[This article was originally published in Metals Magazine #09 (Jan 2020) and updated in September 2021 to reflect new developments.]

钢铁生产排放的CO₂占到全球总排放量的7 – 10%。从碳基还原剂向氢气等替代物 的转变势在必行，但必须分步推进。

现在，钢铁工业最多的产品不是钢，而是碳。

钢铁生产目前仍然主要采用联合工艺路线，每生产1吨钢水要向 大气中排放约1.8吨CO₂。这一数据是以经合组织欧洲成员 国现代高炉的平均水平为基础计算得出的，但世界上有许多钢 厂的吨钢CO₂排放量达到3吨或更多。这些事实对业界决 策者来说不算什么新闻，但世界各国政府现在才刚刚开始了解 这些情况⸺它们正在对可选方案进行权衡，以按照巴黎气候 协定履行大幅减少温室气体排放的承诺。由于其中一些政府制 定了更为严格的目标⸺2050年前将碳排放量减少到零⸺对 钢铁企业的监管势必会加强，企业肯定要承受更大的压力，必 须采取非同寻常的措施来减少排放。排放交易机制正在得到实 施且范围不断扩大，碳税也近在眼前，消费者最终都会关注到 钢产品的碳足印问题。

世界上有些地区的生产企业已经感受到了碳定价带来的阵痛。 如图1所示的欧洲CO₂排放限额价格的变化就是一个很好的 例子。在2019年中期达到峰值时，这一价格在两年内已经上涨 了6倍。它仍将保持在最高点附近，因为欧盟排放交易机制将 在2021年进入下一个阶段⸺届时，多项措施并举将使排放限 额变得更加紧俏。

由于预见到了这样的监管措施和市场压力，世界各地的钢铁企 业竞相采用旨在减少钢铁生产碳排放的新技术。仅仅从使用煤 和焦炭的高炉工艺改为使用天然气的直接还原并不足够，业界 将需要开发其他不直接产生碳排放的能源，比如氢气，并且达 到商业化应用和经济可行的程度。

生产路线的比较

如图2所示，在工艺中使用天然气的直接还原-电弧炉路线与传 统的高炉-碱性氧气转炉路线相比，钢水生产的碳排放量减少 了几乎50%。如果改用绿色环保的氢气，减排幅度可达75%。 在这种情况下，大多数排放实际上来自于电弧炉所用电力的生 产过程。计算的基础是电网排放系数取为经合组织欧洲成员国 的平均值每千瓦时0.452千克CO₂。如果采用瑞典的排放 系数(目前为每千瓦时0.023千克CO₂)，则每吨钢的CO₂排放量将减少到只有181千克⸺与高炉-转炉路线相比降低 幅度高达90%。要想再进一步，实现真正的无碳钢铁生产，就 必须在发电、制热和运输中都使用非矿物能源。

大规模制氢

毫无疑问，能够满足钢铁生产需要的氢气供应将是一个重大挑 战。面临的主要障碍之一是，支持业界大规模升级需要巨量的 氢气。举例来说，一家年产量500万吨的典型联合钢厂从使用 煤和焦炭改为使用氢气，每小时将需要消耗至少480,000标准 立方米(等于44吨)氢气。作为对比，目前正在运行的最大质子 交换膜(PEM)电解装置每小时只能制取大约1,200标准立方米( 等于0.1吨)氢气。目前正在建造的最大装置在加拿大，每小时 能够制取3,000标准立方米(0.25吨)，将于2020年晚些时候 投产。 许多千兆瓦级电解项目正在进行中，但这些项目将需要数年才能上线。

所以，钢铁行业需要的巨量氢气必须采用其他方法生 产。目前，大约95%的氢气都属于“灰色氢气”，意思是它们 是从矿物燃料中提取的。可以采用碳捕集、利用与封存 (CCUS)技术防止碳被排入大气层，从而得到“蓝色氢气”。 但是，这只有在大量CO₂能够在同一个地点被捕集的情况 下才有经济意义，而且只有在被捕集的碳能够被封存在安全地 点(比如海底或地下深处)时才有可行性。

绿色氢气的革命

要想真正带来根本性变革，炼铁工艺使用的氢气必须是“绿色 氢气”，即只能是使用非矿物能源通过水电解而获得。到目前 为止，采用这种方法制取的氢气已被证明成本过高，没有竞争 力。但是，这种情况正在改变，因为风能和太阳能等可再生能 源的迅速发展压低了全球电价，而氢气制备提供了一种在电力 生产过剩(风力大或日照强而电力需求低)时储存能量的方法。 制定政策和采取措施刺激氢气的使用，是迈向更可持续的未来 不可缺少的一部分，能够让业界领导人放心地投资于长远的氢 气项目。

举例来说，一个名为亚洲可再生能源枢纽的项目计划使用由建 在西澳大利亚的数以千计大型风力涡轮机和太阳能电池板提供 的多达15千兆瓦可再生电力来生产绿色氢气。 当地政府提供了 强有力的支持，而风力涡轮机技术领先供应商三菱重工维斯塔 斯是项目联合体中的一方。氢气生产可能从2026年开始，年 产能力预计可达150万吨。这足够每年生产2,500万吨直接还 原铁，相当于目前全球产能的25%。