降低碳排放的关键：“绿化”钢铁业

在近几年呼声愈来愈强的气候变化议题之下，为每年全球温室气体排放“贡献”8%的钢铁业成为众矢之的。
随着中国于2020年9月宣布“力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和”，乃至美国总统拜登（Joe Biden）在刚结束的气候峰会上宣布在2030年前将美国的碳排放量从2005年的水平减少50%至52%——全球碳排最高的两国在落实目标的过程中都将面对着一个共同的问题：如何“绿化”传统钢铁工业？

2020年12月31日，中国工业和信息化部发布一份钢铁行业发展规划的纲领性文件，将行业碳减排放到了前所未有的高度，原因很明显——中国钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量15%左右，是碳排放量最高的制造业行业。而在美国，钢铁制造业以24%的占比位列所有工业行业碳排放量的第二，仅次于水泥制造业。 拜登的气候政策更是指明要为钢铁制造过程中的工业高温工序减碳。

所幸，为传统钢铁业减排的宏愿不需要从零开始。近几年来行业已经提供了多个可行的方案，但各有其挑战和局限性。

由于钢铁冶炼的过程相当于将铁矿石当中的氧气成分去除，从而获得生铁，传统上用碳元素进行的脱氧作用本身就会产生大量温室气体。此外，传统的高炉冶炼需要产生近1,400摄氏度的高温才能使铁矿石熔成液态，需要大量的焦炭、油或者天然气等燃料加温，再加上传统冶炼的高炉一旦点火后就不能轻易停止执行，因此能源效率极低。从能源、加工原料以及生产方式等三方面“减碳”成为产业要攻克的主要难关。

来自波士顿的新炼钢法

在美国波士顿（Boston）的近郊，从麻州理工学院（MIT）分离而成的波士顿金属公司（Boston Metal）已经在利用其研发的电解技术冶炼钢铁——用公司行政总裁Tadeu Carneiro的话说，这是一项“推动冶金新时代”的技术。

与传统高炉冶炼不同，波士顿金属公司研发的这项技术利用使用电流对铁矿石进行加热、熔化，电流从一个叫做“电解质单元”的金属圆缸顶部注入，在一个烟囱状的铬合金管道传导，然后进入氧化铁和其他金属矿物质组成的溶液，在这里实现氧原子的分离及液态铁的生成。最终液态铁在圆缸底部沉淀，固化成钢。整个反应过程只会排出氧气，而不产生温室气体，且一旦使用可再生能源进行发电，生产流程甚至能实现完全零排放。

今年一月，公司成功获得了盖茨（Bill Gates）名下的突破能源基金投资公司（Breakthrough Energy Ventures, BEV）、以及世界最大的综合矿业公司必和必拓（BHP）等投资者的青睐，融得五千万美元的资金用于将该技术“搬出实验室”，在工厂实现规模化生产。

但要实现“零排放”的最终目标，工厂必须有类似水力发电厂一样廉价的可再生电力供应，只有这样，其生产成本才会低于传统高炉冶炼、从而走向商业化。不过，即便没有这样的条件，该技术依然可以将传统的冶炼能耗降低20%。

钢铁废料循环再用？

用电而非传统燃料高温炼铁的方法并非波士顿金属公司的首创，一种叫做“电弧炉炼钢”的技术早就已经应用于实际生产当中。

这种方法利用电流通过某些绝缘体时产生的能量加热原料，且有别于一般利用从地底开垦出来的矿石冶炼，该技术以废钢为主要原料，促进了资源的回收利用。

目前全球的钢铁制造业已有近30%为电弧炉炼钢，是传统高炉炼钢以外普及最广的炼钢技术。然而，由于熔铁所耗的电能量庞大，而目前大多数炼钢厂仍然在使用燃煤发电厂的能源，因此实际碳排放量仍然很高。

氢能炼钢

另一种为业界瞩目的、号称能实现“零排放”的技术为氢能炼钢。近年来，欧洲各国、日本和中国等地的企业都在进行该领域的尝试，瑞典政府更是在2016年成立HYBRIT（HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology，意味突破性氢能炼铁技术）项目，意图在20年内实现钢铁行业完全脱离对化石能源的依赖。

这种技术采用氢气作为焦炭和天然气替代品，将氧化铁当中的氧份分离出来，基本消除了炼钢过程中的绝大部分碳排放。

不过，能源成本的问题还是限制了其应用。如今，氢气的制造依然仍然依赖更加廉价的、以天然气为原料的生产方式，碍于电价成本之高（占制氢总成本的一半以上），电解水制氢未能大规模运用。此外，有别于容易运输的石油气等传统燃料，氢气运输难度大、储氢装置成本高昂，进一步限制了氢能炼钢的应用和推广。

不过，这些现实困难或许会在不远的将来得到解决。彭博新能源（BNEF）在去年发布的《氢能经济展望》报告中指出，2050年前，全球大部分地区的可再生能源制氢成本可以降至每千克0.8美元- 1.6美元。BNEF工业脱碳研究负责人、报告的第一作者Kobad Bhavnagri认为氢气是最有希望成为推动清洁经济发展的燃料，未来，人们将可以利用风能和太阳能以很低的成本生产氢气，并将生产的氢气在地下储存数月，在需要的时候通过管道将其输送到各种场景。

尽管越来越多的产业正在尝试用其他更轻、更“绿色”的材料（如铝、塑胶等）替代钢铁，但在短期的未来，钢铁仍在建筑、制造业等各个生产领域占据重要地位。而在全球各地为钢铁业减碳的呼声和行动下，这个旧工业时代的遗产似乎有了实现“自我净化”的希望。

以中国为例，2019年9月，中国15家大型钢铁企业联合签署并共同释出《中国钢铁企业绿色发展宣言》，明确要通过各类新兴技术完成低碳转型，譬如对碳排放的封存（CCS）和利用（CCU），改进钢铁终端产品的设计和使用以提高使用效率，促进钢铁工厂与相关绿色生态链的衔接等等。

如今有了欧美、亚洲各国政府的政策配合，尤其是近几个月，世界排名前三的钢铁制造企业，包括欧洲最大的制钢企业安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）、中国的宝武钢铁集团以及日本制铁公司（Nippon Steel）的均配合政府的减碳要求设定目标，在氢气、核能等多种领域探索、尝试。将钢铁业碳排降至零似乎不再是遥不可及的梦想。