隨著越來(lái)越多的公用事業(yè)公司和企業(yè)投資于可再生能源，煤炭對(duì)全球電力行業(yè)的控制正在放松。但煤炭的主要消費(fèi)國(guó)度之一 —— 鋼鐵行業(yè)發(fā)現(xiàn)，要戒掉對(duì)煤炭的依賴卻越來(lái)越難了。
鋼鐵公司每年生產(chǎn)近20億噸高強(qiáng)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(huì)消耗大量煤炭。 結(jié)果，該行業(yè)約占年度二氧化碳排放量的8％，以及產(chǎn)生有毒的空氣污染物。
全球鋼鐵制造商正面臨著來(lái)自政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者的越來(lái)越大的壓力，要求他們進(jìn)行脫碳操作。專家們說(shuō)，這樣做對(duì)于將全球變暖控制在1.5攝氏度，避免氣候變化帶來(lái)的嚴(yán)重影響至關(guān)重要。近幾個(gè)月，世界三大鋼鐵生產(chǎn)商 —— 歐洲的安賽樂(lè)米塔爾、中國(guó)的寶武鋼鐵和日本的新日鐵，均承諾在2050年前實(shí)現(xiàn)凈零排放，這與它們?cè)诒緡?guó)設(shè)定的目標(biāo)相一致。
但是，為了遏制鋼鐵業(yè)的碳排放，該行業(yè)必須改變這種材料的傳統(tǒng)制造方式。
在波士頓郊外的沃伯恩工業(yè)區(qū)，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(xué)院（MIT）的一家分支機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)化為金屬，冷卻后變成灰色的鋼塊。這個(gè)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，而且當(dāng)使用可再生能源供電時(shí)，完全可以實(shí)現(xiàn)零排放。
該公司執(zhí)行官表示，Boston Metal正在“引領(lǐng)冶金學(xué)的新時(shí)代”。今年1月，這家成立9年的初創(chuàng)公司已經(jīng)從許多投資者那里籌集了5000萬(wàn)美元，其中包括比爾 蓋茨（Bill gates）領(lǐng)導(dǎo)的突破性能源投資公司（Breakthrough Energy Ventures）和全球大礦業(yè)公司之一必和必拓（BHP）的風(fēng)險(xiǎn)投資部門。新的資金將允許它在沃伯恩建立一個(gè)示范工廠，每年能生產(chǎn)25000噸金屬；到目前為止，該公司總共只生產(chǎn)了幾噸鋼。
Boston Metal的方法是為數(shù)不多的具有脫碳煉鋼潛力的突破性技術(shù)之一。一些公司正在歐洲各地試點(diǎn)使用氫取代煤的系統(tǒng)。在巴西，一些鋼廠正在混合用農(nóng)業(yè)廢料制成的生物炭。其他公司仍在繼續(xù)使用煤炭，但正在考慮用碳捕獲裝置改造設(shè)施，以減少排放。
從煉鋼過(guò)程中去除碳排放的技術(shù)的測(cè)試，和規(guī)模化并不是建筑材料脫碳的挑戰(zhàn)。綠色產(chǎn)品還必須在一個(gè)利潤(rùn)率相對(duì)較低、中國(guó)廉價(jià)鋼材供應(yīng)過(guò)剩的行業(yè)中競(jìng)爭(zhēng)。
世界資源研究所（World Resources Institute）研究工業(yè)部門轉(zhuǎn)型的研究員表示，為了創(chuàng)造公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，公共機(jī)構(gòu)和私營(yíng)企業(yè)需要制定政策，鼓勵(lì)購(gòu)買無(wú)排放的鋼鐵，或者提高購(gòu)買傳統(tǒng)供應(yīng)品的成本。(例如，加州限制了在政府支持的建筑項(xiàng)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(tǒng)方式制造的：在巨大的、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(zhì)。
上圖：電弧爐煉鋼設(shè)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(shí)需要大量的電力，而且大部分電力來(lái)自燃煤發(fā)電廠。
在波士頓金屬的研究機(jī)構(gòu)，煉鋼過(guò)程是在一個(gè)叫做電解池的低矮的金屬圓筒中進(jìn)行的。電從頂部輸入，通過(guò)一個(gè)由鉻基合金制成的煙囪狀管道流動(dòng)。然后，電流通過(guò)由氧化鐵和其他金屬礦物組成的液體溶液。這會(huì)加熱氧化物熔體并驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生氧氣和鐵水。氧氣泡到頂部，而強(qiáng)化鐵則聚集在腔室底部，終硬化成鋼。
上圖：Boston Metal公司的煉鋼示意圖
麻省理工學(xué)院（MIT）材料化學(xué)教授唐納德·薩多維（Donald Sadoway）說(shuō)，他次有了“熔融氧化物電解”的想法是在幾十年前，當(dāng)時(shí)他正在研究生產(chǎn)鋁（另一種通過(guò)碳密集型工藝生產(chǎn)的金屬）的替代方法。2012年，他與兩名合作伙伴共同創(chuàng)辦了Boston Electrometallurgical（又名Boston Metal），他們開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這種方法。該公司現(xiàn)在在沃伯恩工廠運(yùn)營(yíng)三條試點(diǎn)生產(chǎn)線。
有了來(lái)自Breakthrough、必和必拓等公司的5000萬(wàn)美元投資，唐納德·薩多維教授表示，他們的目標(biāo)是在足夠大的規(guī)模上展示這項(xiàng)技術(shù)，以說(shuō)服投資者支持建設(shè)一個(gè)工業(yè)設(shè)施。如果這個(gè)未來(lái)的工廠建成，他估計(jì)Boston Metal的過(guò)程將比傳統(tǒng)的高爐少消耗20%的能源。而且，如果該工廠能夠使用廉價(jià)、充足的可再生電力（可能來(lái)自水力發(fā)電廠），其鋼鐵成本將低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。另外，在規(guī)模上，他們希望以更低的成本生產(chǎn)更好的金屬，而且沒(méi)有二氧化碳排放。
隨著波士頓金屬公司擴(kuò)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(lái)抑制排放上。
氫在燃燒時(shí)不會(huì)排放溫室氣體，而且可以通過(guò)使用可再生電力分解水分子來(lái)制造氫（盡管，目前大多數(shù)氫是通過(guò)被稱為“蒸汽甲烷重整”的過(guò)程由天然氣制造的）。在煉鋼過(guò)程中，氫氣會(huì)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，將鐵礦石中的氧氣移除，從而消除了高爐對(duì)純凈煤的需求。
總部位于盧森堡的安賽樂(lè)米塔爾公司，正在德國(guó)建造一個(gè)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(jì)劃今年在奧地利一家年產(chǎn)25萬(wàn)噸的鋼鐵廠試用這項(xiàng)技術(shù)。在瑞典，鋼鐵制造商SSAB及其合作伙伴已經(jīng)建立了一個(gè)生產(chǎn)氫供應(yīng)和測(cè)試氫-DRI的試點(diǎn)工廠，兩項(xiàng)操作都只使用水力發(fā)電。
建設(shè)以氫為基礎(chǔ)的鋼鐵工業(yè)，不僅需要大量的資金來(lái)建造新工廠，而且還需要生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存綠色氫。對(duì)此，專家們表示，這些項(xiàng)目要想在經(jīng)濟(jì)上可行，氫和可再生電力的價(jià)格必須大幅下降，而二氧化碳的價(jià)格必須上升。
對(duì)于新的清潔項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，還有另一個(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。包括美國(guó)和日本在內(nèi)的主要市場(chǎng)對(duì)鋼鐵的需求正在下降或停滯。生產(chǎn)商生產(chǎn)的鋼鐵已經(jīng)超過(guò)了世界需求。與此同時(shí)，建筑公司和汽車制造商越來(lái)越多地在他們的項(xiàng)目中使用輕質(zhì)鋁、塑料，甚至木材。專家表示，這可能會(huì)讓未來(lái)的投資或研究變得更加合理。
盡管如此，鋼鐵工業(yè)仍然是世界經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也是世界排放的重要來(lái)源。
很明顯，我們?cè)谖磥?lái)幾十年還將需要鋼鐵，所以所有這些新技術(shù)和新項(xiàng)目都是值得一試的。
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