全球人为的二氧化碳排放量已达到300多亿吨。人为的二氧化碳排放源是以化石燃料（石油、煤炭、天然气）为能源的发电业、汽车等交通工具的燃料消耗以及支撑各国经济发展的基础材料（钢铁、水泥、石油化工产品等）生产中使用的化石燃料所产生的CO2。2015年，基础材料生产中的CO2排放量达到11Gt，是1995年基础材料生产的CO2排放量5Gt的两倍。在此期间，该排放量在全球总排放量中的占比从15%上升至23%。其中，全球钢铁产量约为16亿吨，而钢铁生产的CO2排放量约占总CO2排放量增加量的5%。 由于在高炉生产中进行氧化铁还原反应需要使用焦炭，所以必然会产生CO2。每生产1吨钢铁，若包括后续工序，大约会排放2吨CO2。由于钢铁行业产量很大，所以CO2排放量也特别大。因此，钢铁行业面临着必须彻底改变生产工艺转向脱碳工艺的挑战。 预计今后世界人口将继续增长，世界经济也将持续增长。为满足这一增长带来对钢铁的需求，基于高炉-转炉法、能够实现高品位、低成本且大规模生产的钢铁生产工艺，对于人类的可持续发展至关重要。这一观点于2022年10月3日至5日在比利时布鲁塞尔举行的“2022低碳开放论坛”上得到世界钢铁联盟在认可：钢铁材料是支撑各国工业经济发展的基石，是人类不可或缺的重要材料。今后，为了实现碳中和目标，全球电炉钢的占比（现在约为30%）到2050年将上升到40%-44%，高炉在2050年仍将发挥重要作用，采用高炉-转炉工艺实现脱碳的方案是不可或缺的。 即使是为了应对全球气候变暖，但为了抑制CO2的排放，如果减少钢铁产量，或采用比传统的化石燃料生产效率低的工艺，那么则会导致钢材价格急剧上升，从而影响世界经济的发展步伐。围绕全球气候变暖问题所采取的各项行动，钢铁行业应通过灵活、因地制宜的方式，推进一系列综合应对的措施。 与其他金属材料和结构材料相比，钢铁被认为是一种非常环保的材料。然而全球钢铁因产量巨大，其CO2总排放量也庞大。那么，是否可以将钢铁材料转换为其他结构材料呢？事实上，这样做反而会增加LCA的CO2的排放量；更何况，从材料的功能、价格以及生产量的角度来看，也不存在能够替代钢铁的基础材料。正因为是这样的材料，才成为支撑人类文明、持续使用了数千年的基础材料，世界各国都应该认识到钢铁产业在本国的重要性，并找出在钢铁生产中实现脱碳的创新策略。政府和产业界正在全力合作推进研发与技术验证工作，并迅速展开寻找最佳解决方案的努力。 保持钢铁生产并大规模削减CO2排放的方向主要有：①减少钢铁产量；②节约原材料的生产工艺，实现节能效果；③向脱碳工艺转换（氢还原、利用生物质燃料、生产工艺电气化）；④分离回收产生的CO2，再利用或封存在地下。 在四个选项中，钢铁行业只能选择相应的应对措施。然而，全球钢铁需求仍在持续增加；采用碳以外的还原剂，将在供应量和成本价格方面面临巨大挑战；至于电气化，在温度达到1600℃（最高2000℃）高炉内，铁矿石（氧化铁）正是通过碳实现化学还原的，而这一化学反应所需的高温热能供应尤其难以通过电气化方式满足；对于CCUS，在工业化层面尚未成熟，因此不可避免地会导致成本上升。 既然每个选项领域都存在各自的挑战，那么从当前阶段出发，如果过分依赖氢还原 或碳捕集与封存（CCS）技术来制定未来战略，并因此过度限制自己的选择范围，就可能会导致灵活性下降。相比之下，何不利用现有的多种选择方案来应对充满不确定性的未来呢？ 钢铁行业实现碳中和所面临的挑战，不仅存在于日本的钢铁产业，也是全球钢铁行业共同面临的难题。 3.1欧洲和美国的钢铁行业 3.1.1欧洲钢铁行业的相关举措 在钢铁行业为实现碳中和所做的努力方面，欧洲在全球范围内的起步较早。事实上，欧洲各国钢铁企业在各国政府的巨额资金支持下，启动了多项工艺开发和技术验证项目，以实现新炼钢工艺的脱碳。 当前，以电炉+直接还原铁（DRI）/氢基直接还原炼铁（H2-DRI）的方向推进为主流。初始阶段并未使用氢气而是采用天然气作为燃料，计划待绿色氢气的充足供应渠道明确后才转向氢能源应用。 欧洲公布的实现碳中和的实用炉建设示范项目，作为新的低碳项目的投资总产量，已经达到了3600万吨。其中，直接还原法2800万吨、电炉法800万吨。具体来说，SSAB（钢铁企业）、LKAB（铁矿石生产商）、Vattenfall（电力公司）为共同开发氢基直接还原技术，于2016年联合设立了“HYBRIT”项目。计划建设一座年产30万吨的示范工厂，2026年开始商业化生产（向新炼铁技术的挑战：电解炼铁法的量产工厂）。 安赛乐米塔尔与主营钢铁加工设施和电解装置研发的John Cockerill集团，通过欧盟的“地平线2020”计划（欧盟科研框架计划）获得了公共资金支持用于技术研发。2023年6月，双方宣布将建造全球首个工业规模的低温铁电解工厂。该团队持续致力于开发推进了将氧化铁转换为钢板的创新性电化学工艺。在中试规模的工厂中，实践证明使用标准铁矿石具有极高的效率；而在电解过程中产生的铁板，则会通过电弧炉将其冶炼成钢。 第一阶段计划每年生产4万至8万吨铁板，并预计于2027年开始投产。一旦该生产规模的技术得到验证，工厂的年生产能力预计增加至30万至100万吨。 直接电解技术是安赛乐米塔尔为实现净零碳排放目标而正在研发的三项脱碳技术路径之一。 3.1.2美国钢铁行业的相关举措 美国电炉钢在其钢铁总产量中的占比高达71%（2020年），远高于其他国家。其吨钢CO2排放量为1.21吨CO2（2020年），在主要产钢国中处于显著较低水平，具有明显优势。 根据美国能源部（DOE）于2022年9月发布的《脱碳路线图》，美国工业部门产生的CO2排放量占全国总CO2排放量的30%。但钢铁生产，与工业能源相关的CO2排放量仅占全国总CO2排放量的7%。与世界相比，其钢铁行业的CO2排放量相对较少，但由于美国钢铁公司中电炉较多，因此可以进一步利用可再生能源等产生的绿色电力，以及在DOE资金支持下进行各种CCS/CCUS技术的开发，使电炉钢的占比进一步升高。预计未来几年，美国的电炉钢占比将接近75%。在美国，电炉生产用原料的90%-95%是循环利用的废钢，但近年来，还原铁的用量不断增加。 鉴于上述情况，美国政府并未专注于创新工艺的技术研发，而是与欧盟类似，着力完善相关制度，以增加美国本土生产的“绿色”钢材的使用量，同时限制来自高排放钢铁生产国的“非绿色”钢材进口。 美国的钢铁生产以电炉为主，其吨钢CO2排放量相对较低；而其他采用高炉生产的国家的吨钢CO2排放量几乎是美国的两倍。因此，美国认为，建立一个强大而有效的碳边境调节机制被视为至关重要。 此外，北美地区的纽柯、大河钢铁等公司为了改进高端钢材的生产水平，正着力减少废钢用量并扩大直接还原铁的使用规模。采用直接还原铁的主要目的在于：一是作为废钢中含有的铜、锡等微量元素的稀释剂，二是降低钢中氮含量。（向新的炼铁技术挑战：熔融氧化物电解技术）。 美国能源部（DOE）发布的《脱碳路线图》列出了需要突破的七大技术领域，具体包括：①炉内能量回收技术；②大规模生产低碳H2-DRI技术；③再加热炉电气化技术；④通过电解法生产铁的技术；⑤氢气等离子体熔炼还原技术；⑥高炉煤气回收技术；⑦资源循环利用技术。 其中，④“通过电解法生产铁”的内容尤为引人注目。美国波士顿金属公司正在致力于将“熔融氧化物电解（MOE）”这一技术应用于大规模钢铁生产，该技术利用电力将原料氧化物转化为高纯度的熔融金属产品。该公司的MOE技术是基于2010年麻省理工学院的Donald Sadoway教授和Aontoine Allanore教授对惰性阳极技术的研究成果。过去，MOE炼铁由于电极无法承受电解过程中产生的高温和腐蚀而被认为难以实现，但麻省理工学院的研究发现了一种可作为电极使用的铬合金材料；经过持续的研发，这项技术已展现出实际应用的潜力。技术验证试验表明，以铬为主要成分的合金作为阳极，采用MOE技术提取铁及释放氧气的过程中表现出稳定性。这使得MOE技术在钢铁生产中的大规模应用成为现实，并有望在生产出优质冶金产品的同时有效降低温室气体排放。除钢铁以外，其他金属也能采用无需排放CO2的工艺技术进行生产，这一技术正受到全球范围内的广泛关注。现在，MOE技术尚未进入大规模生产阶段，预计还需2-3年时间才能建成具备商业化规模的大型电解炉。然而，若电流分布或电解液化学性质等条件设置不当，阳极容易迅速劣化——这表明相关技术仍面临诸多挑战。 安赛乐米塔尔主导的C轮融资首期募集金额达1.2亿美元，该公司宣布将把这笔资金用于MOE示范工厂的建设费用。MOE示范工厂的反应器规模约为现有研究设施的1000倍。计划开发出规模为商业化反应器10倍的装置。此外，微软气候创新基金也参与了此项研发工作。这是一项值得关注的创新型技术，其未来发展动向值得密切关注。 3.2亚洲（中国、韩国）钢铁行业的相关举措 亚洲钢铁行业也在为改善环境努力采取措施。韩国计划通过逐步从高炉还原法转向直接还原法，力争到2030年将CO2排放量削减20%，到2040年进一步削减50%，并在2050年实现碳中和目标。 韩国浦项炼铁利用“FINEX”炼铁技术，通过采用可灵活使用低品位原料的“流化层还原法”，正在开发削减CO2排放量的氢还原技术“HyREX”。未来，将逐步淘汰现有的高炉，力争到2030年将CO2排放量减少20%等。 中国的钢铁企业正在考虑采用“氧气高炉”，以降低煤炭消耗量和削减CO2排放量。中国有很多规模较小的所谓“小型高炉”，所以，中国的钢铁企业正是使用这些设备纷纷开展氢还原技术的研究。2019年，宝武钢铁集团利用小型高炉启动了氢还原技术研究工作。鞍钢集团和河钢集团等其他大型企业也启动研究工作，将氢作为还原剂用于高炉炼铁和直接还原炼铁，削减CO2排放量。 4.1日本的战略：通过国家项目推动以高炉为基础的氢气还原炼铁发展 全世界的许多钢铁企业采用的主流炼铁新工艺是用天然气或氢制作直接还原铁，然后用电炉熔炼直接还原铁的生产工艺。日本的炼铁新工艺是对高炉进行局部改造，用氢替代部分还原剂的工艺。日本通过结合全球首创的高炉基氢还原技术与CO2分离回收炼钢法，在政府支持下成功实现了“COURSE50”技术的突破，旨在开发能够将CO2排放量减少30%的先进技术。 COURSE50的开发由CO2排放量削减技术开发和CO2分离-回收技术开发两个部分组成。具体而言，①用氢替代部分焦炭还原铁矿石，削减CO2排放量10%的技术、②从高炉排气中分离-回收CO2，排放量削减CO2排放量20%的技术。实际上，COURSE50是在巴黎协定前的2008年就开始实施的项目。COURSE50实施之初没有将碳中和作为研究目标，曾考虑采用由钢厂内部产生的氢气进行还原反应（即不依赖外部氢气供应）的系统。然而，CO2排放量削减30%不能实现碳中和的目标。所以，设立以CO2排放量削减50%以上为目标的 “Super COURSE50”开发项目作为COURSE50的后继项目。从2020年度开始，进行NEDO先行研究的“零碳钢技术开发”项目的研究。2021年移向到绿色创新基金事业，推进研究。日本制铁、JFE钢铁、神户制钢、金属材料研究开发中心等4个公司形成联盟，进行增加高炉内氢的喷吹量、减少碳投入量的挑战。推进将高炉炼铁CO2排放量削减50%以上的技术实证研究开发。 4.2日本钢铁行业面临的挑战 日本钢铁行业除了要进行高炉基氢还原炼铁技术本身的研究开发外，还面临需要解决的许多挑战。 [挑战1]需要大量作为还原剂的廉价氢（绿色氢）。为了用铁矿石生产日本的7500万吨/年的生铁，需要750亿Nm3（约700万吨）以上的、价格在8日元/Nm3以下的氢（体积是6万个东京大教堂的体积）。但是日本政府制定的“氢能基本战略”的氢供给量是，从现在的2万吨/年，到2030年增加到300万吨/年、到2050年增加到2000万吨/年（图1）。按照日本钢铁行业需要700万吨氢来说，到2030年日本国内的氢供给量远远不足，必须从国外进口氢。 生产1吨生铁需要的氢量是，用于还原反应：601Nm3、氢还原反应吸热消费：67 Nm3、铁水升温到1600℃的氢消费：85Nm3，合计：753 Nm3（理论值）。假定用氢效率是75%，则生产1吨生铁需要的氢量是1000Nm3。年产8000万吨生铁需要的氢量是800亿Nm3，即需要供给700万吨/年的氢。再考虑到下游工序的氢消费量，形成了庞大的工业用氢的状态。 为了使用氢成本与用焦炭成本相同，氢的价格水平应为约8日元/Nm3（图2）。日本政府的“氢能基本战略”设定的目标是，2030年氢的成本为20日元/Nm3，与8日元/ Nm3具有很大差距。若国内不能生产足够的氢（2000万吨），钢铁行业需求的700万吨氢能否确保，不能确定。与进口氢相比，国产氢难以具有价格优势，所以，钢铁行业用氢要依存于海外的进口氢。但是，由于冷却、运输、封存的成本将氢使用成本大大升高，将使日本钢铁行业的国际价格竞争力大为下降。 [挑战2]钢铁生产中排放的CO2如何处理？ 将排放量不能为零的CO2回收后，如采用CCS处理，则存在处理成本和处理能力的问题。胺法捕集CO2技术已经实用化。假定日本国内可以封存CO2，经测算，CO2捕集成本是8日元/kg-CO2。假定将高炉炼铁产生的全部CO2捕集，高炉炼铁的成本将增加15日元/kg，实际的生铁价格达到61日元/kg。 CCS在世界上已经进入实用化阶段。但日本政府主导的CCS开发进度落后于国外。日本国内基本上没有石油开采地带，并且，很难找到作为CO2封存场所的带水层，所以，难于实施CO2主流封存方法EOR（提高原油采收率）。根据IEA的测算，即使日本继续进行CCS事业，2025年日本的CCS年CO2封存量是1.2-2.4亿吨/年（图3）。日本钢铁行业一年内的CO2排放量约为1.3亿吨。日本国内的水泥业和煤炭火力业利用CCS的可能性很大。国内钢铁行业为确保实现碳中和需要的CO2封存量，需要利用海外的CCS事业。此外，还需要有CO2运输成本和基础设施整备费用，将大大提高CO2封存的成本，对日本的价格竞争力产生很大影响。 [挑战3]铁矿石的质量问题。使用氢还原低品位铁矿石时，由于发生粉化和固着，所以要专门制造熔点高的海绵铁，对海绵铁进行熔炼。因此，生产效率将会大大低于高炉法。目前，日本还没有生产氢还原炼铁原料的高品位（DR级）铁矿石球团的实绩。即使今后要确保高品位（DR级）铁矿石球团的供给，由于主要供给地是俄罗斯和南美，也存在着不能稳定足量供给的可能性。 本今后的碳中和战略是基于高炉的氢还原炼铁法COURSE50以及后继的Super COURSE50的战略。COURSE50和Super COURSE50是可以与传统炼铁一样，用高炉大量、廉价生产生铁的最有效的方法。今后仅用废钢，不能满足世界对钢材的庞大需求。高炉生产将继续进行（图4）。从对世界钢铁行业的贡献来说，日本的技术挑战是极为重要和有意义。存在的问题如前所述。一是为了保持年产8000万吨粗钢的生产规模，确保绿色氢的充足供给；二是对排出的CO2进行分离回收并进行足量的CCS封存。 日本钢铁产业为保持竞争力，不应只采用高炉氢还原炼铁法，还要进行其他新炼铁法的研究开发。 实现碳中和目标的年限2030年、2050年都是不久的将来，届时，全世界各钢铁企业实施碳中和措施的状况具有不确定性。日本应在努力充实气候变化科学知识的同时，根据各国实施碳中和措施的动向和产业竞争对手实施碳中和措施的动向，采取临机应变的灵活对策。 以钢铁材料为基础材料的汽车制造业、建设产业、产业机械制造业承担着各个领域的负担。如果失去钢铁行业，日本的总体经济力和产业力会大大削弱。为防止这种情况的发生，不忘“推进实施碳中和的不后悔战略”,继续进行实现碳中和的技术研发，十分重要。 日本钢铁协会于2022年建立了“钢铁碳中和研究助成制度”进行萌芽的先进雏形技术开发。包括钢铁以外的领域，构思阶段的研究也是助成制度的资助对象。虽然该制度实施只有两年时间，但每年有近90个项目成为助成项目。这种从多方面、其他领域获得的新刺激非常有意义。 1）碳循环利用技术（CCR：碳捕集和循环利用） 碳循环利用技术是利用电力和触媒将从高炉回收的CO2制成CO，再将CO返回高炉循环利用。CO的有效能比率是氢有效能比率的0.97（与电力相同）。从原始状态的CO2制造CO有许多方法，但利用电力制造CO的方法最简单。 日本钢铁协会环境·能源·社会工学部会“智能炼铁研究会”于2015年-2018年对碳循环利用技术进行研究。高炉冶炼使用碳做为还原剂时，不可避免地产生相当多的CO2。但要避免过度依存于CCS。因此，如将产生的CO2回收，并利用电力还原制成CO，将CO返回高炉用作还原剂，则可减少对CCS的依存程度。东工大的加藤之贵教授（智能炼铁研究会主查）提出碳循环能量系统ACRES（使用固体氧化物燃料电池（SOFC）的SOEC（固体氧化物燃料电解池系统））。SOEC的材质是陶瓷，抗热应力性不良，容易产生裂纹，难于大面积化。为此，可建造小型实证试验炉进行实用化研究（图5），考察研究结果。 英国的伯明翰大学使用太阳能电池进行利用电力将CO2还原为CO技术的研究。利用钙钛矿系材料热化学反应的触媒功能，将CO2分解为CO和CO2，选用可在700-800℃的较低温度下发生CO2分解反应的“双钙钛矿Ba2Ca0.6Nb0.34FeO6”，进行试验，获得了高收率产生CO的试验结果。该研究论文指出，将该方法用于高炉炉顶煤气回收，可将英国钢铁生产的CO2排放量削减88%。期待采用该方法可降低焦炭用量和将副产物O2用于转炉，不使高炉和转炉因脱碳化而废弃，并可提高英国钢铁行业的竞争力。现在，该方法已经进行了专利申请，并正在寻找工业化研究的合作企业。 2）废钢的有效利用（废钢循环利用生产高级钢） 回收废钢，循环利用制造钢铁材料是钢铁生产创新开发的重要工作。诚然，已经有了将废钢作为原料生产再生材的方法（电炉法）。美国的钢铁生产以电炉法为主。金属材料循环利用可大幅度实现节能，从而大幅度削减CO2排放量（表1）。将回收的废钢用电炉熔炼，可以省略铁矿石开采、运输，以及削减高炉生产排放的CO2。所以是实现碳中和的有效方法。 如果对加工时产生的废钢进行了分类（按照合金类别分类），那么用于循环利用的废钢就可以直接使用。但老旧废钢是多种钢铁合金混杂在一起回收（未按合金类别进行回收）的废钢。对这种废钢进行循环利用时，会导致制造钢材的杂质元素富集，并超过允许限值。杂质元素浓度高，则不能制造高强钢和电工钢板等需要严格控制成分的高端钢材，用来制造热轧钢板、冷轧钢板和高碳线材时容易产生缺陷。以废钢为主要原料的电炉钢因杂质元素的混入使质量受到很大影响。北美的小型钢厂在生产薄板产品时，除了使用废钢外，还主要采用直接还原铁作为原料。钢中代表性的杂质元素是Cu。Cu高浓度混入钢中导致轧材表面产生热脆性。据测算，2050年左右，钢中的Cu混入量将超过允许值（图6）。 近年来，东京大学孵化的初创企业EVERSTEEL公司进行了利用专注于废钢分析的人工智能技术，根据解析图像对废钢进行等级判定和检出混入杂质元素的系统的开发（图7）。将该系统用于钢铁和其他材料领域，可以在更大范围内使材料废料得到有效利用。 日本钢铁行业年CO2排放量是1.55亿吨。将钢铁行业排放的大量CO2进行CCS处理时，如果没有大量处理CO2的业种和相关企业的协作，则不能形成双赢性的不同业种的协作。基于这个理念，日本的化学工业界、煤气业界、水泥产业等集中在临海地区，进行跨行业的协作将一定会找出解决问题的出口。 钢铁行业可供给高浓度的原料用CO2气体。化学工业如确立以CO2为原料制造化学制品的“碳循环利用”工艺，则可以以CO2为原料制造聚碳酸酯树脂、聚氨酯发泡剂、甲醇、纯碱、乙醇、甲烷等。这些制品不仅对减排CO2有贡献，而且，可充实化学制品市场。因此，钢铁行业将高浓度CO2供给化学公司就构建了钢铁行业与化学工业的协作关系，共同进行碳中和技术的开发。反之，氢还原炼钢所需的氢气纯度通常无需达到甲烷化工艺所使用的氢气水平（99.9%以上）。此外，钢铁生产中的未利用热可以提供给化学业界或其他业界进行有效利用。 日本政府向国会提交为2050年实现碳中和的“顺利推进脱碳发展型经济结构法律案（GX推进法）”（图7），2023年5月12日得到国会批准。依据GX推进法，在世界规模的绿色转型（GX）投资竞争中，日本为了在2050年实现碳中和等国际条约和产业竞争中，强化竞争力和实现经济增长，在今后的10年间，需要有150兆日元的官民GX投资，以促进GX的实施。GX推进法对以下四个方面做了法制化的规定：①GX推进战略的策定和实施、②发行GX经济转化债券、③导入成长志向型碳素价格制度、④在经济产业大臣的批准下成立GX推进机构（推进脱碳成长型经济结构转变机构）。根据GX推进法，将加速国内产业政策的修订。特别是碳素价格制度等政府措施的有效利用，将直接促进企业经济和日本经济的有效发展，对日本钢铁行业也是有力的支持。 世界钢铁行业都在进行不排放CO2炼铁法的开发和实证，先行的欧洲以天然气直接还原铁为原料，进行电炉冶炼。 世界的钢铁需求还在不断增加。若要满足这一需求，那么在短期内，采用成本低廉且适合大规模生产的高炉法进行钢铁生产，对人类的发展而言至关重要。日本钢铁行业在政府的全面支持下进行旨在用氢取代碳还原的高炉炼铁技术的国家项目“COURSE50”和“Super COURSE50”的研究开发。 但是，日本的用氢取代碳还原的高炉炼铁技术，存在着①确保充足廉价氢的供给和②高炉炼铁产生的CO2的捕集和封存（CCS）等许多需要解决的挑战。因此，要进行氢以外还原剂、电解冶炼、碳循环系统、有效利用废钢生产高级钢等技术研究，扩大实现碳中和的技术选项，以灵活应对高炉炼铁技术需要解决的挑战。
2026年06月03日
星期三
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