波士頓金屬電解法生產的鐵塊
隨著越來越多的公用事業公司和企業投資于可再生能源,煤炭對全球電力行業的控制正在放松。但煤炭的主要消費國度之一 —— 鋼鐵行業發現,要戒掉對煤炭的依賴卻越來越難了。
鋼鐵公司每年生產近20億噸高強度材料,用于橋梁,建筑物,鐵路和公路。熔化鐵礦石以制造鋼鐵的熔爐會消耗大量煤炭。結果,該行業約占年度二氧化碳排放量的8%,以及產生有毒的空氣污染物。
全球鋼鐵制造商正面臨著來自政府監管機構和消費者的越來越大的壓力,要求他們進行脫碳操作。專家們說,這樣做對于將全球變暖控制在1.5攝氏度,避免氣候變化帶來的最嚴重影響至關重要。最近幾個月,世界三大鋼鐵生產商 —— 歐洲的安賽樂米塔爾、中國的寶武鋼鐵和日本的新日鐵,均承諾在2050年前實現凈零排放,這與它們在本國設定的目標相一致。
但是,為了遏制鋼鐵業的碳排放,該行業必須改變這種材料的傳統制造方式。
在波士頓郊外的沃伯恩工業區,一家公司正致力于用電力取代煤炭。波士頓金屬公司(Boston Metal)是麻省理工學院(MIT)的一家分支機構,它利用電流將鐵礦石加熱成明亮的橙白色液體,這種液體可以轉化為金屬,冷卻后變成灰色的鋼塊。這個過程不會產生溫室氣體排放,而且當使用可再生能源供電時,完全可以實現零排放。
該公司首席執行官表示,Boston Metal正在“引領冶金學的新時代”。今年1月,這家成立9年的初創公司已經從許多投資者那里籌集了5000萬美元,其中包括比爾蓋茨(Bill gates)領導的突破性能源投資公司(Breakthrough Energy Ventures)和全球最大礦業公司之一必和必拓(BHP)的風險投資部門。新的資金將允許它在沃伯恩建立一個示范工廠,每年能生產25000噸金屬;到目前為止,該公司總共只生產了幾噸鋼。
Boston Metal的方法是為數不多的具有脫碳煉鋼潛力的突破性技術之一。一些公司正在歐洲各地試點使用氫取代煤的系統。在巴西,一些鋼廠正在混合用農業廢料制成的生物炭。其他公司仍在繼續使用煤炭,但正在考慮用碳捕獲裝置改造設施,以減少排放。
從煉鋼過程中去除碳排放的技術的測試,和規模化并不是建筑材料脫碳的唯一挑戰。綠色產品還必須在一個利潤率相對較低、中國廉價鋼材供應過剩的行業中競爭。
世界資源研究所(World Resources Institute)研究工業部門轉型的高級研究員表示,為了創造公平的競爭環境,公共機構和私營企業需要制定政策,鼓勵購買無排放的鋼鐵,或者提高購買傳統供應品的成本。(例如,加州限制了在政府支持的建筑項目中使用的鋼鐵和其他材料的碳排放總量。)
如今,大約70%的鋼材都是按照傳統方式制造的:在巨大的、極其炎熱的熔爐中。提純后的煤,或稱“焦炭”,用氧化鐵和石灰石加熱熔化,然后注入氧氣以減少混合物中的碳含量,并去除雜質。
上圖:電弧爐煉鋼設備
幾乎所有其他的鋼,都是由電弧爐熔化的廢金屬制成的。這種方法不使用焦炭作為原材料。但是要把金屬加熱到接近3000華氏度,確實需要大量的電力,而且大部分電力來自燃煤發電廠。
在波士頓金屬的研究機構,煉鋼過程是在一個叫做電解池的低矮的金屬圓筒中進行的。電從頂部輸入,通過一個由鉻基合金制成的煙囪狀管道流動。然后,電流通過由氧化鐵和其他金屬礦物組成的液體溶液。這會加熱氧化物熔體并驅動化學反應,從而產生氧氣和鐵水。氧氣泡到頂部,而強化鐵則聚集在腔室底部,最終硬化成鋼。具體來說,它就是所謂的電解槽,用電而不是碳來處理未加工的鐵礦石。
Boston Metal電解法生產鋼水的原理
麻省理工學院(MIT)材料化學教授唐納德·薩多維(Donald Sadoway)說,他第一次有了“熔融氧化物電解”的想法是在幾十年前,當時他正在研究生產鋁(另一種通過碳密集型工藝生產的金屬)的替代方法。2012年,他與兩名合作伙伴共同創辦了Boston Electrometallurgical(又名Boston Metal),他們開始在實驗室中測試這種方法。該公司現在在沃伯恩工廠運營三條試點生產線。
有了來自Breakthrough、必和必拓等公司的5000萬美元投資,唐納德·薩多維教授表示,他們的目標是在足夠大的規模上展示這項技術,以說服投資者支持建設一個工業設施。如果這個未來的工廠建成,他估計Boston Metal的過程將比傳統的高爐少消耗20%的能源。而且,如果該工廠能夠使用廉價、充足的可再生電力(可能來自水力發電廠),其鋼鐵成本將低于競爭對手。另外,在規模上,他們希望以更低的成本生產更好的金屬,而且沒有二氧化碳排放。
隨著波士頓金屬公司擴大其在電解方面的努力,許多鋼鐵公司都把賭注押在了用氫來抑制排放上。
氫在燃燒時不會排放溫室氣體,而且可以通過使用可再生電力分解水分子來制造氫(盡管,目前大多數氫是通過被稱為“蒸汽甲烷重整”的過程由天然氣制造的)。在煉鋼過程中,氫氣會引發化學反應,將鐵礦石中的氧氣移除,從而消除了高爐對純凈煤的需求。
總部位于盧森堡的安賽樂米塔爾公司,正在德國建造一個使用這種方法的示范工廠,名為“氫-DRI”,即“直接還原鐵”。日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)計劃今年在奧地利一家年產25萬噸的鋼鐵廠試用這項技術。在瑞典,鋼鐵制造商SSAB及其合作伙伴已經建立了一個生產氫供應和測試氫-DRI的試點工廠,兩項操作都只使用水力發電。
建設以氫為基礎的鋼鐵工業,不僅需要大量的資金來建造新工廠,而且還需要生產、運輸和儲存綠色氫。對此,專家們表示,這些項目要想在經濟上可行,氫和可再生電力的價格必須大幅下降,而二氧化碳的價格必須上升。
對于新的清潔項目來說,還有另一個長期挑戰。包括美國和日本在內的主要市場對鋼鐵的需求正在下降或停滯。生產商生產的鋼鐵已經超過了世界需求。與此同時,建筑公司和汽車制造商越來越多地在他們的項目中使用輕質鋁、塑料,甚至木材。專家表示,這可能會讓未來的投資或研究變得更加合理。
盡管如此,鋼鐵工業仍然是世界經濟的重要組成部分,也是世界排放的重要來源。
很明顯,我們在未來幾十年還將需要鋼鐵,所以所有這些新技術和新項目都是值得一試的。
