欧盟委员会理事会已于2011年决定了到2050年实现具有竞争力的低碳经济路线图。根据该图，到2050年，欧洲工业必须将其CO2排放量在1990年的基础上削减80%至95%。2018年11月28日，欧盟委员会在巴黎联合国气候协定之际发布了到2050年实现气候中和经济的长期战略愿景。2019年12月，欧盟委员会发布《欧洲绿色协议》，提出到2050年实现碳中和，并阐明了欧洲迈向气候中和循环经济体的行动路线和政策框架。欧盟理事会、欧洲议会和欧盟委员会已于2021年4月21日在“三部曲”的背景下宣布了一项初步协议。即在气候保护法的框架内，到2030年，温室气体排放量将比1990年至少减少55%。为了达成此目标，欧盟委员会提出了“Fit for 55”的一揽子气候计划，包括能源、工业、交通、建筑等系列举措。欧盟已于2021年7月提出了《欧洲气候法（European Climate Law）》。
欧洲钢铁工业也要到2050年实现温室气体中和目标，并将在2030年前大幅减少CO2排放。这样的全面脱碳对欧洲钢铁行业来说，将是一个巨大的挑战。为了实现这一目标，必须适时了解政策的边界条件，为无CO2炼铁和炼钢技术提供必要的投资。
欧洲粗钢产量
在过去十年间，欧盟28国的粗钢产量从未恢复到2008-2009年金融危机前的峰值水平，年产量稳定在1.6-1.7亿吨左右。然而，在2020年COVID新冠疫情流行期间，欧盟28国的粗钢产量回落到前十年的最低水平，年产量仅为1.39亿吨，2021年产量略有回升，达到1.6亿吨左右。
德国、意大利、法国、西班牙和波兰是 2020 年欧盟或欧盟28国中最大的钢铁生产国。
在欧盟范围内，经由氧气炼钢或高炉-碱性氧气转炉（BF-BOF）路线的粗钢生产在过去四十年间一直占据主导地位。2021年，该份额占总产量的57.3%。预计氧气转炉炼钢在短期内（即本十年）仍将是主要的生产路线。有12个欧盟国家的BF-BOF路线的钢产量份额超过了60%，它们是德国、法国、奥地利、荷兰、英国、捷克、比利时、斯洛伐克、瑞典 、芬兰、罗马尼亚和匈牙利。
另一方面，在意大利和西班牙等国，以废钢为基础的电炉炼钢工艺（通过电弧炉 EAF）是最主要的钢铁生产工艺；更具体地说，葡萄牙和卢森堡的EAF钢铁生产占比达到了100%。
欧洲炼钢生产路线的CO2排放
在BF-BOF路线，亦称综合炼钢路线中，1880kg/t粗钢的CO2排放量直接产生于焦化厂、烧结厂、高炉、转炉的生产过程和后续的浇铸和轧制工艺步骤，以及利用上游工艺副产气体运行的下游发电厂中。该路线中的CO2主要来自高炉。高炉的含铁金属炉料为烧结矿、球团矿和块矿。烧结厂在综合钢厂内运行，而球团矿主要在铁矿石供应商所在地生产。在欧洲，只有荷兰艾默伊登塔塔钢铁公司的综合钢厂运营了一个球团厂。
用C或CO还原高炉中的铁矿石，不可避免会产生CO2。在含CO和CO2的高炉煤气进行能量转换/利用后，并对含C铁水进行处理后，高炉工艺中使用的C将以CO2的形式排放到大气中。在综合高炉转炉路线中，高炉生产出1500℃的铁水，通过液态炉渣，从中分离出主要的铁矿石脉石矿物。产出的高炉渣主要被粒化用于水泥生产，取代波特兰水泥熟料，从而大幅减少CO2的排放量。由于物理原因，高炉没有焦炭是无法运行的。焦炭主要起到还原铁矿石和骨架作用。通过向高炉风口喷吹煤粉，减少焦炭消耗量。
BF-BOF路线的固体燃料/还原剂的能耗为15.8GJ/t粗钢，电耗为161kWh/t粗钢。焦化厂、高炉和转炉炼钢车间的副产煤气主要用于发电厂发电。气体中的CO经燃烧被氧化成CO2，并与发电厂的废气一起排放到大气中。发电量约为410kWh/t粗钢。这条路线不仅可以完全通过自产电力来满足其电力需求，还可以利用其加工气体输出电力。
在以废钢为原料的EAF路线中，只有一部分CO2排放是由工艺本身产生的。排放的CO2主要来自为工艺外购的电能而产生的CO2，因为EAF路线不产生可用于发电的副产煤气。耗电量为527kWh/t粗钢。CO2排放量为300g/kWh时，该工艺的CO2排放量为410kg/t粗钢。燃料能耗为0.6GJ/t粗钢。
铁矿石还原的直接还原工艺是作为高炉工艺的替代工艺而开发的，目的是避免使用焦炭，从而避开焦化厂。自20世纪70年代初以来，在工业直接还原技术领域，富氢天然气被用作还原剂来还原铁矿石。例如，采用竖炉工艺生产直接还原铁（DRI）。在这种工艺中，铁矿石中的大部分氧被去除，从而产出DRI，但DRI是固体，仍含有各种铁矿石脉石矿物。这意味着不会出现液相和熔渣冶金。在电弧炉中，通过冶炼和熔渣冶金，将DRI加工成粗钢。以天然气为还原剂，直接还原-电弧炉（DR-EAF）工艺路线的CO2排放量为990kg/t粗钢。吹入工业直接还原竖炉的还原气含有60%-80%的氢。在向电弧炉中装入80%的DRI和20%的废钢时，燃料/还原剂的能耗为9.2GJ/t粗钢，电耗为740kWh/t粗钢。
欧盟28国钢铁工业2015年的CO2排放量与1990年的对比
本研究分别计算了1990年和2015年欧盟28国钢铁工业的CO2具体排放量和总排放量，前者是为了获得基年的正确数字，后者是为了强调过去二十五年的CO2减排情况。
欧洲钢铁工业CO2排放量的计算体系边界已达成一致，即各工艺步骤的CO2排放量作为直接排放量计入平衡（范围I）。在提供电力的综合工艺路线中，副产煤气能源利用所产生的CO2排放量已在各工艺步骤中得到平衡。至于基于废钢和DRI的EAF路线，该路线不产生任何发电用高能副产煤气，外供电力产生的CO2排放作为间接排放计入平衡（范围II）。为便于比较，在某些情况下，局部考虑将外购材料（如铁矿石球团或DRI）的CO2排放计入平衡（范围III）。
价值链上产生的副产煤气用于发电和供热，产生的电力足以满足综合工厂的电力需求（假设自给自足）。因此，在CO2平衡中不考虑这方面的补偿。粒化高炉渣因用于水泥生产而导致CO2减排，为避免重复计算，所以本研究并未将粒化高炉渣作为CO2补偿而进行进一步研究。
1990年和2015年的评估显示，钢铁行业的CO2总排放量从2.98亿吨下降到2.16亿吨，降幅为28%（表1）。同期，欧盟的粗钢产量从1.97亿吨降至2015年的1.66亿吨，降幅为16%。每吨粗钢的CO2排放量从1.5吨降至1.3吨，降幅为14%。电炉炼钢在炼钢总量中的占比从28%增至2015年的39%。同时，电炉炼钢外购电力的CO2排放量从585gCO2/kWh 下降到了300gCO2/kWh。
事实上，欧洲钢铁产量的下降为CO2 28%的绝对量减排做出了近一半的贡献。
到2050年达到CO2减排目标的备选方案
欧盟钢铁工业CO2减排的主要方案可归纳为两条途径：智能碳利用（SCU） 和直接避免碳排放（CDA）。
SCU包括在工艺整合以减少用碳的情况下，传统高炉转炉路线为减少CO2排放而增加的一些措施。可能还包括所谓的末端技术，如CCS和CCU。CDA这一类涉及基于废钢和无CO2电力的EAF工艺路线和基于天然气、H2无CO2电力的DRI-EAF路线。
从综合的碳基高炉/转炉路线转变为DR-EAF路线，将不再需要焦炭和烧结矿，取而代之的，是更多的天然气、H2和球团需求。本研究的一个主要假设是，欧洲钢铁工业不会出现碳泄漏。这就意味着，工艺所需的全部球团铁矿石炉料应在欧洲境内生产，并视为直接排放。
智能碳利用（SCU）
现有钢铁厂的新增措施具有CO2减排效果，但如果不采用 CCS和CCU，则无法实现大规模的CO2减排。当前现有高炉实施的增量措施就是通过高炉风口吹入富氢气体或纯氢，并/或在炉身下部的第二注入层预热，以取代煤粉和/或焦炭。仅就高炉工艺而言，便可实现高达20%的CO2减排。
采用CCS的项目有顶部煤气回收或氧气高炉（此处不再赘述）以及HIsarna熔融还原炼铁工艺。
利用基于熔池反应器技术的HIsarna熔融还原工艺，在精矿和细煤粉生产出热铁水。它不像高炉那样需要焦化厂、烧结厂和球团厂的造粒工序。两步炉使用一个旋风分离器对精矿预还原并熔化，以及一个熔池反应器对矿石进行最终还原。利用煤脱气产生的热量，在工艺外的反应器中完成煤的热解。该工艺使用纯氧。通过回收熔炼厂的余热来提供生产氧气所需的能量。预计该工厂会产生可直接储存的高CO2浓度废气。无CCS的情况下，预计每吨热轧卷可减少20%的CO2排放，而与CCS结合使用，便可减少80%的CO2排放。2010年，在荷兰艾默伊登建造了一座试点工厂，铁水设计产能8t/h，并于2011年5月产出了第一炉铁水。随后几年里运行的炉次也取得了令人鼓舞的结果。根据首次试验和计算结果，与生产过程有关的CO2排放量为1770kg/t粗钢。HIsarna铁水于碱性氧气转炉内精炼成粗钢。2021年秋，塔塔钢铁欧洲公司宣布，不再将艾默伊登作为备选继续跟进这一工艺。
采用CCU的项目有IGAR Steelanol和Carbon2Chem。Steelanol就是利用微生物将高炉煤气中的CO和H2转化为乙醇。通过这种方式，原本会被焚烧成为CO2的C被转化成化学物质（CCU）。Steelanol后剩下的是富CO2气流，可直接用于IGAR技术，在等离子喷枪火炬中转化天然气，获得由CO和H2组成的热还原气体。
这种还原性气体经风口吹入高炉。等离子气体处理将采用低碳电。由于该工艺仅靠氧气（无热空气）运行，因此，含碳固体废料（如固体生物质和塑料）的高喷射率与热还原气体相结合，最大限度地降低了高炉的焦炭率。
蒂森克虏伯的Carbon2 Chem计划旨在利用综合钢铁厂的副产煤气（如焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气）作为化工产品的原料，由此避免这些气体在发电厂燃烧发电时排放CO2。因此，该项目对气候保护和能源转型具有重要贡献。另一方面，用于生产化工产品的气体量不再用于生产综合钢厂所需的电力。那么，缺失的电能需要由外部来源提供，而这些外部来源必须不含CO2。
Carbon2Chem需要从绿色能源中，为参与氨和甲醇生产的化学过程获得更多H2。因为所有的C都被最大限度地回收利用或转化为化学物质，所以这种工艺组合也说明了如何能够循环使用C和CO2。
就SCU途径中的CCU项目IGAR/Steelanol和Carbon2 Chem而言，排放到大气中的CO2可降至600kgCO2/t粗钢以下。但必须注意的是，C仍然存在于CCU产品中。
欧盟目前在炼钢过程中减少CO2排放的项目
表4概括了欧盟目前正在实施的钢铁生产CO2减排项目。在碳基路径SCU方面，安赛乐米塔尔的IGAR/Steelanol项目和蒂森克虏伯的Carbon2Chem项目正在开发中。通过这些项目，可将CO2排放量降到600kg/t粗钢以下。必须牢记的是，综合钢铁厂副产煤气中的C仍留在CCU化学制品中。塔塔钢铁欧洲公司伊姆斯登HIsarna工艺路线与氧气转炉相结合，只有应用CCS才能达到低于600kgCO2/t粗钢的排放水平。
在CDA路线方面，目前有许多项目正在进行中。德国汉堡、不来梅和艾森赫滕施塔特的安赛乐米塔尔公司、迪林根钢铁公司、萨尔茨吉特扁钢公司、杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢铁欧洲公司、荷兰艾默伊登的塔塔钢铁欧洲公司和奥地利奥钢联，都在开发氢基DR-EAF路线。该工艺路线的CO2排放量可达339kg/t粗钢或更低。
成功应用所有这些工艺的先决条件是获得大量无CO2氢气和无CO2电能。
本文节选自《世界金属导报》
第2期 B14、B15
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