组合应用，在合适的地区实施适宜低碳冶金项目的示范部署和商业化运营，将是合理的发展路径。通过前文分析可以看出，当前较为合理的低碳技术路线为：利用可再生能源制备有竞争力的绿氢+大规模经济安全可靠的绿氢储运+氢基直接还原装置/流化床反应器+电炉；可再生能源生产绿电+熔融氧化物电解，进而实现一步法炼钢。上述两条路径最终生产出的钢均为“绿钢”。
实现一种低碳冶金技术的突破，就有望大比例、大范围地改变传统长流程钢铁生产工艺，减少钢铁产品的二氧化碳排放。在多种低碳冶金技术共同突破的基础上，根据所在地区实际情况进行混合部署，钢铁行业的脱碳进程有望提速。（苏步新）
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