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 .

　　尋找鋼鐵行業(yè)二氧化碳減排最優(yōu)路徑，盡快完成鋼鐵行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，是當(dāng)下全球鋼鐵行業(yè)科技工作者一同努力的重要領(lǐng)域與重點方向。

　　本文聚焦國外低碳冶金前沿技術(shù)進(jìn)展，包括氫冶金、氫能的來源與儲運、負(fù)碳技術(shù)和減少化石能源依賴的前沿技術(shù)，以及低碳冶金新工藝，并提出生產(chǎn)“綠鋼”的工藝路徑建議。

　　目前，氫還原主要有兩種方式，一種是通過高爐風(fēng)口噴吹氫，減少煤粉及高爐中焦炭的用量；另一種是在氫基直接還原豎爐中，用氫氣還原生產(chǎn)直接還原鐵（DRI）。氫替代碳作為鐵還原劑，在還原過程中，生成了水，避免或減少了二氧化碳的排放。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，國外已公開的鋼鐵企業(yè)采用氫能進(jìn)行低碳冶金的項目包括兩類：高爐富氫冶煉和氫基直接還原。其中，高爐富氫冶煉包括日本COURSE50項目、德國蒂森克虜伯氫基煉鐵項目、德國迪林根和薩爾鋼鐵公司富氫煉鐵技術(shù)開發(fā)項目等，氫基直接還原包括瑞典HYBRIT項目、瑞典博登100%氫直接還原項目、德國薩爾茨吉特SALCOS項目、奧鋼聯(lián)H2FUTURE項目、阿聯(lián)酋鋼鐵和建材公司低碳煉鐵項目、法國GravitHy公司氫氣直接還原鐵項目、德國蒂森克虜伯氫氣豎爐直接還原（DR）+熔煉（SAF）等。高爐富氫冶煉類項目主要通過焦?fàn)t煤氣制氫和天然氣制氫。氫基直接還原類項目前期采用灰氫，未來預(yù)計逐步過渡到采用藍(lán)氫、綠氫。

　　根據(jù)現(xiàn)有的氫制取技術(shù)路線，通過可再生能源進(jìn)行電解水制氫是獲得綠氫較為常見的方式。國外用于電解水制氫的可再生能源主要為太陽能、海上風(fēng)能和水力，即通過可再生能源發(fā)電，得到“綠電”，用“綠電”進(jìn)行電解水制氫，便可以得到綠氫。在低碳冶金工藝中，已被成功應(yīng)用的電解水制氫技術(shù)路線為質(zhì)子交換膜電解（PEM）和堿性水電解（AE），其中質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)已經(jīng)在奧鋼聯(lián)H2FUTURE中成功應(yīng)用；堿性水電解制氫是當(dāng)前大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化制氫的主要技術(shù)路線。目前，該技術(shù)在蒂森克虜伯公司內(nèi)部廣泛應(yīng)用。蒂森克虜伯應(yīng)用的堿性水電解技術(shù)具有3個方面的特點：一是采用零間隙技術(shù)，電極與隔膜幾乎做到零距離，減小了溶液電阻；二是單元槽之間互相獨立，有利于后期拆裝檢修；三是電解效率可達(dá)到80%以上。

　　目前，氫儲能各個環(huán)節(jié)發(fā)展仍有諸多問題需要解決，比如用于低碳冶金的氫能原料的輸送問題。當(dāng)前，通過采用綠氨作為氫運輸載體，被證明是一種較為經(jīng)濟(jì)、合理、安全的方式，部分海上風(fēng)力發(fā)電項目通過優(yōu)先制備綠氨，儲存運輸?shù)戒撹F企業(yè)后再制備綠氫，用于高爐富氫噴吹或氫基還原豎爐。對于鋼鐵項目而言，連續(xù)生產(chǎn)意味著匹配的氫氣產(chǎn)能也是連續(xù)的。例如，蒂森克虜伯的氫基直接還原項目最開始采用的是儲氫罐車，后轉(zhuǎn)為采用運氫管道輸送的方式。

　　“零碳”技術(shù)，是指在排放二氧化碳的煙囪和設(shè)備上應(yīng)用CCS（碳捕集和封存）或CCUS（碳捕集、應(yīng)用和封存）技術(shù)，實現(xiàn)“零碳排放”。在此基礎(chǔ)上，海外鋼企開展了一系列關(guān)于負(fù)碳技術(shù)的研究，其中生物質(zhì)能碳捕集與封存（bioenergy with carbon capture and storage, BECCS）技術(shù)是一項結(jié)合碳捕集和封存以實現(xiàn)二氧化碳負(fù)排放的技術(shù)。從碳潛力和碳成本兩個方面來看，生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)是未來有望將全球溫室效應(yīng)穩(wěn)定在低水平的關(guān)鍵技術(shù)。生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)是指捕集和封存生物質(zhì)燃燒或轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的二氧化碳，從而將捕集的二氧化碳與大氣長期隔離。生物質(zhì)本身通常被認(rèn)為是“零碳排放”的，即生物質(zhì)燃燒或轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的二氧化碳與其在生長過程中吸收的二氧化碳的量相當(dāng)，因此其封存的二氧化碳在扣除相關(guān)過程中的額外排放值之后，就成為了“負(fù)排放的二氧化碳”。國際能源署（IEA）發(fā)布的《世界能源技術(shù)展望2020——CCUS特別報告》預(yù)測，2030年后，生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)將開始大規(guī)模應(yīng)用；2050年、2070年，生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)將分別抵消全球能源系統(tǒng)7%、30%的碳排放，對應(yīng)約10億噸、27億噸的二氧化碳排放量；到2070年，全球1/4的生物質(zhì)能利用項目將采用生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)。

　　目前，生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)在全球范圍內(nèi)尚處于研發(fā)和示范階段，不具備大規(guī)模商業(yè)化運行的條件。國外生物質(zhì)能碳捕集與封存項目分布在美國、歐洲、日本和加拿大等國家和地區(qū)，應(yīng)用于生物質(zhì)乙醇工廠、生物質(zhì)發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電等領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國伊利諾伊州工業(yè)碳捕集項目是目前全球規(guī)模最大的生物質(zhì)能碳捕集與封存項目。該項目從玉米生產(chǎn)乙醇的過程中捕集高純度的二氧化碳，用于咸水層地質(zhì)封存，捕集規(guī)模達(dá)到100萬噸/年。其他的二氧化碳封存方式還有離岸封存、地質(zhì)封存等。

　　此外，直接空氣碳捕獲與封存是為數(shù)不多的能從大氣中去除二氧化碳的技術(shù)。直接空氣碳捕獲與封存技術(shù)利用電力，通過風(fēng)扇和過濾器從大氣中去除二氧化碳。直接空氣碳捕獲與封存技術(shù)的溶液系統(tǒng)使空氣通過化學(xué)溶液，去除其中的二氧化碳并將剩余的空氣返還到大氣中，被捕獲的二氧化碳可以在高壓狀態(tài)下被壓縮，并通過管道泵輸送至深層地質(zhì)層。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球有15家直接空氣碳捕獲與封存工廠，每個工廠可捕獲約9000噸/年的二氧化碳。目前，美國得克薩斯州的二疊紀(jì)盆地（Permian盆地）正在開展一個大型的直接空氣碳捕獲與封存項目建設(shè)，預(yù)計到2025年投入運營，屆時將達(dá)到每年捕獲100萬噸二氧化碳的目標(biāo)。

　　目前，通過技術(shù)手段的負(fù)碳技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中生物質(zhì)能碳捕集與封存需要大規(guī)模生產(chǎn)生物能源，給土地和水資源帶來壓力。從全生命周期來看，負(fù)碳技術(shù)的應(yīng)用前景還需相關(guān)部門做出進(jìn)一步的細(xì)致評估。

　　據(jù)殼牌石油公司編撰的《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》，2022年，全球一次能源需求同比增長了1.1%，其中可再生能源（不含水能）在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的占比為7.5%，化石能源在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的占比為82%。可以預(yù)計，在一段時間內(nèi)，全球很難擺脫對于化石能源的依賴，研發(fā)顛覆性的新能源技術(shù)和規(guī)?；瘧?yīng)用場景仍需要持續(xù)高額投入人力、物力和財力。

　　當(dāng)前減少化石能源的主要途徑是提高可再生能源在能源消費總量中的占比，這意味著可再生能源在每年增加的能源消費總量中占比需不斷提高。目前，全球鋼企公開的有突破性進(jìn)展的可再生能源示范項目很少。具體來看，美國Heliogen公司是一家清潔能源公司，其正在積極開展人工智能聚光太陽能項目，即利用陽光來制造和替代燃料。該公司專有的定日鏡（heliostat）布局和控制系統(tǒng)，即使用先進(jìn)的計算機(jī)軟件高度精確地通過大量鏡子陣列，將陽光反射到單一目標(biāo)（焦點）上，在焦點處產(chǎn)生超過1000攝氏度的溫度，并將這些熱量轉(zhuǎn)化后用于生產(chǎn)綠氫。這一系統(tǒng)的目的是盡可能24小時不間斷地供應(yīng)可再生能源，用集中的陽光代替化石燃料，極大地減少鋼鐵等生產(chǎn)活動產(chǎn)生的溫室氣體排放。Heliogen公司的目標(biāo)是使焦點處的溫度達(dá)到1500攝氏度，再將獲取的熱量用于水電解生產(chǎn)綠氫。當(dāng)前，該公司已開展了5兆瓦級別的商業(yè)規(guī)模示范設(shè)施建設(shè)，并配套建設(shè)了綠氫生產(chǎn)裝置。

　　不管是大容積高爐工藝，還是高品質(zhì)直接還原鐵工藝，都要以高品位鐵礦石作為原料保障，前者是執(zhí)行精料方針，保證爐況順行穩(wěn)定，后者則是要提高直接還原鐵的金屬化率。降低對于高品質(zhì)鐵礦石的依賴程度，提升對于低品位或相對劣質(zhì)的鐵礦石使用量，一直是鋼鐵企業(yè)降本增效的重要手段之一。當(dāng)前，多家海外鋼企正聚焦這一領(lǐng)域開展研究。

　　美國波士頓金屬公司正在開發(fā)的熔融氧化物電解工藝，通過使用可再生能源生產(chǎn)的電力，在電解槽中將低品位鐵礦石直接還原為熔融鋼水，實現(xiàn)一步法煉鋼。該工藝不僅可以省去傳統(tǒng)的鐵前系統(tǒng)和轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)，而且可以實現(xiàn)減碳、不使用循環(huán)水、避免有害物質(zhì)排放等。該公司今年在巴西投資建廠，計劃到2026年實現(xiàn)商業(yè)化運營。如果該工藝順利應(yīng)用，將幫助美國波士頓金屬公司生產(chǎn)出有成本競爭力的“綠鋼”。

　　韓國浦項制鐵基于流化床反應(yīng)器的HyREX工藝以氫氣為還原劑，將鐵礦粉直接還原為海綿鐵，然后用電熔爐將其熔化為熔融金屬，后端配置電爐用于生產(chǎn)鋼水。該工藝初期使用非焦煤作為還原劑，在工藝不斷改進(jìn)的過程中，浦項制鐵計劃逐步采用綠氫替代非焦煤作為還原劑。該工藝也可以直接使用粉末狀低品位含鐵礦物作為原料，減少企業(yè)對于高品位鐵礦石的依賴。

　　安賽樂米塔爾主導(dǎo)的Siderwin項目利用水基電解質(zhì)，研究在電解槽中完成低溫鐵礦石電解生產(chǎn)金屬鐵的過程。該工藝首先將鐵礦石引入到電解槽，在電流流過電極時，赤鐵礦被吸引到陰極，逐步還原為磁鐵礦、氧化亞鐵、鐵離子、熔融態(tài)金屬鐵。不過，該項目自2020年由“歐洲地平線計劃”資助進(jìn)行工業(yè)電池建設(shè)后，暫時沒有其他新的進(jìn)展。

　　綜合來看，國外鋼鐵企業(yè)聚焦低碳冶金前沿技術(shù)的方方面面，以可再生能源供應(yīng)、綠氫制備和電解冶煉技術(shù)等為主?？梢钥吹?，當(dāng)前，低碳冶金沒有通用的法則，也沒有唯一的解決方案?？鐚W(xué)科的共同研究，跨產(chǎn)業(yè)間的協(xié)同耦合，多種技術(shù)的組合應(yīng)用，在合適的地區(qū)實施適宜低碳冶金項目的示范部署和商業(yè)化運營，將是合理的發(fā)展路徑。通過前文分析可以看出，當(dāng)前較為合理的低碳技術(shù)路線為：利用可再生能源制備有競爭力的綠氫+大規(guī)模經(jīng)濟(jì)安全可靠的綠氫儲運+氫基直接還原裝置/流化床反應(yīng)器+電爐；可再生能源生產(chǎn)綠電+熔融氧化物電解，進(jìn)而實現(xiàn)一步法煉鋼。上述兩條路徑最終生產(chǎn)出的鋼均為“綠鋼”。

　　實現(xiàn)一種低碳冶金技術(shù)的突破，就有望大比例、大范圍地改變傳統(tǒng)長流程鋼鐵生產(chǎn)工藝，減少鋼鐵產(chǎn)品的二氧化碳排放。在多種低碳冶金技術(shù)共同突破的基礎(chǔ)上，根據(jù)所在地區(qū)實際情況進(jìn)行混合部署，鋼鐵行業(yè)的脫碳進(jìn)程有望提速。（蘇步新）