文|Ana s Marechal

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

鋼鐵行業(yè)是全球最大的溫室氣體排放者之一，鋼鐵是建筑、交通和可再生能源等領(lǐng)域不可或缺的材料，但其生產(chǎn)過(guò)程需要大量的能源，目前主要依賴(lài)于煤炭。本文分析了循環(huán)經(jīng)濟(jì)、碳捕捉和利用、氫能等技術(shù)在鋼鐵低碳化中的作用和挑戰(zhàn)，以及歐盟和法國(guó)在產(chǎn)業(yè)重置方面的政策。鋼鐵行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型？

一覽：

• 鋼鐵行業(yè)是世界最大的溫室氣體排放源，占全球總排放量的7%。
• 為了響應(yīng)法國(guó)新通過(guò)的《綠色產(chǎn)業(yè)法案》并滿(mǎn)足不斷飆升的市場(chǎng)需求，法國(guó)鋼鐵行業(yè)正在努力實(shí)現(xiàn)煉鋼工藝的去碳化。
• 國(guó)際能源署認(rèn)為，短期來(lái)看，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是最有前景的解決方案，但應(yīng)優(yōu)先鼓勵(lì)減少需求。
• “直接碳減排措施”和“智能碳利用”技術(shù)已經(jīng)證明了其價(jià)值，但仍有待開(kāi)發(fā)。
• 歐盟和法國(guó)致力于建立產(chǎn)業(yè)集群，通過(guò)匯聚資源來(lái)最大限度地降低成本，并減少對(duì)環(huán)境的影響。

法國(guó)于2023年10月11日通過(guò)了《綠色產(chǎn)業(yè)法案》，旨在實(shí)現(xiàn)各大產(chǎn)業(yè)的脫碳。該法案的推出具有重要意義：2022年[1]，法國(guó)工業(yè)排放的溫室氣體占總排放量的18.1%，其中鋼鐵行業(yè)面臨艱巨的脫碳任務(wù)。在法國(guó)，鋼鐵行業(yè)的溫室氣體排放量位居第四（占工業(yè)溫室氣體排放量的20%，全國(guó)總排放量的4%）。而在全球范圍內(nèi)，鋼鐵行業(yè)則位居第一：煉鋼每年排放的二氧化碳高達(dá)28億噸，占全球溫室氣體排放量的7%[2] 。然而，對(duì)鋼鐵的需求仍在不斷飆升。鋼鐵是建筑和交通業(yè)的支柱，也是可再生能源生產(chǎn)的必需品——風(fēng)力渦輪機(jī)三分之二以上的原材料都是鋼鐵！根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的預(yù)測(cè)，到2050年，全球?qū)︿撹F的需求量將增加三分之一以上[3]。

圖片來(lái)源： 國(guó)際能源署的部分分析，由Pauliuk、Wang和Muller(2013)、Cullen、Allwood和Bambach(2012)以及Gibon(2017)等人提供。

注：國(guó)際能源署（IEA）對(duì)全球鋼鐵需求量未來(lái)增長(zhǎng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，左縱軸單位為Gt/年，右縱軸單位為t/人。STEPS指繼續(xù)實(shí)行現(xiàn)有政策的未來(lái)情景、SDS指大力推行可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)情景。

兩種主流煉鋼工藝

鋼鐵是鐵和碳的合金，主要有兩種生產(chǎn)工藝。第一種是鑄鐵煉鋼，占世界鋼產(chǎn)量的70%[4]：首先將煤熱解，產(chǎn)生焦炭。焦炭進(jìn)入高爐后生成一氧化碳，還原爐中的鐵礦石，生成鑄鐵和二氧化碳。鑄鐵隨后送入轉(zhuǎn)爐，煉成鋼。另一種工藝是電爐煉鋼，這種方法被廣泛用于廢鐵的回收利用。除此之外，還有幾種替代方法，如電弧爐熔鐵：先用天然氣或煤炭直接將鐵礦石還原成鐵單質(zhì)，隨后在電弧爐內(nèi)轉(zhuǎn)化為鋼。

煉鋼需要消耗大量能源，高爐的熔化溫度高達(dá)1500°C。然而，在2019年，鋼鐵行業(yè)消耗的能源有四分之三都來(lái)自于煤炭。迄今為止，使用電爐對(duì)廢鐵進(jìn)行回收利用是碳排放最低的選擇，所需的能源僅為礦石煉鋼的八分之一，并且使用電力而非燒煤。法國(guó)國(guó)立南錫高等礦業(yè)學(xué)院教授Fabrice Patisson稱(chēng)，“我們需要提高廢鋼回收利用的比例，但這一行業(yè)深受資源的限制：例如，建筑物中存在大量的鋼材，但一用就是幾十年，無(wú)法得到回收利用?！?/p>

Fabrice Patisson，法國(guó)國(guó)立南錫高等礦業(yè)學(xué)院教授、法國(guó)洛林大學(xué)能源工程碩士專(zhuān)業(yè)點(diǎn)主任

短期和長(zhǎng)期解決方案

短期來(lái)看，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是最有前景的解決方案。生產(chǎn)設(shè)備的更新是脫碳技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，畢竟，如今全球煉鋼設(shè)備的平均使用年限僅為13年，還不到其標(biāo)準(zhǔn)使用壽命的三分之一。IEA提出了一個(gè)到2050年將鋼鐵行業(yè)碳排放減半的前瞻性情景假設(shè)，其中指出，2020-2050年間累計(jì)減少的溫室氣體排放量必須有40%來(lái)自于循環(huán)經(jīng)濟(jì)：具體手段包括延長(zhǎng)建筑物的使用壽命、改進(jìn)建筑設(shè)計(jì)、提高制造業(yè)的材料利用率、減少汽車(chē)的使用并減輕其重量、重復(fù)使用鋼材等。這些手段的共同點(diǎn)在于減少鋼的需求，從而減少能源的消耗，實(shí)現(xiàn)減排。

當(dāng)然，還有一些其他解決方案。鑒于通用鋼的需求短期不會(huì)下降，所以減排的另一大手段便是少用煤炭。鋼鐵行業(yè)的溫室氣體排放量之所以高，主要是由于高爐中的化學(xué)反應(yīng)和能量消耗會(huì)排放大量的二氧化碳。要想生產(chǎn)“綠鐵”，便需要借助電力或綠氫直接還原鐵礦石，而非用使用焦炭。之后，便可用電弧爐將“綠鐵”轉(zhuǎn)化為鋼。這項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為“直接碳減排措施”。Patisson 解釋道：“如今，直接還原工藝已廣為人知并得到廣泛應(yīng)用——約占全球鋼產(chǎn)量的7%，但它主要依賴(lài)合成氣（一種從天然氣中提取的合成氣體），而合成氣中的氫氣只占60%左右。當(dāng)前最大的挑戰(zhàn)是在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)100%的氫氣使用?！?/p>

氫氣路線(xiàn)是最為先進(jìn)的路線(xiàn)：2022年11月，歐洲敲定了60個(gè)鋼鐵脫碳項(xiàng)目，其中42個(gè)都基于氫氣[5]的使用。在瑞典，Hybrit試點(diǎn)項(xiàng)目自2021年以來(lái)一直在使用這種工藝生產(chǎn)綠鋼，它可以帶來(lái)85%的二氧化碳減排[6]。Patisson說(shuō)：“從今往后，鋼鐵制造商的投資意愿和能力將會(huì)左右該行業(yè)的發(fā)展。”不過(guò)，這種生產(chǎn)工藝的能耗很高——如果氫氣生產(chǎn)全部來(lái)源于電解水制氫，則需要370太瓦時(shí)的電力才能實(shí)現(xiàn)歐盟所有通用鋼生產(chǎn)的脫碳[7]，占當(dāng)前總發(fā)電量的14%[8]。

還有一條技術(shù)路線(xiàn)與“直接碳減排措施”相輔相成——即“智能碳利用”，涉及對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的升級(jí)改造。即便行業(yè)對(duì)高爐的使用已經(jīng)爐火純青，但仍有改進(jìn)的余地。例如，有研究表明，鋼鐵生產(chǎn)商購(gòu)買(mǎi)的能源有一半以上都會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中被浪費(fèi)掉[9]。根據(jù)IEA提出的到2050年將鋼鐵行業(yè)碳排放減半的前瞻性情景假設(shè)，現(xiàn)有技術(shù)搭配流程優(yōu)化可將該行業(yè)在2020-2050年間的全球累計(jì)排放量減少21%。這包括部署熱回收系統(tǒng)、提高焦炭質(zhì)量、用天然氣或生物能源部分替代煤炭，以及采用預(yù)測(cè)性維護(hù)工具等。

“在大規(guī)模部署清潔技術(shù)（如氫氣）之前，碳捕集與封存技術(shù)將在短期內(nèi)卓有成效。”

智能碳利用還包括碳回收。與許多工業(yè)部門(mén)一樣，如果鋼鐵行業(yè)要在2050年前成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型，二氧化碳的捕集、回收及封存至關(guān)重要。IEA的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有的碳捕捉技術(shù)可以捕獲2020-2050年間6%的碳排放量，到2050年，捕獲率有望提高到每年25%。目前，世界上只有一個(gè)二氧化碳封存裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，地點(diǎn)在阿聯(lián)酋。還有幾個(gè)碳回收項(xiàng)目則正在開(kāi)發(fā)中。Patisson補(bǔ)充道：“與其他行業(yè)相比，鋼鐵行業(yè)更容易進(jìn)行二氧化碳捕集。在大規(guī)模部署清潔技術(shù)（如氫氣）之前，碳捕集與封存技術(shù)將在短期內(nèi)卓有成效?！?/p>

最后，歐盟和法國(guó)也在致力于構(gòu)建產(chǎn)業(yè)園區(qū)，以減少因產(chǎn)品的長(zhǎng)距離運(yùn)輸而帶來(lái)的碳排放。法國(guó)的能源組合本身碳足跡就相對(duì)較低，因此在溫室氣體減排方面具備優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，法國(guó)正在探索產(chǎn)業(yè)集群的建立，以打造產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。

圖盧茲國(guó)立綜合理工學(xué)院講師Marianne Boix解釋?zhuān)骸邦?lèi)似生態(tài)園區(qū)的產(chǎn)業(yè)集群，有利于各大生產(chǎn)商之間的資源互換。通過(guò)匯聚服務(wù)、供應(yīng)鏈、能源和原材料，可以最大限度地降低對(duì)環(huán)境的影響和成本。”與“單打獨(dú)斗”的工廠相比，產(chǎn)業(yè)集群中的工廠最多可將溫室氣體排放量減少75%[10]。法國(guó)阿塞洛米塔爾公司（ArcelorMittal）在敦刻爾克的生產(chǎn)基地就是一個(gè)很好的例子：高爐的副產(chǎn)品爐渣作為建筑材料被回收利用，余熱則被輸送到敦刻爾克的市政供熱系統(tǒng)[11]。此外，該地還在新建兩座第三代壓水反應(yīng)堆（EPR），以及一個(gè)綠色氫氣生產(chǎn)裝置，以便在未來(lái)為安賽樂(lè)米塔爾的氫基直接還原鐵裝置供應(yīng)氫氣[12]。

Marianne Boix，圖盧茲國(guó)立綜合理工學(xué)院下屬?lài)?guó)立高等化學(xué)工藝技術(shù)工程師學(xué)院講師

Boix總結(jié)道：“氫氣供應(yīng)商的加入將為生態(tài)園帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，也為法國(guó)的脫碳行動(dòng)帶來(lái)了潛力巨大的機(jī)遇?！?/p>

參考資料

1.Citepa, 2023. Gaz à effet de serre et polluants atmosphériques. Bilan des émissions en France de 1990 à 2022. Rapport Secten éd. 2023.

2.https://joint-research-centre.ec.europa.eu/jrc-news-and-updates/eu-climate-targets-how-decarbonise-steel-industry-2022–06-15_en#_ftn1

3.https://www.iea.org/reports/iron-and-steel-technology-roadmap

4.Site internet consulté le 04/10/2023 : https:// worldsteel. org/about-steel/about-steel/

5.Site internet consulté le 04/10/2023 : https://www. eurofer.eu/issues/climate-and-energy/maps-of-key-low-carbon-steel-projects

6.https://doi.org/10.1051/mattech/2021023

7.Sylvie Cornot, La sidérurgie européenne se prépare pour être à la pointe de la décarbonation , Notes de l’Ifri, Ifri, janvier 2023.

8.https://www.consilium.europa.eu/fr/infographics/how-is-eu-electricity-produced-and-sold/#:~:text= Comment+l%27UE+produit%2Delle,électricité+nucléaire+plus+de+20+%25.

9.https://doi.org/10.1002/ente.201901230

10.https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.09.032

11.Site internet consulté le 05/10/2023 : https:// france.arcelormittal.com/engagements/environnement/economie-circulaire

12.Site internet consulté le 05/10/2023 : https:// france.arcelormittal.com/neutralite-carbone/dri-hydrogene