波士頓金屬電解法生產(chǎn)的鐵塊
隨著越來越多的公用事業(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自政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者的越來越大的壓力,要求他們進(jìn)行脫碳操作。專家們說,這樣做對(duì)于將全球變暖控制在1.5攝氏度,避免氣候變化帶來的最嚴(yán)重影響至關(guān)重要。最近幾個(gè)月,世界三大鋼鐵生產(chǎn)商 —— 歐洲的安賽樂米塔爾、中國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O(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。
該公司首席執(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)和全球最大礦業(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。
從煉鋼過程中去除碳排放的技術(shù)的測試,和規(guī)模化并不是建筑材料脫碳的唯一挑戰(zhàn)。綠色產(chǎn)品還必須在一個(gè)利潤率相對(duì)較低、中國廉價(jià)鋼材供應(yīng)過剩的行業(yè)中競爭。
世界資源研究所(World Resources Institute)研究工業(yè)部門轉(zhuǎn)型的高級(jí)研究員表示,為了創(chuàng)造公平的競爭環(huán)境,公共機(jī)構(gòu)和私營企業(yè)需要制定政策,鼓勵(lì)購買無排放的鋼鐵,或者提高購買傳統(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、極其炎熱的熔爐中。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,而且大部分電力來自燃煤發(fā)電廠。
在波士頓金屬的研究機(jī)構(gòu),煉鋼過程是在一個(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,最終硬化成鋼。具體來說,它就是所謂的電解槽,用電而不是碳來處理未加工的鐵礦石。
Boston Metal電解法生產(chǎn)鋼水的原理
麻省理工學(xué)院(MIT)材料化學(xué)教授唐納德·薩多維(Donald Sadoway)說,他第一次有了“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),他們開始在實(shí)驗(yàn)室中測試這種方法。該公司現(xiàn)在在沃伯恩工廠運(yùn)營三條試點(diǎn)生產(chǎn)線。
有了來自Breakthrough、必和必拓等公司的5000萬美元投資,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)未來的工廠建成,他估計(jì)Boston Metal的過程將比傳統(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(可能來自水力發(fā)電廠),其鋼鐵成本將低于競爭對(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,而且可以通過使用可再生電力分解水分子來制造氫(盡管,目前大多數(shù)氫是通過被稱為“蒸汽甲烷重整”的過程由天然氣制造的)。在煉鋼過程中,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米塔爾公司,正在德國建造一個(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)目來說,還有另一個(gè)長期挑戰(zhàn)。包括美國和日本在內(nèi)的主要市場對(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)超過了世界需求。與此同時(shí),建筑公司和汽車制造商越來越多地在他們的項(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源。
很明顯,我們?cè)谖磥韼资赀€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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