绿色钢铁：氢气和电炉炼铁如何推动创新

来自 实验室仪器网

钢铁行业迈向碳中和的步伐日益加快，近年来氢能和电炉炼铁技术发展迅猛。这些创新为真正可持续的“绿色钢铁”生产开辟了道路。

大型钢铁制造商、矿业集团和冶金技术提供商正在积极开发专有技术，并对新兴钢铁公司进行战略投资。他们尤其关注新型氢能和电炉炼铁工艺。这体现了一种深思熟虑的多元化战略，超越了传统的电弧炉（EAF）炼钢工艺，旨在应对高排放高炉的根本挑战。这些老牌企业正在通过拓展技术组合，在日益严格的碳排放限制市场中保持竞争优势。

据IDTechEx预测，到2035年，氢基绿色钢铁产量预计将达到4600万吨。有关关键绿色钢铁技术和行业参与者的全面信息，请参阅IDTechEx的新报告《绿色钢铁2025-2035：技术、参与者、市场、预测》。

氢基直接还原铁：挑战重重，引领转型
使用竖炉以天然气为还原剂的直接还原铁(DRI)生产方法已在全球范围内得到广泛应用。中东地区凭借其丰富的低成本天然气资源，在采用和生产方面处于领先地位，其次是北美和北非。印度也拥有重要的DRI生产基地，但主要依靠使用回转窑的煤基DRI生产。

氢基直接还原铁(H2-DRI)工艺代表着绿色钢铁生产的下一个合理发展方向，使其成为当前绿色钢铁项目中最受追捧的技术。Midrex和Energiron竖炉工厂已成功演示了氢气或富氢气体的使用，瑞典SSAB的HYBRIT项目和中国河钢集团的HYBRIT项目就是明证。

欧洲在规划中的绿色钢铁项目中处于领先地位，其中中东、美国和中国都开展了大量项目。然而，除了Stegra的博登工厂等显著例外，大多数此类项目可能会先使用天然气运营，然后再过渡到低碳氢能。这些转型的时间表在很大程度上取决于绿氢和蓝氢的供应情况以及配套基础设施的可用性。

这代表了绿色钢铁转型面临的重大挑战——钢铁制造商需要大量低碳氢气，其价格为每公斤2-3美元，远低于目前每公斤4-8美元的绿色氢气价格。这一经济现实促使企业重新考虑其绿色钢铁项目，最引人注目的是安赛乐米塔尔公司，尽管获得了近30亿欧元的欧盟补贴，但仍推迟了最终投资决定（FID）。因此，在产业集群周围扩建低碳氢能基础设施并降低成本，对于直接还原铁（DRI）工厂大规模采用氢气至关重要。

竖炉中传统H2-DRI的替代方案主要围绕流化床DRI反应器或氢熔等离子还原(HSPR)技术。流化床H2-DRI技术已开发多年，全球已有多家小型工业规模的示范工厂投入运营。包括POSCO、Voestalpine和MetsoOutotec在内的公司正在积极开发该领域的概念。

流化床H2-DRI的主要优势在于它能够直接使用低品位铁矿粉，而竖炉则需要使用高品质球团作为原料。然而，这些技术在商业化规模化和应用方面仍面临重大障碍。

高温等离子还原（HSPR）技术提供了一种新颖的替代方案，利用铁矿粉，同时将还原和冶炼相结合，直接生产熔融生铁。这消除了直接还原铁（DRI）工厂所需的单独电弧炉（EAF）的需求。高温等离子还原（HSPR）技术可以潜在地降低氢气消耗，并通过高温等离子技术实现部分电气化。目前，该技术由奥钢联（Voestalpine）和K1-MET公司主导开发，另有几家初创公司计划进入该领域。然而，与流化床直接还原铁（DRI）相比，该技术仍处于技术成熟度的早期阶段。

电炼铁技术通过电解铁矿石，消除了对氢气作为还原剂的需求。全球范围内正在开发多种方法。最值得注意的是，美国初创公司BostonMetal率先采用了熔融氧化物电解(MOE)技术，而另一家美国初创公司Electra则正在开发一种结合水相电解和电镀的电解沉积方法。

这些公司已从知名投资者那里获得了大量资金，其中包括突破能源风险投资公司(BreakthroughEnergyVentures)、必和必拓(BHP)、安赛乐米塔尔(ArcelorMittal)以及来自采矿、钢铁和风险投资领域的其他众多参与者。许多行业观察家认为这些技术具有颠覆性的潜在价值，因为它们可以完全绕过氢气需求，并与现有钢厂无缝集成。然而，开发这些解决方案的公司仍需多年的努力才能扩大其技术规模并实现成本竞争力。

许多公司和研究机构正在开发铁矿石还原的混合方法。其中包括力拓的BioIron技术，该技术将微波能与生物质结合作为还原剂；以及电加热方法，例如Calix的ZESTY工艺，该工艺利用电加热的氢基竖炉。

IDTechEx预计，尽管市场上会出现许多技术，但只有那些能够解决钢铁行业核心挑战，同时实现与传统天然气直接还原铁、电弧炉炼钢和高炉生产成本持平的技术才能最终取得成功。

尽管钢铁脱碳技术发展前景光明，但该行业仍面临巨大挑战，未来数年仍将依赖燃煤高炉基础设施。尽管面临这些障碍，IDTechEx预测到2035年，氢能绿色钢铁产量将达到4600万吨——这是一个相当可观的数字，但仍不足以实现2050年的净零目标。

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