利用氢气的炼铁技术，现今进展如何？

本文2332字，阅读约需6分钟

摘  要：对于旨在到2050年实现脱碳社会的“2050年碳中和”，各个产业领域正在努力推进温室气体减排措施。其中在CO₂排放占比较大的“钢铁业”，日本从2008年开始启动利用氢气来减少CO₂排放量的项目，领先于世界其他地区进行了技术开发。本文将介绍一下这项创新型举措的进展情况以及2021年的现状。

关键字：氢气还原炼铁、高炉法、直接还原法、绿色钢材、脱碳技术

日本的钢铁业如何在世界上生存？

钢铁业是汽车、信息通信设备以及产业机械等各行各业的基础。日本粗钢（加工前的钢材）产量位居世界第3位（2019年），供应比普通钢板强3倍的“超高强度钢板”、能够影响电机性能的“电磁钢板”等世界上最高水平的高品位钢。这样的高品位钢附加值很高，也是日本钢铁业的强项之一。此外，这些高品位钢用于电动汽车和风车等，即使在碳中和社会中，铁可以说仍然是不可或缺的材料。

另一方面，随着“脱碳”意识的提高，在产品的全生命周期中，CO₂排放量的“可视化”措施正在取得进展。同样在钢铁业，预计供应商将会要求提供低碳型零部件和材料，因此需要满足这样的需求。

根据国际能源署（IEA）的预测，通过在制造过程中利用氢气或是CCUS（捕集、封存并利用CO₂），制造过程中CO₂净零排放的“绿色钢材”市场需求到2050年约为5亿吨，并且预计2070年所生产的大部分钢铁都将换成绿色钢材。在这种情况下，即使是高品位钢，如果不是绿色钢材的话，也无法进入市场，这可能会导致失去商机。

可以说日本的钢铁业未来要想在国际竞争中胜出，建立一个专门的绿色且有优势的高品位钢生产和供应体制很重要。

“绿色钢材”的生产方法

也有人说：“如果要减轻环境负担的话，比起使用铁矿石炼铁，为什么不更多地使用废铁呢？”

确实，如果能够有效利用废铁的话，可以节约资源。但是，2050年以后汽车、各基础设施、电子电气设备等对钢铁的需求仍然很大，废铁炼钢无法满足需求。因此，未来除了目前利用杂质少的优质废铁之外，还需要最大限度地利用劣质的废铁，同时有必要继续利用铁矿石的炼铁技术。

那么，从铁矿石中生产绿色钢材到底需要什么样的技术呢？目前正在开发的是一种称为“氢气还原炼铁”的方法，它使用“氢气”来还原铁矿石。

目前，在日本的钢铁厂广泛使用的炼铁方法是“高炉法”，将铁矿石或焦炭（煤炭）投入称为“高炉”的熔炉中，从铁矿石中只提取铁（还原）的同时，使铁矿石熔化。由于使用焦炭（煤炭）还原铁矿石，因此会产生CO₂。而“氢气还原炼铁”技术是用氢气代替焦炭进行还原，因此可以减少CO₂的产生。这项技术尚未在世界范围内确立，但是在日本，已于2008年在世界范围内率先启动了名为“氢气利用还原工艺技术（COURSE50）”的项目。

在“COURSE50”中，开发了一种氢气还原技术，将炼铁厂内产生的氢气直接注入高炉。此外，利用炼铁厂内未被使用而被废弃的低温热能（未利用的低温废热），减少了分离和捕集CO₂时需要从外部引进的能量，并试图节省更多的能源。通过开发这些创新型的低碳炼铁技术，目标是将炼铁厂内产生的CO₂的排放量减少约30%。到目前为止，已经在规模为实机的1/400的试验高炉中实现了该目标。

正在开发利用氢气的进一步创新型技术

除了“COURSE50”之外，还正在开发更加先进的应用技术。“COURSE50”只利用炼铁厂内产生的氢气，尚未考虑将炉内的焦炭量控制在必要最小量，同时从外部引进氢气，从而大幅增加炼钢量，进行更大规模的氢气还原。此外，还设想进行“碳循环”(使从高炉废气中分离和捕集到的CO₂与氢气发生反应生成甲烷，并将其注入高炉内作为还原剂加以利用)。通过组合所有技术，目标是最大限度地减少炼铁厂内产生的CO₂。

除了“高炉法”以外，还有一种称为“直接还原法”的炼铁方法，该方法的CO₂减排技术也正在开发。直接还原法使用天然气直接还原固体铁矿石，然后转移到电炉中进行熔化。由于不使用焦炭，因此与高炉相比，可以减少CO₂的产生；此外，通过使用氢气进行还原，有望进一步减少CO₂的产生。

无论是高炉法还是直接还原法，在开发过程中都有各自的难点。例如，高炉法节能，能够去除杂质，适合日本强项的高品位钢的制造。但是，由于在制造过程中很难去除所有的焦炭，因此无法将CO₂的排放量减少到零。

与之相比，直接还原法如果进行100%氢还原的话，可以将CO₂排放量减少到零，但是由于无法像高炉法那样在一个炉里同时完成铁矿石的还原和熔化，因此效率很低。此外，与高炉相比，由于电炉很难去除杂质，因此对原料有限制，例如不能使用含有大量杂质的低品位铁矿石等。

基于这些原因，为了实现碳中和，必须以建立脱碳技术为目标，同时采取多种技术途径。日本经济产业省计划利用“绿色创新基金”，支持勇于创新的公司，并将在未来10年内为此类技术开发提供高达1935亿日元（约109.17亿人民币）的支援。

旨在2030年开启商用机运行

未来，这种创新型技术的开发将如何发展呢？目前正在进行中的“COURSE50”的目标是在2030年之前尽早确立氢气还原技术，并在2030年开始运行第1号商用机。此外，关于使用高炉的“碳循环”等技术，目标是在开发各项基本技术并进行了反复试验后，在2040年代中期实现社会实施。同样，将继续开发“直接还原技术”，以便在2040年代中期实现100%氢气还原的技术。

为了实现社会实施，在确立技术的同时，用于支撑技术的社会基础设施的完善也不可或缺。例如，为了利用氢气，需要构建可稳定供应氢气的供应链，以及促进将排放的CO₂进行捕集和再利用的CCUS等。此外，绿色钢材的环境价值在市场上得到适当的评价也很重要。为此，需要建立一种机制，使包括消费者在内的整个供应链来承担成本。

今后还需官民一体共同克服课题，继续推进项目的发展。

---

翻译：王宁愿

审校：李   涵

贾陆叶

统稿：李淑珊

更多精彩内容，欢迎点击关注！

点击这里阅读原文