鉴于钢铁行业在全球二氧化碳排放中占有相当大的份额，因此减少碳排放是人们关注的焦点。因此，该行业非常注重开发替代技术来减少排放。对于高炉炼铁工艺尤其如此，由于使用焦炭来还原铁矿石（即从矿石中去除氧气，然后将碳添加到输出的铁液中），因此该工艺的排放强度最高。
在本期洞察中，我们将详细阐述钢铁行业正在探索/开发的一些新技术，我们认为这些技术可以形成技术突破，从而加速脱碳之路。
从钢铁行业的历史中可以清楚地看出，有一点是不断创新的。在 1800 年代中后期，该行业从有限的早期粗铁和炼钢工艺发展到 Bessemer 工艺，为今天钢铁的广泛使用奠定了基础。在现代 Linz-Donawitz 工艺（即我们今天所知的碱性氧炼钢）开发之前，它首先被平炉所取代。除此之外，电弧炉最初用于特种应用，然后随着发达市场废料供应的增加而被广泛采用。此外，还有许多其他创新提高了炼钢的效率、质量和排放。
然而，排放一直是最难解决的挑战之一，这主要是由于炼铁和炼钢的化学性质。同样，钢的问题在很大程度上是由于它作为现代金属的成功——即它的使用规模。钢铁的排放强度（即每吨产出的排放量）低于有色金属等其他金属，但钢铁的使用规模意味着它对全球排放的贡献很大。随着势头的增强、资金的释放和资本的部署，这一领域的创新也将加速。
在我们对长期钢铁生产的基本情景预测中（发布在 Steel 长期市场展望中），我们假设到 2050 年将运行一些新的脱碳技术。这些技术包括氢基 DRI、DRI 电冶炼炉以及碳捕获、利用和储存。虽然这些技术的实施速度尚不确定，但还有其他新技术（例如电解和电气化直接还原和熔融）未包含在我们的预测中，但有可能改变它。
下面，我们概述了当今钢铁行业使用的三种主要炼钢方法，其次是 CRU 一直在密切跟踪的脱碳技术：
- 传统高炉铁和生氧炉 （BF-BOF）：使用焦炭生产铁，以减少高炉中的铁矿石，铁矿石与冷含铁金属（即通常是黑色废钢）一起送入转炉。这用于生产扁钢和长钢产品。大多数扁钢是通过这条路线生产的。
- 电弧炉 （EAF）：使用碳电极产生热量以熔化固体黑色金属输入：
- 仅用废料进料： 仅用于生产长产品。大多数长材在中国以外的地方使用这种工艺。虽然以废钢为基础的电弧炉生产不使用焦炭，但考虑到高耗电量，范围 2 排放是相关的，因此电弧炉的总体排放取决于当地电力供应的来源。
- 用废料和矿石基金属进料：通常用于生产板材，但由于供应原因或特殊等级，也用于长材生产。生铁或直接还原铁 （DRI） 与废钢一起装料。这样做是为了稀释废料中存在的杂质。
氢基 DRI 生产
直接还原铁的生产目前使用天然气或煤炭，通过合成气或类似方式来减少铁矿石。与高炉铁不同，DRI 在整个过程中保持固态。然而，与高炉一样，直接还原铁通过去除氧气来还原铁矿石，并产生二氧化碳气体，在大多数情况下，这些气体会排放到大气中，因为通常没有安装碳捕获使用或储存设备。
今天的 DRI 主要使用天然气，单个过程产生 ~0.7 吨 CO2/t DRI——低于在高炉中使用焦炭，后者的排放强度为 ~1.1 吨CO2/t 铁水（注意，DRI 排放是直接排放，忽略了天然气勘探和分配的上游排放， 这可能很重要）。基于煤炭的直接还原铁通常具有更高的排放强度。
为了进一步减少 DRI 排放，该行业正在考虑使用氢气作为还原剂，特别是使用可再生资源的水和电通过电解生产的绿色氢气。当使用氢气还原铁矿石时，氢气与氧气结合并产生蒸汽（即气态水）。
绿色 H2 DRI-EAF 生产路线的范围 1+2 排放强度比天然气 DRI-EAF 路线低 80%。一个关键挑战是生产氢气的成本，因为所需电力的数量和成本很高。同样，获得可再生能源是保持低排放的必要条件。
基于 H2 的 DRI 工艺的工业规模应用预计日期为 2026 年，届时瑞典将启动 Stegra 项目。
DRI 电熔炼炉
该行业正在探索电冶炼炉 （ESF） 工艺，作为一种替代方案，为直接还原铁生产中使用的原料带来灵活性。如今，直接还原铁主要使用铁矿石 DR 球团原料生产，主要由高铁含量决定，从长远来看，这种原料将处于供应短缺状态。预期 DRI 在钢铁脱碳中的重要用途必然必须依赖于解决 DRI 球团供应限制的解决方案。
ESF 是一个附加步骤，旨在处理 DRI 并去除其携带的杂质，然后再将液态铁装入 BOF。环境与环境燃料 （ESF） 可以处理不同等级和物理形状的直接还原铁，例如块状、细粉、颗粒状等。在 ESF 工艺中，DRI（n.b. 化石燃料或 H2 基）与废料、助熔剂和一定量的碳一起被送入电冶炼厂。当电流通过 ESF 中的电极时会产生热量，形成热金属和炉渣，这些金属和炉渣会定期被敲击。ESF 生产的铁水类似于 BF 铁水，也将被喂入 BOF。
绿色 H2 DRI-ESF-BOF 生产路线的范围 1+2 排放强度比传统的 BF-BOF 路线低 90%，与绿色 H2 DRI-EAF 路线相似。
DRI-ESF-BOF 路线的工业规模应用预计日期为 2028 年，届时蒂森克虏伯 tkH2Steel 项目将在德国启动（注意，根据最近宣布的项目修订，该项目可能会推迟）。尽管如此，这项技术的一种变体，即使用煤作为还原剂，已经在 Bluescope 的新西兰钢铁公司进行了 ~30 年的商业运行，在那里开发用于处理不适合 BF 的铁砂。
电解电化学铁还原
该行业正在探索两种铁电解工艺，一种使用高温，另一种使用低温。
由 Boston Metal 领导的熔融氧化物电解 （MOE） 工艺使用可再生电力将不同等级的铁矿石转化为液态金属。在 MOE 电池中，惰性阳极浸入含有铁矿石的电解质中，然后通电。当电池达到 1,600°C 时，电子会分裂氧化铁中的键，产生高纯度的液态铁和氧。这种铁液可以直接送入钢包精炼，无需重新加热，也可以冷却并装入电弧炉。
与此同时，安赛乐米塔尔与 John Cockerill 等人正在开发一种名为 Volteron（n.b. previous Siderwin）的低温铁电解工艺，该工艺类似于 Electra 的技术提案。在 Volteron 工艺中，铁矿石被溶解到碱性电解槽中，电流流过两个电极，一个电极会吸引铁，另一个电极会吸引氧气。不同配置的工艺温度从室温到 110°C 不等。由此产生的产品是一块铁板，将被装入电弧炉。
与传统的高炉转炉排放相比，电解铁的范围 1+2 排放量估计减少高达 ~90%。
目前尚无关于波士顿金属公司 MOE 工艺工业规模应用的预计日期的信息，而 Electra 的预计应用日期为 2020 年代末，Volteron 的日期为 2030 年以后。尽管如此，我们认为电解槽的可扩展性将是钢铁行业应用该技术及其大规模生产的主要挑战。
带电直接还原和熔炼
由 SMS 开发的名为 EASyMelt 的电气化直接还原和熔炼工艺是一种使高炉 （BF） 脱碳的工艺，有可能使用有限数量的焦炭和气体减少 ~60% 的排放。该技术可以在现有的 BF-BOF 中实施。
该解决方案的第一步是 Blue 高炉，它可以减少传统 BF 的排放量高达 28%。在这个过程中，合成气由高炉顶部气生产，并注入到高炉的下部竖井区域。合成气主要是二氧化碳和氢气，起还原气的作用，降低 BF 中的焦炭率。
第二步是 Paul Wurth EASyMelt 系统。在这个过程中，合成气也由高炉顶部气生产，并注入回高炉中，但在竖井和风口层面。此外，在风口级别实施等离子炬系统，将注入的气体加热到 1,700°C–2,200°C 之间的温度，从而使炼铁过程电气化。
在合成气生产中使用废气工艺气体将减少钢厂的自发电量，并增加电力购买需求。为了对排放产生预期影响，必须在 Blue Blast Furnace 和 EASyMelt 工艺旁边提供可再生电力供应。
没有关于 EASyMelt 工艺工业规模应用的预计日期的信息。2023 年 6 月，SMS 和塔塔钢铁签署了一份谅解备忘录，将在塔塔位于印度贾姆谢普尔的 BF E 实施 EASyMelt 概念，以联合进行该工艺的工业示范。
碳捕获、利用和封存
钢铁制造商正在考虑将碳捕集、利用和封存 （CCUS） 技术作为减少 CO2 排放的一种选择。 该过程涉及捕集和分离钢铁制造过程中产生的 CO2。可以捕获高炉废气、DRI 竖炉和其他工艺气流的排放物。捕获的 CO2 可用于其他应用和/或储存在枯竭的油藏和其他深层地质构造中。
我们估计，增加 CCUS 后，高炉-转炉将减少 60% 的范围 1+2 排放，天然气基 DRI-EAF 将减少 50%，但如果在工艺气体回路和重整器废气系统上安装 CCS 装置，后者可能会增加。
目前，没有商业规模的 BF 尾气 CCUS 工厂，而 CCUS 工厂自 2016 年以来一直在中东运营。在 阿联酋的 Al Reyadah 工厂，800 kt/y 的CO2 占总排放量的 ~45%，可以从 DRI 竖炉中捕获，并用于石油和天然气行业，以提高石油采收率 （EOR）。
前景乐观 前景进一步改善
CRU 的钢铁长期市场展望预测了钢铁行业将发生重大变化，因为投资推动了替代生产方式以减少排放。然而，突破性技术帮助该行业实现净零目标的机会要大得多。创新是钢材作为现代金属成功的核心，我们预计会找到解决方案，尽管它们的成本会高于现有工艺。下面，我们以一张图表结束，该图表显示了上述各种过程的排放强度。
