绿色钢铁技术与实践
钢铁工业是实现全球绿色低碳发展的重要领域。全球钢铁行业正在积极探索绿色发展的颠覆性、变革性技术，绿色钢铁正在从理念转化为行动、从愿景转变为现实。值钢铁行业脱碳行动全面加速，绿色钢铁行动迅速展开之际，世界金属导报特推出“绿色钢铁技术与实践专题”，旨在厘清绿色钢铁定义、绿色市场的适用群体，探讨全球钢铁工业实现气候中和生产路径的最佳实践，分析国内外氢冶金的研究和应用现状，阐述推进钢铁绿色生产的标准化引领作用等。
为了实现无二氧化碳排放的钢铁生产，从炼焦煤向绿氢和可再生能源发电转型是方向之一。截至目前，全球首批钢铁企业已经提出了实现碳中和的路径和方法。
萨尔茨吉特与Energiron合作的碳中和钢铁生产概念
Energiron工艺是一种由冶金设备制造商特诺恩和达涅利联合开发的直接还原技术，而德国萨尔茨吉特钢铁公司是欧洲第一家采用氢基还原铁技术的钢铁公司，在2022年3月的意向书中，该公司宣布打算建设一座产能为210万吨/年的直接还原铁厂，进行直接还原铁的工业生产。
名义产能250吨/小时的直接还原铁厂使用氢气和天然气，由此证实了Energiron技术可以灵活利用包括纯氢在内的各种还原剂。另据萨尔茨吉特透露，该厂是全球首座在长流程综合性钢厂中使用氢气和天然气的直接还原工厂。生产的直接还原铁既可用于高炉工艺节省喷吹煤，也可用于德国派尼（Peine）工厂的电弧炉。在SALCOS® （萨尔茨吉特低二氧化碳炼钢）项目中，这家德国第三大钢铁生产商正在分步骤将钢铁生产从高炉炼铁转向直接还原。第一步，2025年将二氧化碳排放减少30%；第二步，2030年将二氧化碳排放减少50%；到2045年至少减少95%的二氧化碳排放。首先，通过天然气进行直接还原，在不久的将来，也将采用内部风力发电（绿电）制造的绿氢。为了在2045年完成转型，将利用绿氢直接还原工厂和以绿色电力为动力的电工钢厂进行钢铁生产。
总体概念包括：利用风能生产绿色电力，以及利用风电通过电解技术生产绿氢。为了确保绿色电力供应，萨尔茨吉特正在与当地能源供应商Avacon合作，在公司办公场所建立一个风力发电场，其中包括7台风力涡轮机和一台OEM电解槽，这是有史以来第一次实现再生发电、制氢和工业用户之间的工业部门耦合。
除了PEM电解法（质子交换膜）外，萨尔茨吉特也非常关注德国某初创企业的高温电解法（HTE）制氢技术。在钢铁工业等许多行业中，大部分余热，特别是温度在150-250℃之间的低热量并没有被利用，而是以蒸汽的形式排放到大气中。该初创公司的新型高温电解槽利用余热，并借助绿色电力制氢，其效率是以前从未达到的。以固体氧化物电解槽（SOEC）为基础的高温电解法，以蒸汽形式的工业余热提供了大量的能量输入，其电效率可达82%以上，而传统的电解法必须使用更耗能的液态水，故而很难达到60%的电效率。
到2022年底，该电解槽运行1.3万小时，并生产超过100吨绿氢。以这种方式生产的氢气最初用于钢材退火，将作为氢基钢铁生产路线图上的一个重要里程碑。
萨尔茨吉特已经开始生产绿色钢材，并与宝马集团达成协议，供应低二氧化碳钢材。从2026年起，这种钢材将应用于宝马集团欧洲工厂汽车的批量生产。
蒂森克虏伯在现有设备上实施新工艺
从炼焦煤向氢气冶金转型是一项艰巨的任务。以德国蒂森克虏伯为例，这一挑战的严重性也是显而易见的。该公司杜伊斯堡工厂是欧洲最大的钢铁厂，二氧化碳排放量占德国排放总量的2.5%。在鲁尔地区，蒂森克虏伯的温室气体排放就占到了排放总量的四分之一。蒂森克虏伯将可再生能源和绿氢取代煤炭视为解决方案。蒂森克虏伯钢铁欧洲公司表示，最大的技术挑战在于将直接还原铁真正整合到工厂下游工序中。与其他钢铁生产商不同，蒂森克虏伯并不打算在新建的电弧炉中熔炼直接还原铁工厂生产的固体海绵铁，而是在现有转炉设施中进行熔化。这种约500℃的热固态海绵铁并不是要首先冷却，而是在一座创新的利用电能的熔炼单元（SAF）熔化直接还原铁生产铁水。随后可以像传统的高炉生铁一样，通过加入废钢和添加剂，在钢厂的转炉中将熔化的生铁转化为钢水。改变的是生铁产量，而工厂的下游部分保持不变。只需将高炉更换为带有熔炉的直接还原工厂，而其余的钢厂在设备方面保持不变。最大的好处是炼钢配比不需要改变。当转换到电弧炉时，2500种钢种的配比必须进行调整，就像从烧木头的炉子切换为厨房的电磁炉。到2030年，蒂森克虏伯希望将二氧化碳排放量减少30%，削减约600万吨，这相当于300万辆内燃机汽车被电动汽车取代。
蒂森克虏伯杜伊斯堡工厂是一家工艺集成、能源自给自足的冶金工厂。来自高炉的炉顶煤气用于内部发电，满足了约三分之二的内部需求。现场产生的工艺热量还为杜伊斯堡地区的2万户家庭提供远程供暖。氢气直接还原产生的是蒸汽，而不是无法转化为电能的炉顶煤气。在转换为直接还原工艺后，今后每年将需要购买50太瓦时电力，相当于40%的德国家庭的电力需求。同时还需要大量的绿氢，在杜伊斯堡工厂，所需绿氢数量相当于每小时两次填充奥伯豪森煤气储气罐的量，该煤气储气罐高115.5m，直径67.6m，曾经是欧洲最大的煤气储气罐。
SSAB生产全球首批碳中和钢材
钢铁生产的脱碳也是亟待解决的一个问题。2021年8月，瑞典钢铁公司（SSAB）宣布，作为Hybrit项目的一部分，该公司在一个中试工厂生产了全球首批二氧化碳中和钢材，并已向汽车制造商沃尔沃交付了第一批试制钢板。Hybrit是SSAB与铁矿石球团生产商LKAB和能源供应商Vtenfall建立的第一个瑞典合资项目。到2026年，SSAB希望以商业规模向市场供应碳中和钢材。届时，SSAB位于乌克瑟勒松德（Oxelosund）的高炉工艺路线有望改为Hybrit工艺，使用绿色氢气进行直接还原生产海绵铁，以及使用电弧炉熔融直接还原铁。
SSAB已经与梅赛德斯-奔驰公司达成协议，尽早将碳中和钢材引入汽车生产。“无化石”钢制车身的首批原型部件计划于2023年推出；2039年，梅赛德斯-奔驰的新型乘用车系列有望在整个价值链上实现碳中和。
此外，瑞典H2 Green Steel公司正在瑞典北部博登建设一个无二氧化碳排放的钢铁生产新项目。规划中的电工钢厂不仅包括一个直接还原工厂，还包括将整合到短流程钢厂的绿氢生产。现场的建设工作计划于2024年开始，从2030年开始，该钢厂每年将生产500万吨钢材，其中包括汽车板。
奥钢联开发使用绿电的电弧炉混合技术
在奥地利，奥钢联集团通过启动greentec钢铁项目，确定了从煤基高炉技术向绿色电力电弧炉技术的转变。通过使用电弧炉混合技术，到2030年，第一步将减少二氧化碳排放约30%。这相当于每年减排二氧化碳300万-400万吨，几乎占奥地利每年二氧化碳排放总量的5%。为了实现到2050年实现碳中和生产的目标，该公司希望逐步增加绿色电力和氢气的使用，届时在钢铁生产过程中使用碳中和的预制海绵铁。就在2022年夏天，奥钢联林茨工厂和多纳维茨的工厂开始了基础设施改造，2027年初，林茨工厂和多纳维茨工厂将各有一座电弧炉投产。为了生产绿氢，该公司已经在林茨工厂安装了世界上最大的PEM制氢中试工厂。来自水力发电的绿色电力则是由德国能源供应商网络所提供。除此之外，奥钢联还拥有绿氢和沼气直接还原生产海绵铁（DRI或HBI）的专利。生物碳有助于海绵铁的渗碳，便于在电弧炉中高效熔化。
早在2021年4月，奥钢联开发的一家中试工厂已经在多纳维茨地区投产，该厂采用氢基粉矿还原。该工厂采用了世界上第一个直接还原铁精矿的工艺，而不需要任何烧结或造球等压块工序。这种工艺被称为HYFOR（氢基粉矿还原），如图4所示，是世界上唯一的、100%粒径小于0.15mm的铁精矿处理工艺，同时适用于各种矿石，如赤铁矿和磁铁矿。
萨尔钢铁在法国创建氢直接还原工厂
在法国敦刻尔克，钢铁企业Liberty Steel和萨尔钢铁控股公司（SHS）计划与某工程技术公司合作建立一个氢基钢铁联合工厂。意向书的重点是在铝生产商Alvance的厂址附近开发一座基于某初创公司技术的、1吉瓦级氢气工厂，以及一座200万吨的直接还原铁工厂。Alvance为GFG联盟旗下公司。通过在法国海岸地区选址，除了风力发电外，还可以永久使用低成本的核电资源。
直接还原铁工厂最初将使用氢气和天然气的混合物作为还原剂来生产直接还原铁和热压块铁（HBI），在电解技术完成后改用100%氢气。生产的DRI/HBI将主要用于法国Liberty Ascoval的电弧炉。剩余产量将用于Liberty位于捷克奥斯特拉瓦和罗马尼亚加拉蒂的联合钢铁厂，以及德国的SHS、迪林根和萨尔钢铁公司。
钢铁生产电气化势不可挡
德国马克斯·普朗克钢铁研究所的迪尔克·拉贝等专家认为，气候中性大背景下，电冶金具有更大的发展潜力。今后用绿色电力直接电解铁矿石可以替代使用氢气生产生铁——类似于原铝的生产。一直以来，铝就是用电能生产的，而当今的部分电力已经来自于水电等可再生能源。在熔体流动和/或铝电解中，轻金属是从氧化铝中生产的，而氧化铝以往则是从氧化铝和铝矾土中获得的。
波士顿金属公司熔融电解工艺生产无碳排放钢材
在美国波士顿金属公司（Boston Metal），相关人士认为，铁矿石的电解法很快就会走向市场并成熟应用。科研人员希望通过熔融氧化物电解（MOE）工艺（如图5所示）来优化无二氧化碳钢材生产。
MOE工艺省略了铁矿石还原的、绿氢制备的中间步骤，利用直流电在大约1600℃的条件下通过一步法从铁矿石中分离出氧气。在熔融氧化物电解法过程中，MOE槽中装满了铁矿石和液体电解液。将惰性金属阳极浸入这种含铁矿石混合物中，引入直流电使铁矿石熔化。另据波士顿金属公司介绍，可以生成一种清洁、高纯度的钢水，进而直接装入钢包进行精炼。波士顿金属公司希望最早在2023年开始在中试工厂生产铁合金，最迟在2025年建成一个钢铁生产示范工厂。在21世纪下半叶，有望启动商业钢铁生产。
归功于高效无二氧化碳钢材生产的愿景，波士顿金属公司成功赢得了众多投资者的支持，其中还包括德国宝马集团。宝马希望在未来使用低碳或零碳钢进行汽车制造。
