文|Ana s Marechal

编辑|Meister Xia

导读

钢铁行业是全球最大的温室气体排放者之一，钢铁是建筑、交通和可再生能源等领域不可或缺的材料，但其生产过程需要大量的能源，目前主要依赖于煤炭。本文分析了循环经济、碳捕捉和利用、氢能等技术在钢铁低碳化中的作用和挑战，以及欧盟和法国在产业重置方面的政策。钢铁行业如何实现低碳转型？

一览：

• 钢铁行业是世界最大的温室气体排放源，占全球总排放量的7%。
• 为了响应法国新通过的《绿色产业法案》并满足不断飙升的市场需求，法国钢铁行业正在努力实现炼钢工艺的去碳化。
• 国际能源署认为，短期来看，发展循环经济是最有前景的解决方案，但应优先鼓励减少需求。
• “直接碳减排措施”和“智能碳利用”技术已经证明了其价值，但仍有待开发。
• 欧盟和法国致力于建立产业集群，通过汇聚资源来最大限度地降低成本，并减少对环境的影响。

法国于2023年10月11日通过了《绿色产业法案》，旨在实现各大产业的脱碳。该法案的推出具有重要意义：2022年[1]，法国工业排放的温室气体占总排放量的18.1%，其中钢铁行业面临艰巨的脱碳任务。在法国，钢铁行业的温室气体排放量位居第四（占工业温室气体排放量的20%，全国总排放量的4%）。而在全球范围内，钢铁行业则位居第一：炼钢每年排放的二氧化碳高达28亿吨，占全球温室气体排放量的7%[2] 。然而，对钢铁的需求仍在不断飙升。钢铁是建筑和交通业的支柱，也是可再生能源生产的必需品——风力涡轮机三分之二以上的原材料都是钢铁！根据国际能源署（IEA）的预测，到2050年，全球对钢铁的需求量将增加三分之一以上[3]。

图片来源： 国际能源署的部分分析，由Pauliuk、Wang和Muller(2013)、Cullen、Allwood和Bambach(2012)以及Gibon(2017)等人提供。

注：国际能源署（IEA）对全球钢铁需求量未来增长趋势的预测，左纵轴单位为Gt/年，右纵轴单位为t/人。STEPS指继续实行现有政策的未来情景、SDS指大力推行可持续发展的未来情景。

两种主流炼钢工艺

钢铁是铁和碳的合金，主要有两种生产工艺。第一种是铸铁炼钢，占世界钢产量的70%[4]：首先将煤热解，产生焦炭。焦炭进入高炉后生成一氧化碳，还原炉中的铁矿石，生成铸铁和二氧化碳。铸铁随后送入转炉，炼成钢。另一种工艺是电炉炼钢，这种方法被广泛用于废铁的回收利用。除此之外，还有几种替代方法，如电弧炉熔铁：先用天然气或煤炭直接将铁矿石还原成铁单质，随后在电弧炉内转化为钢。

炼钢需要消耗大量能源，高炉的熔化温度高达1500°C。然而，在2019年，钢铁行业消耗的能源有四分之三都来自于煤炭。迄今为止，使用电炉对废铁进行回收利用是碳排放最低的选择，所需的能源仅为矿石炼钢的八分之一，并且使用电力而非烧煤。法国国立南锡高等矿业学院教授Fabrice Patisson称，“我们需要提高废钢回收利用的比例，但这一行业深受资源的限制：例如，建筑物中存在大量的钢材，但一用就是几十年，无法得到回收利用。”

Fabrice Patisson，法国国立南锡高等矿业学院教授、法国洛林大学能源工程硕士专业点主任

短期和长期解决方案

短期来看，发展循环经济是最有前景的解决方案。生产设备的更新是脱碳技术创新的基础，毕竟，如今全球炼钢设备的平均使用年限仅为13年，还不到其标准使用寿命的三分之一。IEA提出了一个到2050年将钢铁行业碳排放减半的前瞻性情景假设，其中指出，2020-2050年间累计减少的温室气体排放量必须有40%来自于循环经济：具体手段包括延长建筑物的使用寿命、改进建筑设计、提高制造业的材料利用率、减少汽车的使用并减轻其重量、重复使用钢材等。这些手段的共同点在于减少钢的需求，从而减少能源的消耗，实现减排。

当然，还有一些其他解决方案。鉴于通用钢的需求短期不会下降，所以减排的另一大手段便是少用煤炭。钢铁行业的温室气体排放量之所以高，主要是由于高炉中的化学反应和能量消耗会排放大量的二氧化碳。要想生产“绿铁”，便需要借助电力或绿氢直接还原铁矿石，而非用使用焦炭。之后，便可用电弧炉将“绿铁”转化为钢。这项技术被称为“直接碳减排措施”。Patisson 解释道：“如今，直接还原工艺已广为人知并得到广泛应用——约占全球钢产量的7%，但它主要依赖合成气（一种从天然气中提取的合成气体），而合成气中的氢气只占60%左右。当前最大的挑战是在工业规模上实现100%的氢气使用。”

氢气路线是最为先进的路线：2022年11月，欧洲敲定了60个钢铁脱碳项目，其中42个都基于氢气[5]的使用。在瑞典，Hybrit试点项目自2021年以来一直在使用这种工艺生产绿钢，它可以带来85%的二氧化碳减排[6]。Patisson说：“从今往后，钢铁制造商的投资意愿和能力将会左右该行业的发展。”不过，这种生产工艺的能耗很高——如果氢气生产全部来源于电解水制氢，则需要370太瓦时的电力才能实现欧盟所有通用钢生产的脱碳[7]，占当前总发电量的14%[8]。

还有一条技术路线与“直接碳减排措施”相辅相成——即“智能碳利用”，涉及对现有生产工艺的升级改造。即便行业对高炉的使用已经炉火纯青，但仍有改进的余地。例如，有研究表明，钢铁生产商购买的能源有一半以上都会在生产过程中被浪费掉[9]。根据IEA提出的到2050年将钢铁行业碳排放减半的前瞻性情景假设，现有技术搭配流程优化可将该行业在2020-2050年间的全球累计排放量减少21%。这包括部署热回收系统、提高焦炭质量、用天然气或生物能源部分替代煤炭，以及采用预测性维护工具等。

“在大规模部署清洁技术（如氢气）之前，碳捕集与封存技术将在短期内卓有成效。”

智能碳利用还包括碳回收。与许多工业部门一样，如果钢铁行业要在2050年前成功实现转型，二氧化碳的捕集、回收及封存至关重要。IEA的数据显示，现有的碳捕捉技术可以捕获2020-2050年间6%的碳排放量，到2050年，捕获率有望提高到每年25%。目前，世界上只有一个二氧化碳封存装置已经实现商业化，地点在阿联酋。还有几个碳回收项目则正在开发中。Patisson补充道：“与其他行业相比，钢铁行业更容易进行二氧化碳捕集。在大规模部署清洁技术（如氢气）之前，碳捕集与封存技术将在短期内卓有成效。”

最后，欧盟和法国也在致力于构建产业园区，以减少因产品的长距离运输而带来的碳排放。法国的能源组合本身碳足迹就相对较低，因此在温室气体减排方面具备优势。当前，法国正在探索产业集群的建立，以打造产业生态圈。

图卢兹国立综合理工学院讲师Marianne Boix解释：“类似生态园区的产业集群，有利于各大生产商之间的资源互换。通过汇聚服务、供应链、能源和原材料，可以最大限度地降低对环境的影响和成本。”与“单打独斗”的工厂相比，产业集群中的工厂最多可将温室气体排放量减少75%[10]。法国阿塞洛米塔尔公司（ArcelorMittal）在敦刻尔克的生产基地就是一个很好的例子：高炉的副产品炉渣作为建筑材料被回收利用，余热则被输送到敦刻尔克的市政供热系统[11]。此外，该地还在新建两座第三代压水反应堆（EPR），以及一个绿色氢气生产装置，以便在未来为安赛乐米塔尔的氢基直接还原铁装置供应氢气[12]。

Marianne Boix，图卢兹国立综合理工学院下属国立高等化学工艺技术工程师学院讲师

Boix总结道：“氢气供应商的加入将为生态园带来显著的经济和环境效益，也为法国的脱碳行动带来了潜力巨大的机遇。”

 

参考资料

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