劉獻(xiàn)東
在對歐洲鋼鐵工業(yè)聯(lián)盟（Eurofer，簡稱歐鋼聯(lián)）“智能碳使用”和“碳直接避免”技術(shù)路線的重點(diǎn)項(xiàng)目、歐盟氫冶金發(fā)展進(jìn)程中有重大影響的政策、歐鋼聯(lián)碳減排政策框架等內(nèi)容進(jìn)行介紹及解讀后，本期《觀海聽潮》圍繞歐洲低碳煉鋼發(fā)展過程中，產(chǎn)業(yè)鏈上的共性技術(shù)難題及鋼企的相關(guān)探索展開論述。
短中長期階段亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)
為實(shí)現(xiàn)歐盟“碳中和大陸”的目標(biāo)，各種政策密集出臺，歐洲主要鋼企均提出了目標(biāo)和行動計(jì)劃。目前正在研發(fā)或已達(dá)到商業(yè)成熟級別的主要技術(shù)有：瑞典鋼鐵（SSAB）的HYBRIT技術(shù)（突破性氫能煉鐵技術(shù)）、塔塔鋼鐵的Hlsarna技術(shù)（直接利用煤粉和粉礦的熔融還原技術(shù)）、奧鋼聯(lián)的HYFOR技術(shù)（氫基粉礦還原技術(shù)）和H2FUTURE項(xiàng)目（用可再生能源發(fā)電以制造“綠色氫”）、安賽樂米塔爾的智能碳和直接還原鐵（DRI）技術(shù)、意大利Tenova（特諾恩集團(tuán)）的HYL/ENERGIRON-ZR直接還原鐵技術(shù)、蒂森克虜伯的Carbon2Chem碳捕捉技術(shù)。此外，歐盟正在推進(jìn)的項(xiàng)目還有IGAR、PEM和STEPWISE、Steelanol、FReSMe、Everest（碳捕集、存儲項(xiàng)目）等。
上述這些技術(shù)，可分為兩個(gè)主要的技術(shù)路線，即“智能碳使用”和“碳直接避免”。歐洲鋼鐵業(yè)普遍認(rèn)為，這兩條技術(shù)路線最終都能實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，而采用“碳直接避免”的技術(shù)路線，碳減排的效率是“智能碳使用”技術(shù)路線的4倍。如果用“綠色氫”替代碳進(jìn)行直接還原，可實(shí)現(xiàn)近乎100%的碳減排?？紤]到轉(zhuǎn)型期間的成本問題，在2030年前，“碳直接避免”很難完全達(dá)到商業(yè)化運(yùn)營條件，而“智能碳使用”則會在2030年前發(fā)揮效果，以支撐歐盟到2030年減少55%溫室氣體排放量（與1990年水平相比）的目標(biāo)。
這些技術(shù)突破的進(jìn)展?fàn)顟B(tài)差異較大。基于兩條技術(shù)路線，根據(jù)商業(yè)化成熟度的3個(gè)階段（即短中期、中期、長期階段），再結(jié)合“碳基冶金”“電力基冶金”“氫基冶金”三元維度，可將這些技術(shù)歸納如下：
在短中期階段，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)可分為以下4個(gè)方面：
一是PI過程集成方向，包括高爐脫碳煤氣的回收利用、高爐和連鑄的二氧化碳捕集、混煤或混焦裝煤、生物質(zhì)燃料替代高爐噴煤、高爐噴吹純氫或富氫氣體、天然氣直接還原、利用現(xiàn)有鋼鐵廠氣體熔煉廢鋼等技術(shù)。
二是“碳直接避免”方向，包括氫基直接還原+電弧爐技術(shù)。
三是碳捕集與利用方向，包括用鋼廠排放的氣體制造甲醇、乙醇、聚合物的原料，利用殘?jiān)M(jìn)行礦物碳化等。
四是輔助工藝方向，包括堿性水電解（AEL）、質(zhì)子交換膜電解（PEMEL）、吸附強(qiáng)化水煤氣變換（SEWGS）等制氫技術(shù)和真空變壓吸附、胺洗滌、甲醇洗滌、低溫分離等碳捕捉技術(shù)。
短中期階段的商業(yè)化成熟目標(biāo)是：到2030年，二氧化碳減排目標(biāo)為40%（相比于1990年的水平）；用天然氣基的DR—EAF（直接還原爐-電爐）工藝替代部分高爐—轉(zhuǎn)爐的傳統(tǒng)工藝；從傳統(tǒng)高爐冶煉方案切換到各種改進(jìn)型的高爐冶煉方案；用生物質(zhì)燃料替代部分高爐噴煤。到2030年，78%的高爐—轉(zhuǎn)爐工藝將轉(zhuǎn)型為新的技術(shù)。
在中期階段，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)可分為以下4個(gè)方面：
一是“碳直接避免”方向，包括電解沉積（堿性溶液）技術(shù)。
二是PI過程集成方向，包括先進(jìn)煤基熔融還原技術(shù)。
三是碳捕集與利用方向，包括微藻技術(shù)、直接礦物碳化（原生礦物）技術(shù)、單級二甲醚合成技術(shù)、氫強(qiáng)化甲烷合成技術(shù)、環(huán)狀碳酸鹽合成技術(shù)、RWGS-干法重整技術(shù)等。
四是輔助工藝方向，包括SOEC/高溫蒸汽電解（HTE）、氫氣和固體碳的天然氣熱解轉(zhuǎn)化（焦炭床反應(yīng)器）等制氫技術(shù)和利用固體吸附劑的碳捕捉技術(shù)。
中期階段的商業(yè)化成熟目標(biāo)是：用天然氣或氫基DR-EAF裝置進(jìn)一步替代部分高爐—轉(zhuǎn)爐裝置，逐步提高直接還原工藝的氫含量，進(jìn)一步利用生物質(zhì)燃料和碳捕獲、利用與封存技術(shù)。
在長期階段，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)可分為以下3個(gè)方面：
一是“碳直接避免”方向，包括氫等離子體熔融還原技術(shù)、氧化鐵熔融電解/熱電解技術(shù)。
二是碳捕集與利用方向，包括不同生物發(fā)酵工藝、二氧化碳電解與生物反應(yīng)器（人工光合作用）組合、電化學(xué)二氧化碳還原/轉(zhuǎn)化、光化學(xué)二氧化碳還原等技術(shù)。
三是輔助工藝方向，包括太陽能光催化分解水技術(shù)。
長期階段的商業(yè)化成熟目標(biāo)實(shí)現(xiàn)后，溫室氣體排放量將比1990年減少80%~95%。
歐盟鋼企的“氫探索”
對這些重大技術(shù)，歐洲各鋼廠分別制訂了自己的計(jì)劃時(shí)間表。目前公開發(fā)布的信息有：
瑞典鋼鐵：2020年8月31日，HYBRIT中試工廠投運(yùn)；2025年，建立一個(gè)HYBRIT示范工廠；2026年，Oxel?sund高爐改造完成；2030年~2040年，全部高爐改造完成；2045年完全實(shí)現(xiàn)無化石鋼鐵制造。
奧鋼聯(lián)：2019年11月，H2FUTURE“綠色氫”中試工廠投運(yùn)；2020年底，HYFOR中試機(jī)組投運(yùn)。
安賽樂米塔爾：2020年，SIDERWIN直接電解鐵礦石中試線投產(chǎn)；氫基DRI示范工廠正處于設(shè)計(jì)和融資階段，最初年產(chǎn)能為10萬噸海綿鐵；2022年，Carbalyst?（Steelanol）示范工廠投運(yùn)，用高爐廢氣制造生物乙醇；2021年，3D（DMXTM）示范工廠投運(yùn)，為碳捕獲試點(diǎn)項(xiàng)目。
塔塔鋼鐵：2018年，HIsarna開始工業(yè)試驗(yàn)；2027年，Athos項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)碳減排100萬噸，將排放氣體加工成化工原料；2030年，Everest項(xiàng)目（碳捕集、存儲項(xiàng)目）實(shí)現(xiàn)碳減排300萬噸；2030年，在荷蘭建立年產(chǎn)100萬噸~150萬噸的工業(yè)級示范線。
蒂森克虜伯：2019年11月11日，德國杜伊斯堡9號高爐注入氫氣試驗(yàn)；2022年，氫氣試驗(yàn)擴(kuò)大到所有28個(gè)風(fēng)口；2025年，第一座DRI（直接還原鐵）工廠投運(yùn)，年產(chǎn)能40萬噸；2030年，氫基DRI年產(chǎn)能增加至300萬噸。
薩爾茨吉特鋼鐵公司（Salzgitter）：2020年第四季度，高溫電解槽（HTE）投運(yùn)，風(fēng)力發(fā)電廠投運(yùn)；2020年底開始推出綠色鋼鐵產(chǎn)品；2021年3月，氫基DRI200萬噸示范線完成可行性論證。
在上述關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的同時(shí)，工藝路線也將完成重大轉(zhuǎn)型。隨著氫基冶金技術(shù)的成熟、“綠色氫”成本的降低、資源保證能力的提高，歐盟鋼鐵行業(yè)將逐步從傳統(tǒng)的碳基冶煉工藝路線、廢鋼電弧爐工藝，經(jīng)由碳基直接還原DRI+電弧爐工藝、天然氣基直接還原DRI+電弧爐工藝，向氫注入高爐替代碳還原工藝、氫基直接還原DRI+綠色電力基電弧爐工藝、綠色電基電解鐵礦石等方向完成轉(zhuǎn)型。
要實(shí)現(xiàn)碳中和的最終目標(biāo)，除了冶金技術(shù)本身的突破外，還要關(guān)注循環(huán)經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新，主要包括以下5個(gè)方面：
一是回收和再利用。將鋼鐵冶煉過程中的廢棄物和副產(chǎn)品作為其他有價(jià)值產(chǎn)品的原料。
二是壽命延長。延長產(chǎn)品和資產(chǎn)的壽命，加強(qiáng)維護(hù)、升級和維修，以及逆向物流、產(chǎn)品回收和再制造。
三是共享和服務(wù)模式。通過“使用付費(fèi)模式”提供服務(wù)，并利用共享和租賃平臺最大限度地利用產(chǎn)品和資產(chǎn)。
四是循環(huán)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，盡可能地選擇低碳材料，并在整個(gè)生命周期中盡量減少資源使用。
五是數(shù)字平臺。通過將物理服務(wù)與在線服務(wù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)非物質(zhì)化，并通過物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化最大化地使用資源。
歐盟鋼企的“氫延伸”
實(shí)現(xiàn)氫基冶金的前提條件是獲得資源有保障、成本合理化的“綠色氫”。因此，“綠色氫”產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展關(guān)乎到歐盟鋼鐵行業(yè)能否在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。歐盟委員會設(shè)定的目標(biāo)是到2024年將綠色制氫設(shè)施電解槽產(chǎn)能擴(kuò)大到6000兆瓦，可生產(chǎn)100萬立方米“綠色氫”；到2030年電解槽產(chǎn)能達(dá)到40000兆瓦，可生產(chǎn)1000萬立方米“綠色氫”。目前世界主要地區(qū)已明確計(jì)劃的電解法制造氫的項(xiàng)目，歐洲占的比例最大。“綠色氫”的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)制造、車輛運(yùn)輸和電力行業(yè)，到2050年工業(yè)用“綠色氫”電解槽產(chǎn)能將達(dá)到80萬兆瓦左右，車輛運(yùn)輸行業(yè)在70萬兆瓦左右，電力能源行業(yè)在50萬兆瓦左右。氫氣采用管網(wǎng)方式傳輸具備優(yōu)勢，每傳輸1千瓦/1000公里，以管網(wǎng)氣體形式的投資成本為9歐元~11歐元（以電力形式的投資成本為230歐元）。最理想的情況下，“綠色氫”制造成本為0.3美元/千克。
因此，歐洲主要鋼廠在推動冶金技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，也在向“綠色氫”制造產(chǎn)業(yè)鏈拓展。比如，薩爾茨吉特鋼鐵公司建設(shè)風(fēng)電和氫氣電解工廠，并配備2.2兆瓦的質(zhì)子交換膜（PEM）電解裝置（西門子天然氣電力公司制造）； 蒂森克虜伯?dāng)U大電解制氫產(chǎn)能；奧鋼聯(lián)全球最大的電解槽投入運(yùn)行，其在Linz（奧地利林茨）鋼廠的大型PEM電解系統(tǒng)，容量為6兆瓦，可生產(chǎn)1200立方米的“綠色氫”；塔塔鋼鐵正在荷蘭阿姆斯特丹港推進(jìn)H2ermes項(xiàng)目，預(yù)計(jì)氫產(chǎn)能在1.5萬立方米左右。
在未來的氫基冶金工藝路線上，直接還原鐵（DRI）工藝將扮演重要角色。2019年，全球DRI產(chǎn)量超過1.08億噸，較2018年增長7.3%，連續(xù)第4年創(chuàng)新高。相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備供應(yīng)商有達(dá)涅利、意大利Tenova。雙方共同設(shè)計(jì)和建造了天然氣基的直接還原工廠。
不過，“綠色氫”不是免費(fèi)的午餐，氫冶煉的成本肯定會高于傳統(tǒng)工藝。在冶金技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的同時(shí)，為了支撐氣候目標(biāo)的達(dá)成并保護(hù)其鋼鐵行業(yè)，歐盟很可能于2021年~2022年左右實(shí)施碳邊境稅。習(xí)近平主席今年9月份宣布，爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在實(shí)現(xiàn)碳中和的歷史大背景下，中國鋼鐵行業(yè)也正面臨挑戰(zhàn)和機(jī)遇，要力爭在新的一輪冶金技術(shù)革命中占領(lǐng)先機(jī)，形成差異化優(yōu)勢，并通過領(lǐng)先的技術(shù)突破貿(mào)易壁壘。
《中國冶金報(bào)》（2020年12月04日 02版二版）
