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钢铁如何最终摆脱煤炭习惯

时间:2021-11-05 17:37:38  来源:

随着越来越多的公用事业和公司投资于可再生能源,煤炭对全球电力行业的控制正在放松。但一个主要的煤炭消费者——钢铁行业——发现改掉这个习惯越来越难。

钢铁企业每年为桥梁、建筑、铁路和道路制造近20亿吨高强度材料。熔化铁矿石以炼钢的熔炉消耗大量煤炭。因此,该行业约占每年二氧化碳排放量的8%,以及有毒的空气污染物汤。

世界各地的钢铁制造商正面临来自政府监管机构和消费者的越来越大的压力,要求其对运营进行脱碳。专家说,这样做对于将全球变暖限制在 1.5 摄氏度并避免气候变化的大部分最坏影响至关重要。近几个月来,世界三大生产商——欧洲的安赛乐米塔尔、中国的宝武钢铁和日本的新日铁——承诺到 2050 年实现净零排放,与本国设定的目标相呼应。

但为了遏制钢铁的碳排放,该行业必须改变传统的材料制造方式。

在波士顿郊外的沃本工业郊区,一家公司正在努力用电子代替煤炭。波士顿金属公司是麻省理工学院 (MIT) 分拆出来的一家机构,它使用电流将铁矿石加热成明亮的橙白色液体,然后转化为金属并像灰色钢块一样冷却。该过程不会产生温室气体排放,而且当使用可再生电力供电时,可以完全无排放。

该公司首席执行官塔杜·卡内罗 (Tadeu Carneiro) 表示,波士顿金属公司正在“开创冶金业的新时代”。这家已有九年历史的初创公司在 1 月份从众多投资者那里筹集了 5000 万美元,其中包括比尔盖茨领导的 Breakthrough Energy Ventures 和世界最大矿业公司之一必和必拓的风险投资部门。新的资金将允许它在沃本建立一个示范工厂,每年可生产 25,000 吨金属;到目前为止,该公司总共只生产了几吨钢材。

波士顿金属公司的方法是少数具有使炼钢脱碳潜力的突破性技术之一。公司正在欧洲各地试点使用氢气代替煤炭的熔炉系统。在巴西,一些钢厂正在混合使用由农业废弃物制成的生物炭。其他公司正在继续使用煤炭,但正在考虑用碳捕获装置改造设施以消除排放。

去除炼钢排放物的测试和缩放技术并不是建筑材料脱碳的唯一挑战。绿色产品还必须在利润率相对较低且中国廉价钢材供应过剩的行业中竞争。

世界资源研究所研究工业部门的高级研究员内特·亚登 (Nate Aden) 表示,为了公平竞争,公共机构和私营企业需要制定政策,鼓励购买无排放钢材,或提高购买传统供应的成本。转换。(例如,加利福尼亚限制了与国家支持的建设项目中使用的钢铁和其他材料相关的碳排放总量。)

“在过去的几十年里,我们在这个领域几乎没有进行足够的研究和开发,”Aden 说。“是兴奋的。”

今天大约 70% 的钢是按照它一直以来的方式制造的:在巨大的、极热的熔炉中。净化后的煤或“焦炭”与氧化铁和石灰石一起加热熔化,然后注入氧气以降低混合物中的碳含量并去除杂质。

几乎所有其他钢都是由在电弧炉中熔化的废金属制成的。这种方法不使用焦炭作为原料。但将金属加热到接近 3,000 华氏度确实需要大量电力——而大部分电力来自燃煤发电厂。

在波士顿金属公司的研究设施中,炼钢过程在称为电解槽的矮金属圆筒内进行。电力从顶部馈入并流过由铬基合金制成的烟囱状管。然后电流通过由氧化铁和其他金属矿物制成的液体溶液。这会加热氧化物熔体并驱动化学反应,从而产生氧气和铁水。氧气从顶部冒出气泡,而强化铁在腔室底部积聚并最终硬化成钢。

麻省理工学院材料化学教授唐纳德·萨多威 (Donald Sadoway) 表示,几十年前,他在研究生产铝的替代方法时,首先想到了“熔融氧化物电解”,铝是另一种通过碳密集工艺制成的金属。2012 年,他与两位合伙人共同创立了波士顿电子冶金公司(又名波士顿金属公司),他们开始在高球杯大小的实验室细胞中测试该方法。该公司现在在沃本工厂运行三条试验线。

凭借 Breakthrough、BHP 和其他公司的 5000 万美元投资,Sadoway 表示,目标是在足够大的规模上展示该技术,以说服投资者支持建设工业设施。如果未来的工厂建成,他估计波士顿金属公司的工艺将比传统的高炉减少大约 20% 的能源。如果该设施可以使用廉价、充足的可再生电力,可能来自水力发电厂,其钢铁成本将低于竞争对手。

“在规模上,我们希望以更低的成本生产更好的金属,并且不会排放二氧化碳,”他说。

随着波士顿金属公司扩大其在电解领域的努力,许多钢铁公司将赌注押在氢气上以控制排放。

氢气燃烧时不会排放温室气体,可以通过使用可再生电力破坏水分子来制造(尽管今天大多数氢气是用天然气制成的,通过称为蒸汽甲烷重整的过程)。在炼钢过程中,氢气会引发化学反应,从铁矿石中去除氧气,从而无需在高炉中使用提纯煤。

总部位于卢森堡的 ArcelorMittal 正在德国建造一个使用这种方法的示范工厂——称为氢-DRI,用于“直接还原铁”。日本三菱重工计划今年在奥地利一家年产 25 万吨的钢铁厂试用该技术。在瑞典,钢铁制造商 SSAB 及其合作伙伴建立了一个试验工厂来生产氢气供应和测试氢 DRI,这两项操作都只使用水力发电。

建立氢基钢铁工业不仅需要大量支出来建造新工厂,还需要生产、运输和储存绿色氢。作为国际专家团队的一员,亚丁在2020 年的一篇论文中写道,这些项目要在廉价钢铁世界中在经济上可行,氢和可再生电力的价格必须大幅下降,而二氧化碳的价格必须上涨。

对于新的、清洁的项目,还有另一个长期挑战。包括美国和日本在内的主要市场对钢铁的需求正在下降或停滞。生产商生产的钢铁已经超过了世界的需求。与此同时,建筑公司和汽车制造商越来越多地在他们的项目中使用轻质铝、塑料甚至木材。亚丁表示,这可能会使证明未来投资或研究的合理性变得更加困难。

尽管如此,钢铁行业仍然是世界经济的重要组成部分,也是世界排放的重要来源。

“很明显,未来几十年我们将需要钢铁,”亚丁说。“所以我认为所有这些新项目都是值得的。”

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