专家问答:绿色钢铁生产

从风力涡轮机到电动汽车，钢铁被广泛应用，是绿色革命的关键组成部分。但由于其生产占全球二氧化碳排放量的7%左右，现有的工艺显然需要改变。《工程师》采访了来自钢铁行业的一组专家，了解从化石燃料转向生产所面临的挑战;可以帮助实现这一目标的技术;以及何时——如果有的话——我们可以期待大批量的绿色钢铁生产成为现实。

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见见专家

皮特·奥斯本博士-高级研究员谢菲尔德大学先进制造研究中心

凯蒂Kangert-可持续发展和安全主管，Ovako

卡琳Hallstan-公共及媒体关系主管H2绿钢

Richard Curry博士- - - - - -维持斯旺西大学iSPACE项目经理

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概述你在该领域的工作经历

Pete Osborne博士:谢菲尔德大学AMRC与工业界合作，通过提高生产率、提高竞争力、开发新产品和工艺以及培训新人才和技能来改变工业和经济表现。2021年，我与绿色联盟、GFG联盟和亮蓝联盟共同撰写了《让绿色钢铁成为今天的低碳现实——绿色钢铁的投资案例》。

凯蒂Kangert:在Ovako，我们已经将大部分热处理炉从燃气转换为电力。这是减少CO的主要因素₂自2015年以来，我们的运营排放量减少了57%。下一步是改造我们的钢质加热炉。这与其他活动一起减少CO₂，将在2015年的基础上进一步减少80%的工艺排放。

为了实现这一目标，我们正在与沃尔沃、日立能源、H2 Green Steel和电解公司Nel合作，在Hofors工厂建设瑞典最大的清洁氢电解工厂。这将于2023年5月投入使用，并将使我们深入了解如何最好地扩大清洁制氢。

将炉内丙烷-氧混合物转化为氢-氧混合物并不简单，因为丙烷分子的能量明显高于氢分子。在开始我们的氢气电解工厂的工作之前，我们开发了一个控制系统，可以在不中断炉操作的情况下无缝切换氢气和丙烷。我们还进行了一系列生产试验，以确认转换燃料不会对热轧过程或热轧钢材质量产生影响。

卡琳Hallstan:H2绿色钢铁于2021年2月推出，目标是从钢铁开始，为难以减排的行业脱碳。到2025年，我们计划投入生产，到2026年将产量扩大到250万吨。在我们项目的第二阶段，我们每年将生产500万吨钢铁。我们在瑞典北部的生产基地，将拥有迄今为止世界上最大的用于绿色氢气生产的电解工厂之一(Ovako上面提到的同一工厂)，一个用于生产海绵铁的DRI(直接还原铁)塔和一个用于生产绿色钢铁的超现代化钢铁厂。瑞典北部当地的可再生电力是实现这一目标的关键。

我们已经向宝马、奔驰、Miele、eleexlux、斯堪尼亚、Adient、Kingspan等15家客户预售了60%的初始销量，这些客户已经证实了对绿色钢铁的需求。

Richard Curry博士:SUSTAIN网络是英国国家钢铁脱碳研究中心，以斯旺西大学为中心，在谢菲尔德、华威制造集团和其他领先大学积极参与。

通过多学科合作模式，SUSTAIN在以下讨论的许多领域都非常活跃，还对向绿色钢铁生产过渡进行了重点研究，如最大限度地提高残差容忍度，为绿色能源运输和生产设计新的、有弹性的钢材等级，新型低而强的高温传感器，以及用于废料分类、过程控制、优化维护和数字双胞胎的新型人工智能驱动工艺。我个人专注于高效和经济上可行的报废钢材(废料)和其他原材料的分离，以推动英国和全球制造业的本地绿色供应链

在钢铁生产中不再使用化石燃料会带来哪些主要挑战?

博:钢铁行业目前占所有CO的4%₂排放和22%的工业CO₂欧洲的排放。目前生产粗钢的主要工艺有两种，高炉-碱性氧炉(BR-BOF)工艺和电弧炉(EAF)工艺。两者都依赖于铁的还原来形成炼钢过程的原料，这在历史上需要使用还原剂，如煤粉(PC)、石油、天然气或这些的组合，所有这些都会释放CO₂作为过程的一部分。

为了在商业上可行，绿色钢铁需要以具有竞争力的价格供应足够的氢和可再生能源

Pete Osborne博士- AMRC

为了在商业上可行，绿色钢铁需要以具有竞争力的价格供应足够的氢和可再生能源。因此，(在英国)采用该技术的最重要障碍之一是，与我们在欧洲的竞争对手相比，工业能源成本相对较高。据报道，英国钢铁制造商支付的电费比法国钢铁制造商高出80%左右。

克鲁舍:在Ovako，我们正专注于两个主要挑战。第一个是保持和扩大零碳电力的使用。我们的需求将在未来几年增长，因为我们计划在我们的工厂安装电解设备。这将产生清洁的氢气，取代我们钢铁加热炉中的化石燃料。我们还使用无排放的北欧电力，通过为电弧炉(EAFs)和热处理炉以及其他操作提供动力，最大限度地减少我们的范围2排放。

第二个挑战是通过采购低碳足迹的原材料和消耗品来最大限度地减少范围3的排放。

一个是低排放合金和石灰的可用性。这些对控制钢铁的碳足迹至关重要。随着对可持续产品需求的增长，这些产品的供应正在收紧。

另一个潜在的缺点与在电炉炼钢中用作消耗品的焦炭和电极有关。目前还没有替代焦炭的还原剂，也不可能找到零排放的电极。我们正在推进研究项目，为这些问题开发技术解决方案。

KH:现有公司和拥有更可持续解决方案的公司之间缺乏公平的竞争环境(这是一个关键挑战)。欧盟的排放自由分配使得现有的钢铁行业推迟了钢铁行业的变革，而不是必要的。

钢筋混凝土:从化石燃料到电力的转变将给传统的供应基础设施带来更高的负荷，由于缺乏投资和对绿色能源生产和储存的缓慢吸收，许多发达国家将难以供应这些基础设施。H₂只有当使用绿色电力或传统的碳捕获、储存和利用(CCSU)方法生产时，化学能才比传统的化石燃料“更绿色”。此外,H₂如果考虑到电解效率损失、气体压缩和运输，使用绿色或化石燃料发电所需的电能几乎是我们转换电能的3倍，这将给基础设施带来额外的负荷。

在技术方面，最大的问题之一在于如何有效利用产生的废料，以及以有意义的方式进行分离、分类和隔离的能力。

Richard Curry博士-斯旺西大学

在技术方面，最大的问题之一在于如何有效利用产生的废料，以及以有意义的方式进行分离、分类和隔离的能力。废钢可能是历史上工业化国家拥有的最有效的绿色炼钢资源，这些废钢已经被制造成高质量的产品，如果得到更好的利用，将为包括美国和英国在内的许多国家提供关键的、成本有效的炼钢方式。

例如，英国每年产生1020万吨废钢，但目前仅生产约720万吨钢。

在全球范围内，利用商业绿色炼钢方法，一旦从废钢中去除污染物和可用的H，我们只有潜力生产一半的铁量来满足2050年预测的钢铁消费量₂DRI可行矿石。在所有其他挑战中，这一供需问题需要得到比目前更多的关注。

什么技术代表最有前途的解决方案?

博:氢气是减少钢铁行业排放的一种方法，它可以作为唯一的还原剂₂直接铁还原(H₂-DRI)工艺在海绵铁生产中的应用。然后可以将其送入电炉，在那里熔化以生产钢材。为了生产钢铁，仍然需要一些碳，因此会产生CO₂但这种结合有可能显著减少与钢铁生产相关的排放。

直接还原铁并不是一项新技术。然而，纯氢的使用是一个新的步骤。目前在欧洲有一个DRI工厂，但是有14个DRI项目处于规划、建设和调试的不同阶段。这些工厂都不在英国境内，我们很有可能落后，或者被迫从海外进口海绵铁，除非我们迅速在技术上进行投资。

英国在EAF设施方面的情况要好得多，目前有几个设施正在使用原始材料和回收钢的混合物来生产新的特种钢。然而，这种钢材的“绿色度”再次依赖于使用绿色能源来为该过程提供动力，以及与粗钢供应相关的排放。

该行业可以提供帮助的另一种方式是减少原始材料的使用。2019年，英国消费了1190万吨钢铁，生产了1130万吨废钢，其中870万吨用于出口，其余用于英国粗钢生产。

英国钢铁制造商目前的钢铁厂可以使用610万吨废钢，因此这里有改进的空间，这将减少对新原料的生产和相关排放的需求。

KH:我们将用电电解把水分解成氢和氧。它是我们绿色钢铁生产工艺的起点。我们的大规模电解将成为工厂的一个组成部分，使用无化石的电力来生产氢气。

然后我们的DR反应器将铁矿石精炼为直接还原铁(DRI)。这是通过将铁矿石暴露在氢气中，氢气与矿石中的氧气反应形成残余蒸汽来实现的。使用我们在电解过程中产生的绿色氢气进行还原，而不是通常用于综合钢铁厂的煤炭，使我们能够减少还原过程中95%以上的二氧化碳排放。大部分DRI在工厂内以高温状态运输到电弧炉，这是我们电熔车间的第一步。

在电弧炉中，无化石的电力将被用于将DRI和废钢的组合加热到均匀的钢液熔体。在熔炼过程中，碳在降低电耗、在熔体顶部形成渣的保护性能、实现铁向钢的转变等方面起着重要作用。从电弧炉，熔体被转移到我们的钢包炉和RH脱气器，在那里合金被添加到熔体中以精炼化学物质。

我们通过“连铸连轧”的综合工艺将钢液转化为固体产品，使我们能够在电弧炉到成品的整个过程中保持钢的温度。集成工艺使我们能够减少70%的能源消耗，并取代通常用于生产热卷的传统工艺中的天然气。

RC:SUSTAIN项目着眼于绿色炼钢的短期转型和长期(2050年后)愿景。这包括通过面向产品的工程处理，最大限度地利用废钢的新方法，CCU，用塑料废物替代煤炭，随着英国转型，提高绿色BF操作的能源效率，以及关于电炉转型的长期发展。

在全球范围内，H₂目前正在半商业化推广的DRI，美国和欧洲更加注重提高废钢质量，降低电炉的能耗，以及通过电炉路线生产高质量的带式产品，这些都是迈向绿色未来的积极步骤。就绿色铁的供应而言，在所需数量方面，几个矿石生产商正集中精力选矿，并可能用磁铁矿补贴赤铁矿以增加供应。技术重点是利用丰富的低质量矿石不能通过H₂DRI，如波士顿金属公司的电解方法也为这一问题提供了有前景的绿色解决方案。

在能源方面，绿色发电效率的不断提高是有希望的，但仍有很长的路要走:包括成本、能量密度和克服电惯性缺失的需要，这可以通过飞轮来解决。核能的发展，即小型模块化反应堆，也可能在确保基础工业无碳能源的可用性方面发挥重要作用。

你认为绿色钢铁的批量生产何时会成为现实?

博:目前存在的技术可以显著减少，但不能消除与炼钢过程相关的排放。然而，使用它来生产绿色钢铁几乎完全依赖于现有的正确的商业环境，这种环境允许以具有商业吸引力的价格供应绿色能源和绿色氢。

钢铁业显然不是争夺这些大宗商品的唯一行业，它们的供应在短期内将受到限制。因此，我们很可能会看到向绿色钢铁的过渡，受限于这两种关键原料的供应，数量适当，成本具有竞争力。

2020年，麦肯锡估计，在2030年至2040年期间，欧洲纯氢基钢生产预计将具有成本竞争力。政府政策对确切的日期有明显的影响，而在英国国内创造正确市场条件的政策，将对我们国家尽早批量生产绿色钢铁的能力产生积极影响。

克鲁舍:通过采用高效工艺、清洁电力和将热处理炉转换为电力，并通过碳抵消来平衡最后剩余的排放，我们在2022年1月实现了碳中性钢生产。各项措施和活动使我们的碳强度达到每吨86公斤二氧化碳，而全球平均水平为1700公斤。为了计算剩余的排放量，我们目前正在核实减排(VER)计划下采购碳抵消，以实现碳中和状态。随着我们减少排放，我们将逐步缩减这些措施。

RC:乐观地说，我们应该会看到一些当地的例子，特别是在2030年前拥有足够废料生产和投资能力的国家。然而，这将依赖于废料利用率的最大化，需要废料供应链的发展和精确的废料分析，以及对废料分离的更好控制。

从全球来看，挑战更大。发展中国家和工业化较晚的国家在废铁产量方面远远落后于曲线，需要利用更多的原生铁来弥补。我们还通过糟糕的加工和分离污染了大量当前和未来的废钢。这将需要大量的原始铁稀释，以制造高质量的等级或确保这种材料被重复使用，因为它目前是螺纹钢和其他耐腐蚀的建筑等级。如果没有找到解决方案，许多行业将继续需要化石燃料生产的钢材，而二氧化碳的产生只能通过CCSU和/或大大减少的钢材消耗来缓解。