劉獻東
在對歐洲鋼鐵工業聯盟（Eurofer，簡稱歐鋼聯）“智能碳使用”和“碳直接避免”技術路線的重點項目、歐盟氫冶金發展進程中有重大影響的政策、歐鋼聯碳減排政策框架等內容進行介紹及解讀后，本期《觀海聽潮》圍繞歐洲低碳煉鋼發展過程中，產業鏈上的共性技術難題及鋼企的相關探索展開論述。
短中長期階段亟待突破的關鍵技術
為實現歐盟“碳中和大陸”的目標，各種政策密集出臺，歐洲主要鋼企均提出了目標和行動計劃。目前正在研發或已達到商業成熟級別的主要技術有：瑞典鋼鐵（SSAB）的HYBRIT技術（突破性氫能煉鐵技術）、塔塔鋼鐵的Hlsarna技術（直接利用煤粉和粉礦的熔融還原技術）、奧鋼聯的HYFOR技術（氫基粉礦還原技術）和H2FUTURE項目（用可再生能源發電以制造“綠色氫”）、安賽樂米塔爾的智能碳和直接還原鐵（DRI）技術、意大利Tenova（特諾恩集團）的HYL/ENERGIRON-ZR直接還原鐵技術、蒂森克虜伯的Carbon2Chem碳捕捉技術。此外，歐盟正在推進的項目還有IGAR、PEM和STEPWISE、Steelanol、FReSMe、Everest（碳捕集、存儲項目）等。
上述這些技術，可分為兩個主要的技術路線，即“智能碳使用”和“碳直接避免”。歐洲鋼鐵業普遍認為，這兩條技術路線最終都能實現碳中和的目標，而采用“碳直接避免”的技術路線，碳減排的效率是“智能碳使用”技術路線的4倍。如果用“綠色氫”替代碳進行直接還原，可實現近乎100%的碳減排。考慮到轉型期間的成本問題，在2030年前，“碳直接避免”很難完全達到商業化運營條件，而“智能碳使用”則會在2030年前發揮效果，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。
這些技術突破的進展狀態差異較大。基于兩條技術路線，根據商業化成熟度的3個階段（即短中期、中期、長期階段），再結合“碳基冶金”“電力基冶金”“氫基冶金”三元維度，可將這些技術歸納如下：
在短中期階段，需要突破的關鍵技術可分為以下4個方面：
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、利用現有鋼鐵廠氣體熔煉廢鋼等技術。
二是“碳直接避免”方向，包括氫基直接還原+電弧爐技術。
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，利用殘渣進行礦物碳化等。
四是輔助工藝方向，包括堿性水電解（AEL）、質子交換膜電解（PEMEL）、吸附強化水煤氣變換（SEWGS）等制氫技術和真空變壓吸附、胺洗滌、甲醇洗滌、低溫分離等碳捕捉技術。
短中期階段的商業化成熟目標是：到2030年，二氧化碳減排目標為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—轉爐的傳統工藝；從傳統高爐冶煉方案切換到各種改進型的高爐冶煉方案；用生物質燃料替代部分高爐噴煤。到2030年，78%的高爐—轉爐工藝將轉型為新的技術。
在中期階段，需要突破的關鍵技術可分為以下4個方面：
一是“碳直接避免”方向，包括電解沉積（堿性溶液）技術。
二是PI過程集成方向，包括先進煤基熔融還原技術。
三是碳捕集與利用方向，包括微藻技術、直接礦物碳化（原生礦物）技術、單級二甲醚合成技術、氫強化甲烷合成技術、環狀碳酸鹽合成技術、RWGS-干法重整技術等。
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化（焦炭床反應器）等制氫技術和利用固體吸附劑的碳捕捉技術。
中期階段的商業化成熟目標是：用天然氣或氫基DR-EAF裝置進一步替代部分高爐—轉爐裝置，逐步提高直接還原工藝的氫含量，進一步利用生物質燃料和碳捕獲、利用與封存技術。
在長期階段，需要突破的關鍵技術可分為以下3個方面：
一是“碳直接避免”方向，包括氫等離子體熔融還原技術、氧化鐵熔融電解/熱電解技術。
二是碳捕集與利用方向，包括不同生物發酵工藝、二氧化碳電解與生物反應器（人工光合作用）組合、電化學二氧化碳還原/轉化、光化學二氧化碳還原等技術。
三是輔助工藝方向，包括太陽能光催化分解水技術。
長期階段的商業化成熟目標實現后，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，歐洲各鋼廠分別制訂了自己的計劃時間表。目前公開發布的信息有：
瑞典鋼鐵：2020年8月31日，HYBRIT中試工廠投運；2025年，建立一個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年完全實現無化石鋼鐵制造。
奧鋼聯：2019年11月，H2FUTURE“綠色氫”中試工廠投運；2020年底，HYFOR中試機組投運。
安賽樂米塔爾：2020年，SIDERWIN直接電解鐵礦石中試線投產；氫基DRI示范工廠正處于設計和融資階段，最初年產能為10萬噸海綿鐵；2022年，Carbalyst?（Steelanol）示范工廠投運，用高爐廢氣制造生物乙醇；2021年，3D（DMXTM）示范工廠投運，為碳捕獲試點項目。
塔塔鋼鐵：2018年，HIsarna開始工業試驗；2027年，Athos項目實現碳減排100萬噸，將排放氣體加工成化工原料；2030年，Everest項目（碳捕集、存儲項目）實現碳減排300萬噸；2030年，在荷蘭建立年產100萬噸~150萬噸的工業級示范線。
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；2022年，氫氣試驗擴大到所有28個風口；2025年，第一座DRI（直接還原鐵）工廠投運，年產能40萬噸；2030年，氫基DRI年產能增加至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，風力發電廠投運；2020年底開始推出綠色鋼鐵產品；2021年3月，氫基DRI200萬噸示范線完成可行性論證。
在上述關鍵技術實現突破的同時，工藝路線也將完成重大轉型。隨著氫基冶金技術的成熟、“綠色氫”成本的降低、資源保證能力的提高，歐盟鋼鐵行業將逐步從傳統的碳基冶煉工藝路線、廢鋼電弧爐工藝，經由碳基直接還原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型。
要實現碳中和的最終目標，除了冶金技術本身的突破外，還要關注循環經濟的創新，主要包括以下5個方面：
一是回收和再利用。將鋼鐵冶煉過程中的廢棄物和副產品作為其他有價值產品的原料。
二是壽命延長。延長產品和資產的壽命，加強維護、升級和維修，以及逆向物流、產品回收和再制造。
三是共享和服務模式。通過“使用付費模式”提供服務，并利用共享和租賃平臺最大限度地利用產品和資產。
四是循環設計。在設計產品時，盡可能地選擇低碳材料，并在整個生命周期中盡量減少資源使用。
五是數字平臺。通過將物理服務與在線服務進行整合，實現非物質化，并通過物聯網優化最大化地使用資源。
歐盟鋼企的“氫延伸”
實現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”產業鏈的發展關乎到歐盟鋼鐵行業能否在2050年實現碳中和目標。歐盟委員會設定的目標是到2024年將綠色制氫設施電解槽產能擴大到6000兆瓦，可生產100萬立方米“綠色氫”；到2030年電解槽產能達到40000兆瓦，可生產1000萬立方米“綠色氫”。目前世界主要地區已明確計劃的電解法制造氫的項目，歐洲占的比例最大。“綠色氫”的主要應用領域包括工業制造、車輛運輸和電力行業，到2050年工業用“綠色氫”電解槽產能將達到80萬兆瓦左右，車輛運輸行業在70萬兆瓦左右，電力能源行業在50萬兆瓦左右。氫氣采用管網方式傳輸具備優勢，每傳輸1千瓦/1000公里，以管網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進步的同時，也在向“綠色氫”制造產業鏈拓展。比如，薩爾茨吉特鋼鐵公司建設風電和氫氣電解工廠，并配備2.2兆瓦的質子交換膜（PEM）電解裝置（西門子天然氣電力公司制造）； 蒂森克虜伯擴大電解制氫產能；奧鋼聯全球最大的電解槽投入運行，其在Linz（奧地利林茨）鋼廠的大型PEM電解系統，容量為6兆瓦，可生產1200立方米的“綠色氫”；塔塔鋼鐵正在荷蘭阿姆斯特丹港推進H2ermes項目，預計氫產能在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產量超過1.08億噸，較2018年增長7.3%，連續第4年創新高。相關的技術和設備供應商有達涅利、意大利Tenova。雙方共同設計和建造了天然氣基的直接還原工廠。
不過，“綠色氫”不是免費的午餐，氫冶煉的成本肯定會高于傳統工藝。在冶金技術實現突破的同時，為了支撐氣候目標的達成并保護其鋼鐵行業，歐盟很可能于2021年~2022年左右實施碳邊境稅。習近平主席今年9月份宣布，爭取在2060年前實現碳中和。在實現碳中和的歷史大背景下，中國鋼鐵行業也正面臨挑戰和機遇，要力爭在新的一輪冶金技術革命中占領先機，形成差異化優勢，并通過領先的技術突破貿易壁壘。
《中國冶金報》（2020年12月04日 02版二版）
