随着越来越多的公用事业公司和企业投资于可再生能源,煤炭对全球电力行业的控制正在放松。但煤炭的主要消费国度之一 —— 钢铁行业发现,要戒掉对煤炭的依赖却越来越难了。
钢铁公司每年生产近20亿吨高强度材料,用于桥梁,建筑物,铁路和公路。熔化铁矿石以制造钢铁的熔炉会消耗大量煤炭。结果,该行业约占年度二氧化碳排放量的8%,以及产生有毒的空气污染物。
全球钢铁制造商正面临着来自政府监管机构和消费者的越来越大的压力,要求他们进行脱碳操作。专家们说,这样做对于将全球变暖控制在1.5摄氏度,避免气候变化带来的最严重影响至关重要。最近几个月,世界三大钢铁生产商 —— 欧洲的安赛乐米塔尔、中国的宝武钢铁和日本的新日铁,均承诺在2050年前实现净零排放,这与它们在本国设定的目标相一致。
但是,为了遏制钢铁业的碳排放,该行业必须改变这种材料的传统制造方式。
在波士顿郊外的沃伯恩工业区,一家公司正致力于用电力取代煤炭。波士顿金属公司(Boston Metal)是麻省理工学院(MIT)的一家分支机构,它利用电流将铁矿石加热成明亮的橙白色液体,这种液体可以转化为金属,冷却后变成灰色的钢块。这个过程不会产生温室气体排放,而且当使用可再生能源供电时,完全可以实现零排放。
该公司首席执行官表示,Boston Metal正在“引领冶金学的新时代”。今年1月,这家成立9年的初创公司已经从许多投资者那里筹集了5000万美元,其中包括比尔 盖茨(Bill gates)领导的突破性能源投资公司(Breakthrough Energy Ventures)和全球最大矿业公司之一必和必拓(BHP)的风险投资部门。新的资金将允许它在沃伯恩建立一个示范工厂,每年能生产25000吨金属;到目前为止,该公司总共只生产了几吨钢。
Boston Metal的方法是为数不多的具有脱碳炼钢潜力的突破性技术之一。一些公司正在欧洲各地试点使用氢取代煤的系统。在巴西,一些钢厂正在混合用农业废料制成的生物炭。其他公司仍在继续使用煤炭,但正在考虑用碳捕获装置改造设施,以减少排放。
从炼钢过程中去除碳排放的技术的测试,和规模化并不是建筑材料脱碳的唯一挑战。绿色产品还必须在一个利润率相对较低、中国廉价钢材供应过剩的行业中竞争。
世界资源研究所(World Resources Institute)研究工业部门转型的高级研究员表示,为了创造公平的竞争环境,公共机构和私营企业需要制定政策,鼓励购买无排放的钢铁,或者提高购买传统供应品的成本。(例如,加州限制了在政府支持的建筑项目中使用的钢铁和其他材料的碳排放总量。)
如今,大约70%的钢材都是按照传统方式制造的:在巨大的、极其炎热的熔炉中。提纯后的煤,或称“焦炭”,用氧化铁和石灰石加热熔化,然后注入氧气以减少混合物中的碳含量,并去除杂质。
上图:电弧炉炼钢设备
几乎所有其他的钢,都是由电弧炉熔化的废金属制成的。这种方法不使用焦炭作为原材料。但是要把金属加热到接近3000华氏度,确实需要大量的电力,而且大部分电力来自燃煤发电厂。
在波士顿金属的研究机构,炼钢过程是在一个叫做电解池的低矮的金属圆筒中进行的。电从顶部输入,通过一个由铬基合金制成的烟囱状管道流动。然后,电流通过由氧化铁和其他金属矿物组成的液体溶液。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。氧气泡到顶部,而强化铁则聚集在腔室底部,最终硬化成钢。
上图:Boston Metal公司的炼钢示意图
麻省理工学院(MIT)材料化学教授唐纳德·萨多维(Donald Sadoway)说,他第一次有了“熔融氧化物电解”的想法是在几十年前,当时他正在研究生产铝(另一种通过碳密集型工艺生产的金属)的替代方法。2012年,他与两名合作伙伴共同创办了Boston Electrometallurgical(又名Boston Metal),他们开始在实验室中测试这种方法。该公司现在在沃伯恩工厂运营三条试点生产线。
有了来自Breakthrough、必和必拓等公司的5000万美元投资,唐纳德·萨多维教授表示,他们的目标是在足够大的规模上展示这项技术,以说服投资者支持建设一个工业设施。如果这个未来的工厂建成,他估计Boston Metal的过程将比传统的高炉少消耗20%的能源。而且,如果该工厂能够使用廉价、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。另外,在规模上,他们希望以更低的成本生产更好的金属,而且没有二氧化碳排放。
随着波士顿金属公司扩大其在电解方面的努力,许多钢铁公司都把赌注押在了用氢来抑制排放上。
氢在燃烧时不会排放温室气体,而且可以通过使用可再生电力分解水分子来制造氢(尽管,目前大多数氢是通过被称为“蒸汽甲烷重整”的过程由天然气制造的)。在炼钢过程中,氢气会引发化学反应,将铁矿石中的氧气移除,从而消除了高炉对纯净煤的需求。
总部位于卢森堡的安赛乐米塔尔公司,正在德国建造一个使用这种方法的示范工厂,名为“氢-DRI”,即“直接还原铁”。日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)计划今年在奥地利一家年产25万吨的钢铁厂试用这项技术。在瑞典,钢铁制造商SSAB及其合作伙伴已经建立了一个生产氢供应和测试氢-DRI的试点工厂,两项操作都只使用水力发电。
建设以氢为基础的钢铁工业,不仅需要大量的资金来建造新工厂,而且还需要生产、运输和储存绿色氢。对此,专家们表示,这些项目要想在经济上可行,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升。
对于新的清洁项目来说,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。专家表示,这可能会让未来的投资或研究变得更加合理。
尽管如此,钢铁工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,我们在未来几十年还将需要钢铁,所以所有这些新技术和新项目都是值得一试的。来源:知新了了
