波士顿金属电解法助力钢铁行业脱碳，减少煤炭依赖与二氧化碳排放

波士顿金属电解生产的铁块

随着越来越多的公用事业和企业投资可再生能源，煤炭对全球电力行业的控制正在放松。但作为煤炭主要消费国之一的钢铁行业却发现越来越难以摆脱对煤炭的依赖。

钢铁企业每年生产近20亿吨高强度材料，用于桥梁、建筑、铁路和公路。熔化铁矿石炼钢的熔炉消耗大量煤炭。因此，该行业约占每年二氧化碳排放量的 8%，并产生有毒空气污染物。

全球钢铁制造商面临着来自政府监管机构和消费者越来越大的压力，要求其运营脱碳。专家表示，这样做对于将全球变暖限制在 1.5 摄氏度并避免气候变化造成最严重的影响至关重要。近几个月来，全球三大钢铁制造商——欧洲的安赛乐米塔尔、中国的宝武钢铁和日本的新日铁——均承诺到2050年实现净零排放，这与各自国内设定的目标相一致。

但为了遏制钢铁的碳排放，该行业必须改变传统的材料制造方式。

在波士顿郊外的沃本工业区，一家公司正在努力用电力替代煤炭。波士顿金属公司是麻省理工学院的衍生公司，它利用电流将铁矿石加热成明亮的橙白色液体，该液体转变为金属，冷却后变成灰色钢。该过程不产生温室气体排放，并且当由可再生能源供电时，完全零排放。

波士顿金属公司首席执行官表示，该公司正在“引领冶金新时代”。今年1月，这家成立9年的初创公司从多家投资者那里筹集了5000万美元，其中包括比尔·盖茨领导的Breakthrough Energy Ventures，以及全球最大矿业公司必和必拓（BHP）旗下风险投资部门之一。新资金将使其能够在沃本建造一座示范工厂，每年能够生产 25,000 吨金属；到目前为止，该公司总共只生产了几吨钢材。

波士顿金属公司的方法是少数具有实现炼钢脱碳潜力的突破性技术之一。多家公司正在欧洲试点使用氢气替代煤炭的系统。在巴西，一些钢厂正在混合由农业废物制成的生物炭。其他公司仍在继续使用煤炭，但正在考虑使用碳捕获装置改造设施以减少排放。

测试和扩大消除炼钢过程中碳排放的技术并不是建筑材料脱碳的唯一挑战。绿色产品还必须在利润率相对较低且中国廉价钢材过剩的行业中竞争。

世界资源研究所一位研究工业转型的高级研究员表示，为了创造公平的竞争环境，公共机构和私营公司需要制定政策，鼓励购买无排放钢铁，或者提高购买传统供应品的价格。部门。 （例如，加利福尼亚州限制政府支持的建设项目中使用的钢铁和其他材料的碳排放总量。）

如今，大约 70% 的钢铁是用老式方法制造的：在巨大且极热的熔炉中。将纯化的煤或“焦炭”与氧化铁和石灰石一起加热并熔化，然后注入氧气以降低混合物的碳含量并去除杂质。

上图：电弧炉炼钢设备

几乎所有其他钢材都是由电弧炉熔化的废金属制成的。该方法不使用焦炭作为原料。但将金属加热到近 3,000 华氏度确实需要大量电力，而其中大部分电力来自燃煤发电厂。

在波士顿金属公司的研究设施中，炼钢过程在称为电解池的低金属圆筒中进行。电力从顶部馈入，流经铬基合金制成的烟囱状管道。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，产生氧气和铁水。氧气气泡到达顶部，而强化铁则聚集在腔室底部，最终硬化成钢。具体来说，它是一种所谓的电解槽，使用电力而不是碳来处理原铁矿石。

波士顿金属电解生产钢水的原理

麻省理工学院 (MIT) 材料化学教授唐纳德·萨多韦 (Donald Sadoway) 表示，几十年前，他在致力于铝（另一种通过碳密集工艺生产的金属）生产时首次产生了熔融氧化物电解的想法。 2012 年，他与两位合伙人共同创立了 Boston Electrometalurgical（又名 Boston Metal），并开始在实验室测试该方法。该公司目前在其沃本工厂运营着三条试点生产线。

Donald Sadoway 教授表示，Breakthrough、必和必拓等公司投资了 5000 万美元，目标是在足够大的范围内展示该技术，以说服投资者支持建设工业设施。如果未来的工厂建成，他估计波士顿金属公司的工艺流程将比传统高炉节省 20% 的能源。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。此外，他们希望大规模地以更低的成本生产更好的金属，并且不排放二氧化碳。

随着波士顿金属公司扩大电解业务，许多钢铁公司都押注于使用氢气来抑制排放。

氢气燃烧时不排放温室气体，可以通过使用可再生电力分解水分子来制造（尽管目前大多数氢气是通过称为蒸汽甲烷重整的过程从天然气中制成的）。在炼钢过程中，氢气会引发化学反应，去除铁矿石中的氧气，从而消除高炉中对纯煤的需求。

总部位于卢森堡的安赛乐米塔尔公司正在德国建造一座示范工厂，采用这种称为 Hydro-DRI 或直接还原铁的方法。日本三菱重工计划今年在奥地利一座年产25万吨的钢铁厂试验该技术。在瑞典，钢铁制造商 SSAB 及其合作伙伴建立了一家试点工厂，用于生产氢气并测试氢气直接还原铁 (DRI)，这两项业务均仅使用水力发电。

建设氢基钢铁工业不仅需要大量资金来建设新工厂，还需要生产、运输和储存绿色氢。专家表示，为了使这些项目在经济上可行，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涨。

新的清洁项目还面临另一个长期挑战。美国和日本等主要市场的钢铁需求正在下降或停滞。生产商生产的钢铁数量已经超过了世界的需求。与此同时，建筑公司和汽车制造商在其项目中越来越多地使用轻质铝、塑料甚至木材。专家表示，这可能会使未来的投资或研究更加合理。

尽管如此，钢铁行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，我们在未来几十年内将需要钢铁，因此所有这些新技术和项目都值得尝试。