随着世界继续向“绿色”转变，钢铁行业也在效仿. 钢铁行业上一次重大技术革命是100多年前的电弧炉(EAF). 现在, 钢铁行业脱碳的需求引发了下一波技术浪潮, 但这一次, 没有一个简单的解决办法. 实现脱碳需要多方面的努力, 不同的技术共同创造了一个更可持续的解决方案，为钢铁行业更光明的未来做好准备. 例如, 可以看到，钢铁运营商(像其他行业的许多同行一样)不仅在评估减少碳排放的方案，还在评估捕获碳排放的方案, 存储, 再利用碳排放.
在写这篇文章的时候, 大多数重大投资都投向了清洁铁生产和电动炼钢等低碳选择. 这些并不是钢铁行业脱碳的唯一选择, 但电动方法无疑是一种流行的选择，可以在世界各地的设施中看到. 截至2023年，大约有 380个不同地点通过高炉-碱性氧炉(BF-BOF)方法生产钢 400个通过更清洁的电炉法生产. 后者的数量将在未来几年迅速增加，我将解释其中的原因.
为什么我们需要高炉排放?
对各种类型的钢材进行操作, 高炉操作产生的碳排放量最多. 今天，高炉操作包括接近 占世界钢铁产量的73% 占全球钢铁工业排放量的80%以上. 该方法可以发出1.9和2.5吨二氧化碳2 每生产一吨钢，其范围受以下因素影响很大:
- 环境法规
- 消融技术
- 工艺优化水平
- 所用材料的质量.
尽管听起来难以置信，但世界仍然需要这种高炉工艺. 它的产量和质量对于支持新兴经济体的增长和向可再生能源过渡的要求至关重要. 事实上, 高炉的主要优点之一是产量大, 这意味着在特定的地方，需求需要更多的钢铁，但质量有限, 主要的生产方式将是BF-BOF.
脱碳钢生产的三个阶段
钢铁制造商正致力于在短期内更负责任地生产钢铁，并使这一过程更加环保. 但 脱碳不是一条简单的道路. 定义正确的解决方案, 钢铁生产商必须考虑很多事情:市场, 当地需求, 钢的应用程序, 技术可行性, 并最终, 他们对脱碳的渴望. 许多公司正在为高炉金属的脱碳操作奠定基础，将其分为三个主要阶段.
第一阶段:工艺和材料优化
第一阶段的重点是优化材料和工艺. 这意味着控制高炉本身的所有参数，并使用可以产生更少CO的材料2 尽量减少排放.
过去没有意义的事情是优化金属废料的使用以减少排放. 例如, 炼钢过程中产生的大部分废料可用于其他用途，如水泥渣或道路渣. 或者，高价值的金属，如钒，可以从废物中回收.
单是优化就能减少0.5吨二氧化碳2 每吨钢.
具体到我们这里的讨论, 将废钢循环回BF-BOF法减少了生产新钢所需的铁矿石数量, 从而减少CO的含量2 发出. 废钢也是电炼钢的主要原料. 一个奇妙的巧合，不?
但是，利用废钢给钢铁行业脱碳也有限制. 欧洲的一些国家(比如土耳其), (例如)严重依赖进口废料作为一种资源. 如果在BF-BOF过程和新时代的电炼钢中废料使用量增加, 各国将保留其废金属供国内使用, 减少可出口的数量. 需求的增加和供应的短缺将给运营商带来更大的成本挑战, 并可能扼杀他们通过利用废金属来脱碳的尝试.
也就是说，单是第一阶段的脱碳潜力就非常巨大. 当工艺和材料得到适当优化时，碳排放量可减少0.5吨二氧化碳2 每吨钢铁，留给钢铁生产商剩下的1美元.5-2.0吨二氧化碳2 每吨钢的重量.
第二阶段:碳捕获
在第二阶段，制作人优化他们的技术. 当涉及到生物流化床-转炉法时，最初的碳捕获项目可能是一个快速的解决方案. 唯一的挑战是，平均6000吨的二氧化碳2 需要每天捕获 每台高炉相当于超过30亿吨的二氧化碳2 每年在世界范围内捕获. 并不是所有的地方都有 适当储存捕获的碳所需的地质条件.
在最好的情况下(或最坏的情况，取决于你问谁)，CO2 可以运输到附近的地方储存在地下——但这绝对不是最经济的解决方案. 事实上, 它可能相当昂贵, 这意味着与运输和储存二氧化碳相关的成本2 对一些生产商来说，碳捕获会成为一个困难的决定吗. 钢铁公司 需要经济支持和激励措施吗 应用和扩展这个技术选项. 好消息是像 美国2022年通货膨胀削减法案 和 欧洲碳边界调整机制 是否正在建立激励机制来创造碳减排经济——其他国家也在寻求建立类似的经济激励机制.
最终目标? 取代高炉的氢基炼钢.
另一种选择是，钢铁制造商考虑用直接还原铁电弧炉(DRI-EAF)工艺取代高炉，用于氢气的生产和利用. 要做到这一点，每吨还原铁需要大约650立方米的氢, 如果氢是通过电解产生的，这相当于350千兆瓦的电力. 这个电量不包括在EAF中熔化DRI的额外消耗. 还需要几太瓦的额外电力来生产和熔化铁并使其成为钢.
这一选择需要克服的挑战是绿色电力的供应和电网容量. 大部分现有的电网基础设施还没有准备好处理所需的额外容量. 重要的计划, time, 需要投资来支持以氢为基础的炼钢，并最终完全取代高炉.
第三阶段:部署碳捕获和利用技术
鉴于一些地点无法经济地储存二氧化碳2 在地下，钢铁工业脱碳还需要满足一个额外的要求:CO2 利用. 最初的试点项目已经在测试捕获的碳的各种应用——涉及塑料的应用, 用于合成纤维的聚合物, 和e-fuels. 鉴于其吸收大量一氧化碳的能力，最后一种可能有相当大的市场2; nevertheless, the CO2 会在燃料燃烧后释放到大气中吗.
简而言之, 更确切地说，这是炼钢脱碳的最后一步, 仍在使用的高炉在很大程度上取决于利用捕获一氧化碳的技术和市场的发展2.
有两种途径可以在短期内实现零排放
在优化工艺和材料不足以实现设定脱碳目标的情况下, 钢铁生产地点可以考虑碳捕获和储存，也可以考虑氢燃料生产.
碳捕获, 主要的挑战是空间:钢铁厂必须有可用的空间来安装捕获设备. 如果确实如此，那么通过正确的技术，碳捕获就可以相对容易地进行管理. 第二个主要挑战围绕着碳捕获的经济问题. 目前，主要有两种捕获碳的方法:水胺和非水胺. 两种技术之间的区别在于煮沸胺液体所需的能量和设备.
非水=不需要水=需要更少的能量=体积更小
非水溶剂胺技术是在低CO条件下捕集碳的技术2 像水泥、钢铁和铁生产这样的集中过程. 它的主要优点是不需要水, 从而减少蒸发溶剂中的水所需的能量. 更不用说是胺液体的体积决定了捕获设备的尺寸要求. 能源密集度高的项目需要更大的设备, 而一个较小的能源强度项目将使用较小的设备. 设备的大小, 反过来, 是否与项目成本直接相关——一个更大的项目(从维度上讲)将需要更高的资本支出和运营成本.
减少排放的第二个替代方案是使用生物质来减少高炉所需的焦炭, 以及氢气作为爆破混合物的一部分，部分取代目前使用的天然气. 根据我的计算，将这些选项结合在一起可以减少0的碳排放.15 to 0.25吨二氧化碳2 每吨钢!
最快的解决方案
没有一种简单易行的方法可以使钢铁行业脱碳. 解决方案取决于每个工厂的具体需求, 位置, 外部条件, 而市场需求, 能源, 在定义特定制作人的“最佳”时，材料的可用性是需要考虑的额外限制因素. 在短期内, 碳捕获和储存似乎是减少高炉排放的最快选择, 但我们需要更好的经济情景来大规模应用这项技术.
