“碳中和大陆”背景下 欧盟有哪些技术难题待破解？

短中长期阶段亟待突破的关键技术

为实现欧盟“碳中和大陆”的目标，各种政策密集出台，欧洲主要钢企均提出了目标和行动计划。目前正在研发或已达到商业成熟级别的主要技术有：瑞典钢铁（SSAB）的HYBRIT技术（突破性氢能炼铁技术）、塔塔钢铁的Hlsarna技术（直接利用煤粉和粉矿的熔融还原技术）、奥钢联的HYFOR技术（氢基粉矿还原技术）和H2FUTURE项目（用可再生能源发电以制造“绿色氢”）、安赛乐米塔尔的智能碳和直接还原铁（DRI）技术、意大利Tenova（特诺恩集团）的HYL/ENERGIRON-ZR直接还原铁技术、蒂森克虏伯的Carbon2Chem碳捕捉技术。此外，欧盟正在推进的项目还有IGAR、PEM和STEPWISE、Steelanol、FReSMe、Everest（碳捕集、存储项目）等。

上述这些技术，可分为两个主要的技术路线，即“智能碳使用”和“碳直接避免”。欧洲钢铁业普遍认为，这两条技术路线最终都能实现碳中和的目标，而采用“碳直接避免”的技术路线，碳减排的效率是“智能碳使用”技术路线的4倍。如果用“绿色氢”替代碳进行直接还原，可实现近乎100%的碳减排。考虑到转型期间的成本问题，在2030年前，“碳直接避免”很难完全达到商业化运营条件，而“智能碳使用”则会在2030年前发挥效果，以支撑欧盟到2030年减少55%温室气体排放量（与1990年水平相比）的目标。

这些技术突破的进展状态差异较大。基于两条技术路线，根据商业化成熟度的3个阶段（即短中期、中期、长期阶段），再结合“碳基冶金”“电力基冶金”“氢基冶金”三元维度，可将这些技术归纳如下：

在短中期阶段，需要突破的关键技术可分为以下4个方面：

一是PI过程集成方向，包括高炉脱碳煤气的回收利用、高炉和连铸的二氧化碳捕集、混煤或混焦装煤、生物质燃料替代高炉喷煤、高炉喷吹纯氢或富氢气体、天然气直接还原、利用现有钢铁厂气体熔炼废钢等技术。

二是“碳直接避免”方向，包括氢基直接还原+电弧炉技术。

三是碳捕集与利用方向，包括用钢厂排放的气体制造甲醇、乙醇、聚合物的原料，利用残渣进行矿物碳化等。

四是辅助工艺方向，包括碱性水电解（AEL）、质子交换膜电解（PEMEL）、吸附强化水煤气变换（SEWGS）等制氢技术和真空变压吸附、胺洗涤、甲醇洗涤、低温分离等碳捕捉技术。

短中期阶段的商业化成熟目标是：到2030年，二氧化碳减排目标为40%（相比于1990年的水平）；用天然气基的DR—EAF（直接还原炉-电炉）工艺替代部分高炉—转炉的传统工艺；从传统高炉冶炼方案切换到各种改进型的高炉冶炼方案；用生物质燃料替代部分高炉喷煤。到2030年，78%的高炉—转炉工艺将转型为新的技术。

在中期阶段，需要突破的关键技术可分为以下4个方面：

一是“碳直接避免”方向，包括电解沉积（碱性溶液）技术。

二是PI过程集成方向，包括先进煤基熔融还原技术。

三是碳捕集与利用方向，包括微藻技术、直接矿物碳化（原生矿物）技术、单级二甲醚合成技术、氢强化甲烷合成技术、环状碳酸盐合成技术、RWGS-干法重整技术等。

四是辅助工艺方向，包括SOEC/高温蒸汽电解（HTE）、氢气和固体碳的天然气热解转化（焦炭床反应器）等制氢技术和利用固体吸附剂的碳捕捉技术。

中期阶段的商业化成熟目标是：用天然气或氢基DR-EAF装置进一步替代部分高炉—转炉装置，逐步提高直接还原工艺的氢含量，进一步利用生物质燃料和碳捕获、利用与封存技术。

在长期阶段，需要突破的关键技术可分为以下3个方面：

一是“碳直接避免”方向，包括氢等离子体熔融还原技术、氧化铁熔融电解/热电解技术。

二是碳捕集与利用方向，包括不同生物发酵工艺、二氧化碳电解与生物反应器（人工光合作用）组合、电化学二氧化碳还原/转化、光化学二氧化碳还原等技术。

三是辅助工艺方向，包括太阳能光催化分解水技术。

长期阶段的商业化成熟目标实现后，温室气体排放量将比1990年减少80%~95%。

欧盟钢企的“氢探索”

对这些重大技术，欧洲各钢厂分别制订了自己的计划时间表。目前公开发布的信息有：

瑞典钢铁：2020年8月31日，HYBRIT中试工厂投运；2025年，建立一个HYBRIT示范工厂；2026年，Oxelösund高炉改造完成；2030年~2040年，全部高炉改造完成；2045年完全实现无化石钢铁制造。

奥钢联：2019年11月，H2FUTURE“绿色氢”中试工厂投运；2020年底，HYFOR中试机组投运。

安赛乐米塔尔：2020年，SIDERWIN直接电解铁矿石中试线投产；氢基DRI示范工厂正处于设计和融资阶段，最初年产能为10万吨海绵铁；2022年，Carbalyst®（Steelanol）示范工厂投运，用高炉废气制造生物乙醇；2021年，3D（DMXTM）示范工厂投运，为碳捕获试点项目。

塔塔钢铁：2018年，HIsarna开始工业试验；2027年，Athos项目实现碳减排100万吨，将排放气体加工成化工原料；2030年，Everest项目（碳捕集、存储项目）实现碳减排300万吨；2030年，在荷兰建立年产100万吨~150万吨的工业级示范线。

蒂森克虏伯：2019年11月11日，德国杜伊斯堡9号高炉注入氢气试验；2022年，氢气试验扩大到所有28个风口；2025年，第一座DRI（直接还原铁）工厂投运，年产能40万吨；2030年，氢基DRI年产能增加至300万吨。

萨尔茨吉特钢铁公司（Salzgitter）：2020年第四季度，高温电解槽（HTE）投运，风力发电厂投运；2020年底开始推出绿色钢铁产品；2021年3月，氢基DRI200万吨示范线完成可行性论证。

在上述关键技术实现突破的同时，工艺路线也将完成重大转型。随着氢基冶金技术的成熟、“绿色氢”成本的降低、资源保证能力的提高，欧盟钢铁行业将逐步从传统的碳基冶炼工艺路线、废钢电弧炉工艺，经由碳基直接还原DRI+电弧炉工艺、天然气基直接还原DRI+电弧炉工艺，向氢注入高炉替代碳还原工艺、氢基直接还原DRI+绿色电力基电弧炉工艺、绿色电基电解铁矿石等方向完成转型。

要实现碳中和的最终目标，除了冶金技术本身的突破外，还要关注循环经济的创新，主要包括以下5个方面：

一是回收和再利用。将钢铁冶炼过程中的废弃物和副产品作为其他有价值产品的原料。

二是寿命延长。延长产品和资产的寿命，加强维护、升级和维修，以及逆向物流、产品回收和再制造。

三是共享和服务模式。通过“使用付费模式”提供服务，并利用共享和租赁平台最大限度地利用产品和资产。

四是循环设计。在设计产品时，尽可能地选择低碳材料，并在整个生命周期中尽量减少资源使用。

五是数字平台。通过将物理服务与在线服务进行整合，实现非物质化，并通过物联网优化最大化地使用资源。

欧盟钢企的“氢延伸”

实现氢基冶金的前提条件是获得资源有保障、成本合理化的“绿色氢”。因此，“绿色氢”产业链的发展关乎到欧盟钢铁行业能否在2050年实现碳中和目标。欧盟委员会设定的目标是到2024年将绿色制氢设施电解槽产能扩大到6000兆瓦，可生产100万立方米“绿色氢”；到2030年电解槽产能达到40000兆瓦，可生产1000万立方米“绿色氢”。目前世界主要地区已明确计划的电解法制造氢的项目，欧洲占的比例最大。“绿色氢”的主要应用领域包括工业制造、车辆运输和电力行业，到2050年工业用“绿色氢”电解槽产能将达到80万兆瓦左右，车辆运输行业在70万兆瓦左右，电力能源行业在50万兆瓦左右。氢气采用管网方式传输具备优势，每传输1千瓦/1000公里，以管网气体形式的投资成本为9欧元~11欧元（以电力形式的投资成本为230欧元）。最理想的情况下，“绿色氢”制造成本为0.3美元/千克。

因此，欧洲主要钢厂在推动冶金技术进步的同时，也在向“绿色氢”制造产业链拓展。比如，萨尔茨吉特钢铁公司建设风电和氢气电解工厂，并配备2.2兆瓦的质子交换膜（PEM）电解装置（西门子天然气电力公司制造）； 蒂森克虏伯扩大电解制氢产能；奥钢联全球最大的电解槽投入运行，其在Linz（奥地利林茨）钢厂的大型PEM电解系统，容量为6兆瓦，可生产1200立方米的“绿色氢”；塔塔钢铁正在荷兰阿姆斯特丹港推进H2ermes项目，预计氢产能在1.5万立方米左右。

在未来的氢基冶金工艺路线上，直接还原铁（DRI）工艺将扮演重要角色。2019年，全球DRI产量超过1.08亿吨，较2018年增长7.3%，连续第4年创新高。相关的技术和设备供应商有达涅利、意大利Tenova。双方共同设计和建造了天然气基的直接还原工厂。

不过，“绿色氢”不是免费的午餐，氢冶炼的成本肯定会高于传统工艺。在冶金技术实现突破的同时，为了支撑气候目标的达成并保护其钢铁行业，欧盟很可能于2021年~2022年左右实施碳边境税。习近平主席今年9月份宣布，争取在2060年前实现碳中和。在实现碳中和的历史大背景下，中国钢铁行业也正面临挑战和机遇，要力争在新的一轮冶金技术革命中占领先机，形成差异化优势，并通过领先的技术突破贸易壁垒。