鋼鐵行業(yè)邁向碳中和的進(jìn)程正在加速推進(jìn)，近年來(lái)，基于氫能與電力煉鐵技術(shù)發(fā)展速度顯著快于以往。這些技術(shù)創(chuàng)新為實(shí)現(xiàn)真正可持續(xù)的綠色鋼鐵生產(chǎn)開(kāi)辟了道路。
全球主要鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)、礦業(yè)集團(tuán)以及冶金技術(shù)供應(yīng)商正積極研發(fā)專有技術(shù)，并戰(zhàn)略性地投資于新興鋼鐵企業(yè)。他們的關(guān)注重點(diǎn)尤其聚焦在新型氫能煉鐵與電冶鐵等新工藝的發(fā)展上。
這一趨勢(shì)體現(xiàn)出了有意為之的多元化戰(zhàn)略，其重點(diǎn)已超越傳統(tǒng)的電弧爐（EAF）煉鋼工藝，旨在應(yīng)對(duì)高排放的高爐煉鐵這一核心挑戰(zhàn)。通過(guò)拓展技術(shù)組合，這些行業(yè)龍頭企業(yè)正積極布局，以便在碳約束日益嚴(yán)格的市場(chǎng)環(huán)境中保持其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)IDTechEx的預(yù)測(cè)，到2035年，基于氫能的綠色鋼鐵產(chǎn)量預(yù)計(jì)將達(dá)到4600萬(wàn)噸。
采用天然氣作為還原劑的豎爐直接還原鐵（DRI）生產(chǎn)技術(shù)已在全球獲得廣泛應(yīng)用。中東地區(qū)憑借豐富且低成本的天然氣資源，在技術(shù)應(yīng)用和生產(chǎn)規(guī)模上處于領(lǐng)先地位，北美和北非地區(qū)緊隨其后。印度雖仍主要依賴回轉(zhuǎn)窯煤基直接還原鐵工藝，但也保持著可觀的生產(chǎn)規(guī)模。
氫基直接還原鐵（H2-DRI）工藝是鋼鐵生產(chǎn)向綠色轉(zhuǎn)型的必然發(fā)展方向，因而成為當(dāng)前綠色鋼鐵項(xiàng)目最受青睞的技術(shù)。Midrex和Energiron豎爐工廠已成功驗(yàn)證氫氣或富氫氣體的應(yīng)用可行性，瑞典SSAB公司的HYBRIT項(xiàng)目和中國(guó)河鋼集團(tuán)的項(xiàng)目均佐證了這一點(diǎn)。
歐洲在規(guī)劃的綠色鋼鐵項(xiàng)目數(shù)量上處于領(lǐng)先地位，中東、美國(guó)和中國(guó)也開(kāi)展了大量相關(guān)項(xiàng)目。然而，除Stegra公司博登工廠等個(gè)別案例外，這些項(xiàng)目大多將先采用天然氣作為過(guò)渡，待條件成熟后再轉(zhuǎn)向低碳?xì)錃?。這一轉(zhuǎn)型進(jìn)程的快慢主要取決于綠氫與藍(lán)氫的供應(yīng)情況及相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度。
這正是綠色鋼鐵轉(zhuǎn)型面臨的主要挑戰(zhàn)——鋼鐵企業(yè)需要以每公斤2-3美元的價(jià)格獲取大量低碳?xì)錃?，而?dāng)前綠氫價(jià)格仍高達(dá)每公斤4-8美元，兩者差距懸殊。
這一經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)促使企業(yè)重新審視其綠色鋼鐵項(xiàng)目，最顯著的例子是阿塞洛爾米塔爾（ArcelorMittal），盡管獲得了近30億歐元的歐盟補(bǔ)貼，該公司仍推遲了最終投資決策（FID）。因此，圍繞工業(yè)集群的低碳?xì)淠芑A(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)建與降本，將是決定直接還原鐵（DRI）生產(chǎn)基地能否大規(guī)模采用氫能的關(guān)鍵因素。
相較于傳統(tǒng)豎爐氫基直接還原鐵（H2-DRI）工藝，當(dāng)前替代技術(shù)主要聚焦流化床直接還原反應(yīng)器與氫等離子體熔融還原（HSPR）工藝兩大方向。其中，流化床氫基直接還原技術(shù)已研發(fā)多年，目前全球已有數(shù)座小型工業(yè)示范裝置投入運(yùn)行。浦項(xiàng)制鐵（POSCO）、奧鋼聯(lián)（Voestalpine）和美卓奧圖泰（MetsoOutotec）等企業(yè)正在該領(lǐng)域積極開(kāi)展技術(shù)研發(fā)。
流化床氫基直接還原鐵工藝的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠直接使用低品位鐵精粉作為原料，這與需要高品質(zhì)球團(tuán)礦的豎爐工藝形成鮮明對(duì)比。然而，該技術(shù)在商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。
高溫等離子體還原熔煉（HSPR）提供了一種創(chuàng)新的替代方案，能夠利用鐵礦粉，同時(shí)實(shí)現(xiàn)還原與熔煉的同步進(jìn)行，直接生產(chǎn)熔融生鐵。這一工藝無(wú)需像直接還原鐵（DRI）工廠那樣配備獨(dú)立的電弧爐（EAF）。HSPR有望通過(guò)高溫等離子體技術(shù)降低氫氣消耗，并實(shí)現(xiàn)部分電氣化。目前，該技術(shù)的研發(fā)由福斯塔爾賓（Voestalpine）和K1-MET領(lǐng)銜，多家初創(chuàng)企業(yè)也計(jì)劃進(jìn)入該領(lǐng)域。然而，與流化床直接還原鐵相比，HSPR技術(shù)的成熟度仍處于早期階段。
電冶鐵技術(shù)通過(guò)對(duì)鐵礦石進(jìn)行電解，消除了使用氫氣作為還原劑的需求。全球范圍內(nèi)多種技術(shù)路徑正在研發(fā)中。值得關(guān)注的是，總部位于美國(guó)的初創(chuàng)企業(yè)BostonMetal正在率先推進(jìn)熔融氧化物電解（MOE）技術(shù)，以及另一家美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)Electra正在研發(fā)的“電解-電鍍”復(fù)合濕法冶金技術(shù)。
這些公司已獲得來(lái)自多位知名投資者的大量資金支持，投資方包括突破能源投資（BreakthroughEnergyVentures）、必和必拓（BHP）、阿塞洛爾米塔爾（ArcelorMittal）以及礦業(yè)、鋼鐵和風(fēng)險(xiǎn)投資領(lǐng)域的多家其他機(jī)構(gòu)。
許多行業(yè)觀察人士認(rèn)為，這些技術(shù)具有潛在的顛覆性，因?yàn)樗鼈兛梢酝耆@過(guò)氫氣的需求，并能與現(xiàn)有鋼鐵廠無(wú)縫對(duì)接。然而，開(kāi)發(fā)這些解決方案的公司仍需多年努力，才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用并達(dá)到成本競(jìng)爭(zhēng)力。
當(dāng)前，多家企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)正在開(kāi)發(fā)鐵礦石還原的混合工藝方案。其中包括力拓集團(tuán)的“生物煉鐵”（BioIron）技術(shù)——該技術(shù)將微波能與生物質(zhì)還原劑結(jié)合使用，以及Calix公司的“零排放煉鋼技術(shù)”（ZESTY）等電加熱工藝——該工藝采用電加熱氫基豎爐的新型還原法。
IDTechEx預(yù)測(cè)，盡管市場(chǎng)上將涌現(xiàn)出多種技術(shù)，但只有那些能夠解決鋼鐵行業(yè)核心挑戰(zhàn)，并在成本上與傳統(tǒng)基于天然氣的直接還原鐵（DRI）、電弧爐（EAF）煉鋼及高爐煉鐵相當(dāng)?shù)募夹g(shù)，最終才能獲得成功。
盡管鋼鐵行業(yè)的脫碳進(jìn)展令人期待，但該行業(yè)仍面臨諸多重大挑戰(zhàn)，并將在未來(lái)多年持續(xù)依賴以煤炭為基礎(chǔ)的高爐基礎(chǔ)設(shè)施。盡管存在這些障礙，IDTechEx預(yù)測(cè)，到2035年，基于氫能的綠色鋼鐵產(chǎn)量將達(dá)到4600萬(wàn)噸——這一數(shù)字雖具備重要意義，但仍不足以幫助實(shí)現(xiàn)2050年全球凈零排放目標(biāo)。