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欧洲低碳冶金工艺路径及主要发展方向
2021-05-28 15:27:08 点击数：
刘献东
为了尽快实现碳中和，欧盟政府先后出台了多项政策助推低碳能源转型，各行各业也都正在酝酿新一轮的突破性技术创新。碳中和是冶金行业寻求突破性技术创新、工艺路线变革的大时代背景。根据欧洲钢铁工业联盟（简称欧钢联）制订的目标，到2030年欧洲钢铁工业二氧化碳排放量比当前水平减少30％（后被提高至55％），到2050年减少80%~95％。
除此之外，欧洲的各大主要钢厂也纷纷提出了各自的碳减排目标：安赛乐米塔尔（下称安米）承诺到2030年欧洲分公司二氧化碳排放量比当前水平减少30％，总体目标为到2050年实现碳中和。瑞典钢铁公司（SSAB）计划于2032年以前将二氧化碳排放量较2018年水平减少35％，到2045年实现无化石能源炼钢。蒂森克虏伯（下称蒂森）计划到2030年将二氧化碳排放量比当前水平减少30％，并将绿色钢铁产量增加至300万吨，到2050年实现碳中和。奥钢联集团计划于2030年~2035年将二氧化碳排放量比当前水平减少30％，到2050年减少80％以上。塔塔钢铁欧洲公司计划到2050年实现碳中和，并推动欧洲建立最大绿色氢应用产业集群。英国钢铁公司的目标则为到2040年在世界范围内率先实现二氧化碳的净零排放。
“碳直接避免”和“智能碳使用”为欧钢联提出的低碳冶金两大技术路径。据悉，“碳直接避免”技术路径要比“智能碳使用”技术路径的碳减排效率高出大约4倍。但是，考虑到成本问题，2030年以前“碳直接避免”技术很难完全达到商业化运营条件，“智能碳使用”技术则会作为实现碳减排目标的主要技术路径。此外，为了加速实现钢铁行业的碳中和，欧盟委员会还开展了一系列的基金研发项目，例如2020年启动的“绿色钢铁”项目和2021年初启动的“低碳未来”项目。
“碳直接避免”路径的主要技术方向
“碳直接避免”技术路径共有6大技术方向。其中，已经进入中试或示范线阶段的技术方向有2个，分别为氢基直接还原技术和氢基高炉还原技术；刚刚完成实验室阶段，即将进入中试阶段的技术方向有1个，为氢闪速熔炼技术（FIT）；另外还有3个依旧处于实验室阶段的技术方向，分别为电解冶金技术（Electrowinning）、氢等离子体熔融还原技术（HPSR）、熔融氧化物电解技术（MOE）。
氢基直接还原技术为行业内普遍认可的主流方向。从传统的直接还原铁工艺转型到采用100％纯氢气的绿色氢基直接还原工艺，虽然在技术上可以实现，但是出于对冶金行业自身的工艺需求（需要一定的碳含量）及成本的综合考量，此技术的氢气配比并非最佳方案。有研究认为，最佳方案是80％的还原气体采用绿色氢，另外的20％则采用绿色碳（如生物质能源）。
氢闪速熔炼技术旨在对氧化铁精矿直接进行还原。与目前基于高炉的炼铁工艺的平均水平相比，氢闪速熔炼技术可以将能耗水平降低32％~57％，将二氧化碳排放量减少61％~96％。
电解冶金技术（Electrowinning）将炼铁工艺与电化学工艺结合在了一起，是一种基于铁矿石电解的突破性技术，可直接从铁矿石中分离铁和氧。
氢等离子体熔融还原技术（HPSR）在高温下将分子氢分解为原子氢或离子氢。由于气体等离子体具有比分子氢高得多的还原电位，可以将所有氧化物还原为金属。其最终产品为液态钢。
熔融氧化物电解技术（MOE）是熔融盐电解的一种形式，由在2012年成立的波士顿电冶金公司所研发。
“智能碳使用”路径的主要技术方向
“智能碳使用”技术路径包括3个核心方面：碳捕获、利用与封存（CCUS），传统化石碳的智能化使用（包括生物质碳、循环碳等可替代碳源），采用前两项技术在现有工艺路径上的集成。其中，CCUS的创新主要集中在3个方面：设备模块化以降低成本、吸附法工艺的改进、化学吸收法工艺的改进。
欧洲目前在“智能碳使用”方面的重点项目主要有以下几项：
一是安米启动的Steelanol项目。该项目旨在有效捕获高炉中的废气并利用生物技术将其转化为可再生的生物乙醇，并将这些生物乙醇混合用作液体燃料。Steelanol项目将被应用于安米的比利时根特工厂，该工厂预计于2022年建成，计划每年生产8000万升的生物乙醇。
二是蒂森主导的Carbon2Chem项目。Carbon2Chem项目是蒂森与弗劳恩霍夫协会、马克斯·普朗克学会以及另外15家研究机构和合作伙伴合作研究的重要项目。该项目的技术原理是，将钢厂废气中的化工原材料（例如一氧化碳和二氧化碳等）用于生产含有碳和氢的合成气体。这些合成气体正是生产氨气、甲醇、高级醇等各种化工产品的原料。
三是SSAB和塔塔钢铁公司合作开展的FReSMe项目。该项目旨在从钢铁厂的高炉煤气中回收二氧化碳，并将其与从高炉煤气中回收或通过电解水生产的氢气混合，从而生成甲醇。
四是蒂森主导的H2morrow联合项目。该项目旨在评估向蒂森杜伊斯堡工厂提供蓝色氢气，并生产绿色钢铁的可能性。
除此之外，还有一系列其他的重点项目，例如塔塔钢铁公司启动的Everest项目，由赢创工业集团（EVONIK）主导的EffiCO2项目，和安米位于法国敦刻尔克钢厂的3D碳捕集存储示范项目等。
低碳冶金工艺的成本竞争力
不同工艺路径的成本竞争力不同。国际能源署认为，每千克氢的价格范围应该为0.70美元～2.00美元，绿色氢基直接还原技术才能和结合CCUS技术的天然气基直接还原技术的成本竞争力相抗衡。氢气价格的波动范围较大，是由于天然气价格波动范围大。因此，在天然气价格较低（以及二氧化碳储存成本低）的地区，结合CCUS技术的天然气基直接还原技术具有更强的竞争力。而国际氢能理事会则表示，当每千克氢的价格在1.20美元～1.60美元之间时，绿色氢基直接还原技术才能具备与HIsarna技术（采用90％的CCUS技术）相抗衡的成本竞争力。从长期来看，绿色氢的成本价是有可能达到这个区间的，但在生产、存储和运输等环节所产生的费用需要大量减少。
2015年以来，绿色氢的生产成本已减少了大约40％，预计到2025年将进一步减少大约40％。这主要是由于可再生能源和电解水设备的成本费用的减少。“氢基冶金”的经济可行性在很大程度上取决于电价和二氧化碳价格，以及工艺路径转型所需的投资成本。至于CCUS技术，钢铁行业的碳捕获成本为40美元/吨～100美元/吨。
综合各方面判断，SSAB认为“氢基冶金”的运营成本将比目前的“煤基冶金”的运营成本增加20%～30％，而奥钢联则认为可能会增加80％左右。
以氢为基础的直接还原工艺，生产每吨钢水需要消耗3480千瓦时的电能，主要用于电解制氢。根据电价和二氧化碳价格以及需要使用的废钢量估计，每吨钢的总生产成本为361欧元～640欧元。如果电价为40欧元/1000千瓦时，碳价为34欧美/吨～68欧元/吨，那么“氢基冶金”则很有可能具备与“煤基冶金”相当的成本竞争力。瑞典钢铁研究所的研究表明，目前至少需要200欧元/吨的高碳价才能推动欧洲钢铁工业减少36％的二氧化碳排放量。
欧盟的钢铁制造商不仅面临着欧盟碳排放交易机制的合规成本（2020年8月份二氧化碳价格为25欧元/吨～28欧元/吨，而2021年5月份已经创下56欧元/吨的历史纪录），还要面临其他碳减排成本（包括新技术和替代投入材料的资本支出和运营支出）。
为有效抑制绿色钢铁生产成本的上升，欧盟实施的主要措施有以下几项：一是投资工业前沿的突破性技术，二是加快对扩大产业规模新方法的探索和创新，三是建立监管体系，四是加强跨部门合作，五是改进和扩大清洁能源系统。除此之外，欧盟积极建立碳边境调整机制，加强开发储量丰富且成本合理的清洁能源，以获得低碳排放炼钢的可持续融资，加速向循环经济转型。
《中国冶金报》（2021年5月28日 02版二版）
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