劉獻東
為了盡快實(shí)現碳中和，歐盟政府先后出臺了多項政策助推低碳能源轉型，各行各業(yè)也都正在醞釀新一輪的突破性技術(shù)創(chuàng )新。碳中和是冶金行業(yè)尋求突破性技術(shù)創(chuàng )新、工藝路線(xiàn)變革的大時(shí)代背景。根據歐洲鋼鐵工業(yè)聯(lián)盟（簡(jiǎn)稱(chēng)歐鋼聯(lián)）制訂的目標，到2030年歐洲鋼鐵工業(yè)二氧化碳排放量比當前水平減少30％（后被提高至55％），到2050年減少80%~95％。
除此之外，歐洲的各大主要鋼廠(chǎng)也紛紛提出了各自的碳減排目標：安賽樂(lè )米塔爾（下稱(chēng)安米）承諾到2030年歐洲分公司二氧化碳排放量比當前水平減少30％，總體目標為到2050年實(shí)現碳中和。瑞典鋼鐵公司（SSAB）計劃于2032年以前將二氧化碳排放量較2018年水平減少35％，到2045年實(shí)現無(wú)化石能源煉鋼。蒂森克虜伯（下稱(chēng)蒂森）計劃到2030年將二氧化碳排放量比當前水平減少30％，并將綠色鋼鐵產(chǎn)量增加至300萬(wàn)噸，到2050年實(shí)現碳中和。奧鋼聯(lián)集團計劃于2030年~2035年將二氧化碳排放量比當前水平減少30％，到2050年減少80％以上。塔塔鋼鐵歐洲公司計劃到2050年實(shí)現碳中和，并推動(dòng)歐洲建立最大綠色氫應用產(chǎn)業(yè)集群。英國鋼鐵公司的目標則為到2040年在世界范圍內率先實(shí)現二氧化碳的凈零排放。
“碳直接避免”和“智能碳使用”為歐鋼聯(lián)提出的低碳冶金兩大技術(shù)路徑。據悉，“碳直接避免”技術(shù)路徑要比“智能碳使用”技術(shù)路徑的碳減排效率高出大約4倍。但是，考慮到成本問(wèn)題，2030年以前“碳直接避免”技術(shù)很難完全達到商業(yè)化運營(yíng)條件，“智能碳使用”技術(shù)則會(huì )作為實(shí)現碳減排目標的主要技術(shù)路徑。此外，為了加速實(shí)現鋼鐵行業(yè)的碳中和，歐盟委員會(huì )還開(kāi)展了一系列的基金研發(fā)項目，例如2020年啟動(dòng)的“綠色鋼鐵”項目和2021年初啟動(dòng)的“低碳未來(lái)”項目。
“碳直接避免”路徑的主要技術(shù)方向
“碳直接避免”技術(shù)路徑共有6大技術(shù)方向。其中，已經(jīng)進(jìn)入中試或示范線(xiàn)階段的技術(shù)方向有2個(gè)，分別為氫基直接還原技術(shù)和氫基高爐還原技術(shù)；剛剛完成實(shí)驗室階段，即將進(jìn)入中試階段的技術(shù)方向有1個(gè)，為氫閃速熔煉技術(shù)（FIT）；另外還有3個(gè)依舊處于實(shí)驗室階段的技術(shù)方向，分別為電解冶金技術(shù)（Electrowinning）、氫等離子體熔融還原技術(shù)（HPSR）、熔融氧化物電解技術(shù)（MOE）。
氫基直接還原技術(shù)為行業(yè)內普遍認可的主流方向。從傳統的直接還原鐵工藝轉型到采用100％純氫氣的綠色氫基直接還原工藝，雖然在技術(shù)上可以實(shí)現，但是出于對冶金行業(yè)自身的工藝需求（需要一定的碳含量）及成本的綜合考量，此技術(shù)的氫氣配比并非最佳方案。有研究認為，最佳方案是80％的還原氣體采用綠色氫，另外的20％則采用綠色碳（如生物質(zhì)能源）。
氫閃速熔煉技術(shù)旨在對氧化鐵精礦直接進(jìn)行還原。與目前基于高爐的煉鐵工藝的平均水平相比，氫閃速熔煉技術(shù)可以將能耗水平降低32％~57％，將二氧化碳排放量減少61％~96％。
電解冶金技術(shù)（Electrowinning）將煉鐵工藝與電化學(xué)工藝結合在了一起，是一種基于鐵礦石電解的突破性技術(shù)，可直接從鐵礦石中分離鐵和氧。
氫等離子體熔融還原技術(shù)（HPSR）在高溫下將分子氫分解為原子氫或離子氫。由于氣體等離子體具有比分子氫高得多的還原電位，可以將所有氧化物還原為金屬。其最終產(chǎn)品為液態(tài)鋼。
熔融氧化物電解技術(shù)（MOE）是熔融鹽電解的一種形式，由在2012年成立的波士頓電冶金公司所研發(fā)。
“智能碳使用”路徑的主要技術(shù)方向
“智能碳使用”技術(shù)路徑包括3個(gè)核心方面：碳捕獲、利用與封存（CCUS），傳統化石碳的智能化使用（包括生物質(zhì)碳、循環(huán)碳等可替代碳源），采用前兩項技術(shù)在現有工藝路徑上的集成。其中，CCUS的創(chuàng )新主要集中在3個(gè)方面：設備模塊化以降低成本、吸附法工藝的改進(jìn)、化學(xué)吸收法工藝的改進(jìn)。
歐洲目前在“智能碳使用”方面的重點(diǎn)項目主要有以下幾項：
一是安米啟動(dòng)的Steelanol項目。該項目旨在有效捕獲高爐中的廢氣并利用生物技術(shù)將其轉化為可再生的生物乙醇，并將這些生物乙醇混合用作液體燃料。Steelanol項目將被應用于安米的比利時(shí)根特工廠(chǎng)，該工廠(chǎng)預計于2022年建成，計劃每年生產(chǎn)8000萬(wàn)升的生物乙醇。
二是蒂森主導的Carbon2Chem項目。Carbon2Chem項目是蒂森與弗勞恩霍夫協(xié)會(huì )、馬克斯·普朗克學(xué)會(huì )以及另外15家研究機構和合作伙伴合作研究的重要項目。該項目的技術(shù)原理是，將鋼廠(chǎng)廢氣中的化工原材料（例如一氧化碳和二氧化碳等）用于生產(chǎn)含有碳和氫的合成氣體。這些合成氣體正是生產(chǎn)氨氣、甲醇、高級醇等各種化工產(chǎn)品的原料。
三是SSAB和塔塔鋼鐵公司合作開(kāi)展的FReSMe項目。該項目旨在從鋼鐵廠(chǎng)的高爐煤氣中回收二氧化碳，并將其與從高爐煤氣中回收或通過(guò)電解水生產(chǎn)的氫氣混合，從而生成甲醇。
四是蒂森主導的H2morrow聯(lián)合項目。該項目旨在評估向蒂森杜伊斯堡工廠(chǎng)提供藍色氫氣，并生產(chǎn)綠色鋼鐵的可能性。
除此之外，還有一系列其他的重點(diǎn)項目，例如塔塔鋼鐵公司啟動(dòng)的Everest項目，由贏(yíng)創(chuàng )工業(yè)集團（EVONIK）主導的EffiCO2項目，和安米位于法國敦刻爾克鋼廠(chǎng)的3D碳捕集存儲示范項目等。
低碳冶金工藝的成本競爭力
不同工藝路徑的成本競爭力不同。國際能源署認為，每千克氫的價(jià)格范圍應該為0.70美元～2.00美元，綠色氫基直接還原技術(shù)才能和結合CCUS技術(shù)的天然氣基直接還原技術(shù)的成本競爭力相抗衡。氫氣價(jià)格的波動(dòng)范圍較大，是由于天然氣價(jià)格波動(dòng)范圍大。因此，在天然氣價(jià)格較低（以及二氧化碳儲存成本低）的地區，結合CCUS技術(shù)的天然氣基直接還原技術(shù)具有更強的競爭力。而國際氫能理事會(huì )則表示，當每千克氫的價(jià)格在1.20美元～1.60美元之間時(shí)，綠色氫基直接還原技術(shù)才能具備與HIsarna技術(shù)（采用90％的CCUS技術(shù)）相抗衡的成本競爭力。從長(cháng)期來(lái)看，綠色氫的成本價(jià)是有可能達到這個(gè)區間的，但在生產(chǎn)、存儲和運輸等環(huán)節所產(chǎn)生的費用需要大量減少。
2015年以來(lái)，綠色氫的生產(chǎn)成本已減少了大約40％，預計到2025年將進(jìn)一步減少大約40％。這主要是由于可再生能源和電解水設備的成本費用的減少?！皻浠苯稹钡慕?jīng)濟可行性在很大程度上取決于電價(jià)和二氧化碳價(jià)格，以及工藝路徑轉型所需的投資成本。至于CCUS技術(shù)，鋼鐵行業(yè)的碳捕獲成本為40美元/噸～100美元/噸。
綜合各方面判斷，SSAB認為“氫基冶金”的運營(yíng)成本將比目前的“煤基冶金”的運營(yíng)成本增加20%～30％，而奧鋼聯(lián)則認為可能會(huì )增加80％左右。
以氫為基礎的直接還原工藝，生產(chǎn)每噸鋼水需要消耗3480千瓦時(shí)的電能，主要用于電解制氫。根據電價(jià)和二氧化碳價(jià)格以及需要使用的廢鋼量估計，每噸鋼的總生產(chǎn)成本為361歐元～640歐元。如果電價(jià)為40歐元/1000千瓦時(shí)，碳價(jià)為34歐美/噸～68歐元/噸，那么“氫基冶金”則很有可能具備與“煤基冶金”相當的成本競爭力。瑞典鋼鐵研究所的研究表明，目前至少需要200歐元/噸的高碳價(jià)才能推動(dòng)歐洲鋼鐵工業(yè)減少36％的二氧化碳排放量。
歐盟的鋼鐵制造商不僅面臨著(zhù)歐盟碳排放交易機制的合規成本（2020年8月份二氧化碳價(jià)格為25歐元/噸～28歐元/噸，而2021年5月份已經(jīng)創(chuàng )下56歐元/噸的歷史紀錄），還要面臨其他碳減排成本（包括新技術(shù)和替代投入材料的資本支出和運營(yíng)支出）。
為有效抑制綠色鋼鐵生產(chǎn)成本的上升，歐盟實(shí)施的主要措施有以下幾項：一是投資工業(yè)前沿的突破性技術(shù)，二是加快對擴大產(chǎn)業(yè)規模新方法的探索和創(chuàng )新，三是建立監管體系，四是加強跨部門(mén)合作，五是改進(jìn)和擴大清潔能源系統。除此之外，歐盟積極建立碳邊境調整機制，加強開(kāi)發(fā)儲量豐富且成本合理的清潔能源，以獲得低碳排放煉鋼的可持續融資，加速向循環(huán)經(jīng)濟轉型。
《中國冶金報》（2021年5月28日 02版二版）
