脱碳钢：端到端亚博ag旗舰厅的解决方案
来源： 世界钢铁协会 发布时间：2022-06-15
钢铁制造可能难以减弱，但行业内出现了重新思考整个价值链并永久消除碳排放的新勇气。
据世界钢铁协会（worldsteel）负责人埃德温·巴森（edwin basson）介绍，最近在通往钢厂的路上发生了三件事，加速了该行业的脱碳能力。可能还需要 20 到 30 年的时间投资于创新的新工艺，以及普遍可用的绿色氢，以及大量的碳捕获和储存才能达到净零，但铁门已经被广泛地投入到新的可能性中的事件。
edwin basson，总干事 - 世界钢铁协会
第一，2020年中国国家主席习新平承诺，作为全球产量57%的全球最大钢铁生产国（当年中国是第一个达到10亿吨以上产量）的钢铁生产国，到2060年实现碳中和，而且不会增加到 2030年 co 2 排放量下降。basson 说，世界上许多钢铁制造商一直在等待中国采取行动——中国政策的决定性进展标志着一场重新思考竞赛的开始。
巴森表示，除了中国的先发枪，美国政权在两年前转向更加全球参与的领导层，重点关注脱碳，“发生了近 180 度的转变”，钢铁制造行业决心超越生产效率，解决难以减少的矿石精炼过程及其能源，重要的是，如何使用、再利用和回收钢铁。
新一波行业进步的 ceo 是 basson 引用的第三个因素，这些因素促成了钢铁态度的转变，这种态度以前专注于从具有 300 年历史的炼钢过程中榨取所有能源和材料节约——以受益资产负债表和减少碳排放方面。世界钢铁协会表示，自 1960 年代以来，该行业的节能措施已将能源消耗减少了约 60%，有助于“显着降低 co 2强度”。
修改后的方法？basson 说，这是因为“意识到作为一个全球社会，我们不能继续排放我们仍在排放的 co 2量”。调整现有的高炉技术不再能够实现拯救地球所需的碳减排量的巨大飞跃。
机会的温床
钢铁行业贡献了全球约 8% 的碳排放，并且很大程度上 (73%) 依赖高炉和碱性氧气炉 (bof) 技术从构成铁矿石的氧化铁中分离出氧气并生产出坚固的永久性材料被称为钢。
炼钢涉及多种极端高温的应用。其中，在没有氧气的情况下将煤加热到 1000 摄氏度左右以驱除杂质，从而产生更强的产品“焦炭”。冷却后的焦炭含有 90-93% 的碳，与铁矿石和石灰石一起被送入高炉工艺；加热到 1000-1200 摄氏度的空气被吹入熔炉，引发一系列化学反应，最终产生生铁和 co 2。
生铁仍然保留约 4% 的碳，这使得它对于大多数应用来说太脆了，而 bof 用于进一步降低这种浓度和其他杂质，以生产碳含量在约 0.02-2.1% 范围内的钢bof、生铁、废金属（约 15-20%）和生石灰（称为助熔剂）被加热，纯氧通过水冷喷枪“吹”入混合物中，氧化高温中的碳和硅铁并释放出更多的热量，从而熔化废料。将所得钢的熔体倒入钢包中，并可能继续进行进一步的加热精炼过程，以满足客户的要求。
难怪巴森说该行业面临的脱碳最大挑战是“我们从哪里获得能源？” 他说，目前，煤炭不仅是该工艺各个阶段的主要热源，而且“为我们提供了从铁矿石中的氧化状态中提取铁的化学反应基础”—— 和这就是难以减轻的定义。用铁矿石炼钢目前依靠碳来驱动反应；其副产物是co2 。
如今，每生产一吨钢平均会排放 1.8 吨 co 2。“根据世界钢铁协会的评估，”basson 说，“我们认为，即使使用新技术，该行业在未来几十年内能达到的最佳水平”仍在开发中并有待升级，即每吨排放0.3 吨或 300 公斤 co 2钢铁——因此碳捕获和储存的作用。
释放创新
巴森在担任世界钢铁协会负责人近 11 年之前，曾在世界上最大的矿工（铁矿石和冶金煤）和钢铁生产商之一的安赛乐米塔尔担任行政职务，他说他很自豪看到该行业新的“愿意尝试”采用新技术”。他说，这几乎就像是中国/美国/ceo的因素“在行业内掀起了新一轮的实验自由浪潮”。
国际能源署 (iea) 于 2020 年 10 月发布的一份报告《钢铁技术路线图》详细介绍了该行业面临的挑战和可能性，并得到了世界钢铁协会的重要贡献。它指出，“占全球钢铁产量约三分之一的钢铁公司和地区钢铁协会已经设定了到 2050 年或更早实现净零排放的目标”，并且“这些目标大部分是在过去三年中设定的。 ”
单独的跟踪报告还明确指出，钢铁行业“未走上正轨”，无法根据《巴黎气候协定》实现减排，以防止全球变暖与工业化前水平相比超过 1.5-2 摄氏度。
要求：更多政策，更多试点！
因此，它呼吁从各个角度解决减排问题，政府制定政策鼓励研究和开发新工艺。例如，在印度这个世界第二大钢铁生产国，2021 年的产量将达到 1.18 亿吨，政府的绩效、成就和贸易 (pat) 计划鼓励行业追求能源效率，从而减少排放。
在欧洲，政府机构和基金支持几个具体项目，例如正在法国马济耶尔开发新矿石精炼工艺的siderwin 。自 2017 年以来，欧盟的 horizon 2020 计划资助了由安赛乐米塔尔协调的 12 个欧洲亚博ag旗舰厅的合作伙伴，以扩大在 2000 年代初以实验室规模开发的工艺，该工艺将铁矿石浸入电解槽中——无炼焦煤，无碳排放，只是来自未来可再生能源电网的电力——从原材料中提取氧气来生产铁金属。在这种情况下，添加碳以调整金属等级将在该过程产生的铁的熔化过程中进行，以形成符合客户规格的钢。
设计重用，而不是回收
在供应链的下游，也可以通过改善可回收材料回收的举措来缓和需求。basson 说，世界必须开始在主要行业中以不同的方式使用钢材，以便可以重复使用而不会产生熔化、重塑和加工的能源负荷。
世界钢铁协会的目标是进行高质量的研究，从而在整个价值链中实现钢铁的脱碳，其战略之一是与使用大量钢铁的行业合作，以减少未来对该材料的需求。basson 表示，汽车行业目前向生产电动汽车 (ev) 的转变提供了一个机会。“我们正在对钢材在新汽车环境中的使用方式进行重大重新设计，因为电动汽车的重量分布与内燃机汽车的重量分布非常不同，这使得对钢材的要求也大不相同。” 现在是设计可在汽车行业重复使用的新型钢部件的正确时机。
basson 认为，在石油和天然气等大型钢铁消费行业中，还必须“有机会以现有形状或形式再利用钢铁以供未来安装，而无需重新熔化和返工”。公司还可以将他们的工程专业知识应用于设计钢铁基础设施或产品组件，以便于回收和重新应用。
同时，basson 说，该行业需要研究如何用规格标注当今的钢材，以便在回收时，例如从建筑工地回收，可以放心地重新定向和重复使用。
电弧是有限制的
在不可能直接再利用的地方，钢铁可以无休止地回收利用。用铁矿石生产钢铁的 bf-bof 方法的替代方法是电弧炉 (eaf) 技术，该技术已用于生产全球约 30% 的钢铁。电弧炉在阴极和阳极之间使用大功率电弧，将废金属和铁与净化添加剂一起熔化，从而生产出新钢。
更多地使用 eaf 将在钢铁行业脱碳方面发挥重要作用，但 basson 表示，目前它有两个局限性。首先，它需要高、持续的电力供应[1] ——而且由于全球大部分电力供应仍然是煤炭或天然气，因此化石燃料能源发电产生的碳排放必须计入钢铁生产。可再生能源必须在电网中变得更加突出和可靠——以电池或氢的形式储存——以使包括炼钢在内的高能工业过程的电气化更加清洁。
此外，废钢供应可能仅够满足未来需求的 40-45%。basson 解释说：“中国目前的废钢生产来自 1980 年代使用的钢材。1980 年，中国每年使用约 5 亿吨钢材，现在使用量接近 10 亿吨，我们最好的估计是，废钢的供需缺口预计至少会持续到 2070 年。”
氢助矿石还原之路
另一个在短期内降低炼钢排放的有希望的途径是增加气基直接还原铁 (dri) 的产量，目前仅占钢铁产量的 5%。直接还原过程从固态铁矿石中去除氧气——使用重整天然气或合成气中的一氧化碳和氢气与铁矿石中的氧气结合——无需在高炉中熔化。尽管天然气和合成气目前是基于化石燃料的，但基于天然气的过程的排放量低于基于煤的过程。现在配置为使用气体的系统将更容易过渡到使用绿色氢气，因为这种零排放气体变得更容易获得。
“我们确信氢气是减少炼钢过程中co 2排放的亚博ag旗舰厅的解决方案的一部分，”basson 说。“它可以代替煤还原铁，基本上只产生水蒸气作为副产品”。他补充说，正在评估许多以具有成本效益的方式向该行业提供绿色氢的方法。例如，一种供应链途径是在澳大利亚等阳光充足的国家利用太阳能生产氢气，并将其加工成氨，这种氨比氢气更容易、更安全地运送到用户目的地。另一种可能性是直接在源头或矿山生产 dri，从而避免氢气的运输。
hybrit是政府支持的将氢气整合到炼钢过程中的私营企业项目的一个参考案例。. 铁矿石开采商 lkab、全球钢铁制造商 ssab 和能源供应商 vattenfall 之间的合作，在瑞典能源署的支持下，今年还得到了欧盟创新基金的支持，旨在展示世界上第一个完全无化石燃料的铁价值链和钢铁生产。hybrit 于 2021 年 8 月通过使用绿色氢气直接还原生产了其首个无化石钢。最初的天然气供应来自一个试点规模的绿色氢气储存设施，但该财团现在几乎完成了一个衬砌岩洞的准备工作，该岩洞可以储存大约 100 吉瓦时的可再生氢（足以供应一个全尺寸的钢厂三到四天），主要由该地区风电场的多余发电量提供动力。
世界钢铁协会研究、信息传播和成员支持的优先事项之一是确保任何新的炼钢基础设施都按照最新的已知最佳实践进行建设，并尽可能降低碳足迹。basson 说，“关键是要确保新产能集中在减少 co 2上。”
最终，他总结说，新的综合亚博ag旗舰厅的解决方案将来自全球的共同努力，因为“没有一个国家对技术或供应链有充分的了解。因此，我们将不得不在未来几年继续以不违反反垄断考虑的方式分享经验和信息。” 世界钢铁协会每年都会为此举办一次公开论坛。它将行业参与者聚集在一起，努力分享他们所知道的哪些方面，也许更重要的是“行业仍然需要学习什么以填补空白”，以将清洁钢铁推向市场并帮助客户明智地应用它。
尽管许多机会都处于起步阶段，但 basson 说：“这非常令人兴奋。人们使用和依赖钢铁的方式有很多种，我们所做的一切都将无处不在。我们必须努力抓住最大的机会，其中许多最终与炼钢的关系不如钢铁的使用。” 现在进行低排放生产将使这种多功能材料在未来得到可持续的再利用。
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