绿色钢铁的时代已经到来。随着行业转型的推进，钢铁企业正在采用新技术以改变它们的生产路线和弃用矿物燃料。然而，没有任何一种方案能够立刻解决业界面临的难题，分步实施创新将开创绿色钢铁的新纪元。
碳的挑战
面对全球气候变化的现实，在联合国气候变化大会第 27 次缔约方会议（COP27）于埃及沙姆沙伊赫召开之后，已有153 个国家作出了净零碳排放承诺。
虽然钢铁企业可以通过降低产量来减少碳排放，但钢铁需求却会增长，尤其是在印度和东南亚地区，以及在可再生能源和电动汽车领域。普锐特冶金技术的专家们预测，到 2050 年钢铁需求将达到大约 22 亿吨，复合年增长率为 0.5%。因此，钢铁行业必须找到既能减少碳排放又能满足需求增长的方案。
图1：欧盟排放交易体系的2005 – 2023年碳排放许可证价格（欧元/吨CO ）呈现持续上涨势头，2020年后更是快速上涨。 创新性的可持续方案
对钢铁行业来说，基于废钢的电炉炼钢生产路线和采用天然气和氢气的直接还原这些创新技术方案为实现碳中和奠定了基础。为了满足这些需要，相关的基础设施也将得到进一步发展，比如可再生能源系统的扩大和氢气 - 二氧化碳生态系统的开发。
创新技术方案
碳中和
直接还原设备、量子电炉和无头带钢生产工艺（即阿维迪ESP）能够取代大量排放二氧化碳的传统煤基生产工艺，包括炼焦、造块、高炉炼铁、转炉炼钢和为满足下游工序需要而使用化石燃料进行的板坯再加热，从而立刻取得碳减排的效果。
在这些工艺的基础上更进一步，结合采用高炉 - 转炉加电弧炉的组合钢厂将成为钢铁企业逐步转向电炉炼钢过程中的一个主要趋势。随着转型的推进，Smelter熔分炉的采用将催生“两步法”炼钢。
各种有效方案的陆续开发，将使钢铁行业逐步实现碳中和目标。生产企业正在抓紧时机改变现有生产路线，以持续获取回报。
WHAT IS THE SMELTER?
SMELTER是什么？
在钢铁行业开发碳减排新方案的过程中，铁矿还原起着至关重要的作用。虽然氢基直接还原显示出了极大的潜力，但 Smelter 熔分炉为钢铁企业带来了一 条 熔 炼 和 最 终 还 原 的 可 选 路 线。
Smelter 熔分炉主要用来熔炼低等级直接还原铁，催生了一种创新性的“两步法”炼钢工艺。第一步是生产低等级直接还原铁和在 Smelter 熔分炉中完成最终还原（比如采用HYFOR+Smelter 的配置），得到绿色铁水。然后，使用转炉和二次冶金设备完成炼钢工艺。
Smelter熔分炉内是还原性气氛，非常适合于低等级直接还原铁产生很大渣量的情况。它产生的炉渣与高炉渣类似，可以作为水泥生产的二次原料使用，从而有助于水泥行业的碳减排。一座矩形 Smelter 熔分炉的直接还原铁熔炼能力可以达到每年 150 万吨。
数字化和供应链
这些“绿色”技术的结合也需要一条合适的供应链。对钢铁企业减少碳排放最具价值的原料是废钢。废钢循环利用是减少炼钢碳排放的一种非常有效的方法。不过，在生产高等级钢种时，由于铜等污染物的缘故，目前符合要求的废钢供应量十分有限。
有鉴于此，SICON 和普锐特冶金技术联合开发了数字化废钢处理方案，以得到“加工废钢”。使用“加工废钢”能够在提高炉料废钢比的情况下生产先进钢种，但即使这样也不足以跟上钢铁需求增长的速度。好在本世纪初的全球钢铁产能大幅提高，而钢铁将以平均 40 年的寿命周期回归循环经济。这一趋势有利于新建更多的电弧炉，以对达到寿命末期的钢铁废料进行处理，从而增加废钢使用量。
直接还原的作用
直接还原铁（DRI）将在未来的钢铁生产中发挥至关重要的作用，不仅为先进钢种的生产提供保障，而且能够补充废钢无法满足的需求。使用天然气的 MIDREX 直接还原工艺与使用可再生能源的电弧炉相结合，能够比作为基准的高炉 - 转炉路线减少碳排放 65%。使用高品位铁矿石制成的球团和天然气生产直接还原铁或热压块铁（HBI），是快速减少二氧化碳排放的一种过渡方案。但是，由于世界各地能够获得的低品位铁矿石的数量大大超过高品位铁矿石，这个问题越来越难以解决。
图2：氢基粉矿还原（HYFOR）工艺流程示意图，它将成为塑造未来钢铁行业的一项重要技术。 目前，普锐特冶金技术正在开发 HYFOR 氢基粉矿还原工艺。在建于奥地利奥钢联多纳维茨钢铁公司的试验厂投入运行后，HYFOR 已经展示出了以净零排放生产直接还原铁和取消造球工艺的乐观前景。另外，我们还与韩国浦项钢铁公司合作，在改进 FINEX 工艺的基础上开发了 HyREX 技术。它以烧结粉矿为原料，使用氢气在一系列流化床反应器中生产直接还原铁，然后在 Smelter 炉内将其熔化成铁水。
通往绿色钢铁的三条道路
THE THREE PATHS TO GREEN STEEL
生产电力化
今后几十年内的钢铁需求将会增加，这就必须有更多清洁的可再生能源来满足可持续生产流程的需要。首先要为数量不断增加的电弧炉提供足够的电力，其次要生产出替代碳基还原剂所需要的绿色氢气。另外，建造可再生能源（比如太阳能和风能）设施时，每能源单位需要的钢材要多于大多数矿物燃料发电厂，这也将推动钢铁需求的增长。直接避免用碳（CDA）
铁矿石的还原方法主要有三种：迄今为止普遍采用的碳基还原、不久的将来有望推广开来的氢基还原、以及目前仍处于起步阶段的直接电解。现在，唯一现实的途径是发展氢能经济。但是，大规模的氢气生产尚未实现，可再生能源仍然稀缺。从中期来看，绿色氢气的价格会低于每千克 2美元，这意味着这些问题不久就能迎刃而解。碳捕集与封存（CCS）
钢铁行业的资产寿命通常超过 40 年，印度、中国和其他地区的许多上游炼铁设施的寿命还很长。在这种情况下，碳捕集与封存（CCS）将会起到作用。碳捕集与封存需要先进的技术，比如三菱重工的 KM CDR 胺洗涤器碳捕集系统。捕集之后，浓缩的纯二氧化碳可以被压缩并安全地封存在地下。另外，它还可以用于提高石油采收率或制造基础化学品。举例来说，LanzaTech 的微生物发酵专有技术能够将二氧化碳、一氧化碳和氢气转化成乙醇，即合成燃料，或其他基础化学品。碳捕集的扩展
作为三菱重工集团（MHI）的一部分，普锐特冶金技术可以使用相关的碳捕集与封存技术，比如关西三菱二氧化碳回收工艺（KM CDR）。普锐特冶金技术在冶金行业的专业技能与KM CDR 工艺（已应用于世界各地的发电厂）的独特优点相结合，可能为钢铁行业的废气处理找到新的途径。普锐特冶金技术将与阿塞洛米塔尔和 BHP 一起研究该工艺对钢铁行业的适用性，并将建设一个试验厂以在使用高炉炉顶煤气、加热炉废气和直接还原废气的条件下对工艺进行测试和优化。
碳减排的步骤
对那些希望成为绿色钢铁生产领先者的企业来说，在实施碳 减 排 的 第 一 步， 可 以 重 点 采 用“ 两 步 法” 和“ 组 合” 炼钢，即在现有的联合生产路线的基础上结合采用直接还原和Smelter 技术或者电炉炼钢，还可以采取碳捕集与封存措施。
全球气候变化广受关注，这对重工业来说不仅是挑战，也是为子孙后代打造一个可持续未来的机遇。未来的面貌将取决于强度高、可持续、可回收利用的绿色钢铁。
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