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，這與它們在本國設(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。這個過程不會產(chǎn)生溫室氣體排放，而且當(dāng)使用可再生能源供電時，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)險投資部門。新的資金將允許它在沃伯恩建立一個示范工廠，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)品還必須在一個利潤率相對較低、中國廉價鋼材供應(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，通過一個由鉻基合金制成的煙囪狀管道流動。然后，電流通過由氧化鐵和其他金屬礦物組成的液體溶液。這會加熱氧化物熔體并驅(qū)動化學(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。

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，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)一個工業(yè)設(shè)施。如果這個未來的工廠建成，他估計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、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。

氫在燃燒時不會排放溫室氣體，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)輸和儲存綠色氫。對此，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格必須大幅下降，而二氧化碳的價格必須上升。

對于新的清潔項(xiàng)目來說，還有另一個長期挑戰(zhàn)。包括美國和日本在內(nèi)的主要市場對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，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，我們在未來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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