焦炭恶魔
焦炭恶魔
钢厂和水泥厂的寿命很长。变革需要立即开始
在瑞典波罗的海沿岸靠近北极圈的地方，一个耗资 14 亿瑞典克朗 (1.5 亿美元) 的试点项目已经启动，目的是帮助瑞典成为世界上第一个不用化石燃料炼钢的国家。该项目的总工程师裴文国承诺，到 2020 年，飞往附近吕勒奥机场的乘客将能从空中俯瞰一座 50 米高的测试工厂。「我们得赶紧了，因为『寒冬将至』，」这位中国出生的工程师打趣道。或者应该说全球变暖？
事实上，他说，他之所以会想到让瑞典成为「绿色钢铁」先驱，并不那么关乎气候变化的威胁，而是因为他担任技术开发主管的瑞典钢铁集团 (SSAB) 所面临的风险：如果妨碍了瑞典实现 2045 年达到碳平衡的雄心壮志，这家公司可能会蒙羞并面临商业模式崩溃。SSAB 现有的位于吕勒奥的高炉和钢铁厂每生产一吨钢就排放 1.6 吨二氧化碳。尽管按全球标准来看很低，但整个炼钢业的排放量占到了瑞典总排放量的十分之一。
由 SSAB、瑞典国有铁矿石生产商 LKAB、国有大瀑布电力公司 (Vattenfall) 建立的零碳钢合资企业 HYBRIT Development 旨在通过抑制焦炭的使用来消除该行业的几乎所有排放。它将利用瑞典丰富的可再生能源，通过电解产生氢气，用氢来生产一种名为「直接还原铁」(DRI) 的产品。该公司希望到 2024 年完成实验阶段，并在截至 2035 年的十年里进入全面试产。
这并不是依赖化石燃料的企业尝试为重塑自我，迎接后碳未来的唯一例子。根据麦肯锡的数据，整个工业部门排放的二氧化碳有近一半来自四个行业：水泥、钢铁、氨和乙烯。除非人类的消费模式发生变化，否则这四个行业都必须在满足汽车、建筑、塑料和基础设施不断增长的需求的同时减少排放。而由于它们的大多数产品都已经成为一般商品，因脱碳造成的成本增加会导致「碳泄漏」，即气候政策更宽松的地方可能会以更低的成本生产这些商品。
在许多国家，减少工业排放的首要任务将是鼓励回收利用。但这还远远不够，制作材料的方式也需要改变。HYBRIT 的经验可能会提供一个范本。其技术挑战始于这样一个事实：世界上 75% 的钢，包括 SSAB 的，都是在高炉中添加焦炭形式的碳以「还原」铁矿石来炼制的。在这种「碱性氧气转炉」系统中，氧化铁和碳反应生成熔铁、一氧化碳和二氧化碳 (见图表)。在替代它的 DRI 工艺中，使用天然气代替焦炭作为还原剂，来生成海绵铁，然后通过电弧炉将其转化为钢。
还原过程产生了占整个炼钢过程高达 90% 的碳排放量，因此 HYBRIT 希望停止依赖高炉而改用 DRI，并使用氢气而非天然气作为还原剂。氢气将与氧化铁反应生成水而不是二氧化碳。氢气将使用无化石燃料的电力生产，而这种电力在瑞典产量丰富。电弧炉 (将向其中投入碎钢) 也将由清洁能源提供动力。
HYBRIT 曾尝试使用碳捕获和存储 (CCS) 来去除高炉中产生的碳排放，但发现它只能捕获约一半二氧化碳，不足以满足瑞典的零排放目标。它没有采用巴西一些钢铁企业采用的方法，即在还原过程中使用木炭而非焦炭，因为担心瑞典的林业可能因此受损。并且它认为瑞典的电价会变得足够低，在 DRI 过程中使用电解氢会比沼气更便宜。
尽管如此，假设电价保持在当前水平，这项工艺可能会让粗钢的价格上涨 20% 到 30%。所需的额外电量将是惊人的。大瀑布公司的米卡埃尔·努德兰德 (Mikael Nordlander) 表示，如果全面投产，HYBRIT 每年将消耗约 150 亿度电，占瑞典目前供电量的 10%。
至少在 2035 年之前，生产预计不会达到商业规模。对于如此重要的调整来说，这样的速度似乎太慢。裴文国解释说，这是因为规模化需要时间，而所有新技术都会经历一个进展似乎停滞的「死亡谷」。此外，SSAB 在吕勒奥的高炉最近做了翻新。他说，如果项目进展太快，将会出现资产搁浅的问题，因为这些高炉瞬间就作废了。
坚如磐石
如果钢是一个重大考验，水泥就更是一个艰难的挑战了。水泥是世界上使用最广泛的制造材料，但水泥厂通常都规模小、分散且资金不足，要敦促它们为人类的福祉服务十分困难。在印度和非洲等地，水泥 (与水和骨料混合以生产混凝土) 的需求势必飙升。这意味着还将生成巨量二氧化碳。其中约 60% 来自生产熟料——水泥的主要成分之一。这个过程叫煅烧，要在窑炉中把石灰石粉加热到 1600℃ 以上，生成氧化钙和二氧化碳。
将熟料研磨并与其他材料混合，就制成了人们所知的波特兰水泥。用于研磨的动力通常也会释放二氧化碳。剩余的排放几乎全部来自用于加热窑炉的燃料，通常是煤或焦炭。这里可以使用替代性燃料，从生物质，到轮胎等废料和城市固体废物等 (但不能用电，目前电力还不能产生制造熟料所需的高温)。随着效率提高，这将是降低水泥碳足迹最快的方法。
CCS 是一种可能的低碳选项，它将捕获煅烧和加热过程产生的二氧化碳。麦肯锡指出，混合废气中含有的二氧化碳浓度很低，这令捕获二氧化碳的成本上升。该咨询公司指出，比利时一个欧盟支持的创新项目 LEILAC 旨在重新设计窑炉，让捕获煅烧产生的废气变得更容易。
一个更大的野心是研发熟料的替代品，这将更大幅度地减排。智库英国皇家国际事务研究所 (Chatham House) 的约翰娜·莱纳 (Johanna Lehne) 和费利克斯·普雷斯顿 (Felix Preston) 最近发表的报告对熟料会较快取得突破并不抱太大希望。但在分析了 4500 项专利之后，他们吃惊地发现，「水泥行业在技术上的创新性超过它的名声给人的印象。」(比如超过钢铁行业。)
美国创业公司 Solidia 正在和大型水泥生产商拉法基豪瑞 (LafargeHolcim) 合作，研发一种替代波特兰水泥的「新型水泥」。Solidia 声称其含熟料量低的混凝土可以大幅减少二氧化碳排放，部分原因是它将二氧化碳「扣留」在材料中。但水泥和混凝土标准通常都明确规定波特兰水泥的熟料含量，而建筑公司、建筑设计师和客户要避免建筑物坍塌，自然对新技术很警惕。
其他工业脱碳方式的挑战可能不那么令人生畏。美国铝业 (Alcoa) 和力拓的合资公司 Elysis 是积极探索丰厚盈利机会的公司之一。该公司可能会带来炼铝工艺自 1886 年发明以来的首次变革。目前，铝来自三种成分的组合：氧化铝 (铝矾土)、电和碳。电在均由碳制成的负极和正极之间流动。正极与氧化铝中的氧反应，产生二氧化碳和铝液，然后再进行浇铸。二氧化碳的生成量可以非常大。Elysis 的老板文森特·克里斯特 (Vincent Christ) 说，在使用煤炭炼铝的中国，每吨铝产生 16 吨二氧化碳。Elysis 的目标是使用一种未公开的专有的非碳材料作正极，生成氧气而非二氧化碳，从而消除碳排放。
该项目由 iPhone 的制造商苹果公司资助，苹果表示希望降低其产品的碳足迹。到 2024 年，Elysis 希望出售一种技术套件，可在世界各地使用，以改造现有的冶炼厂或建造新的冶炼厂。克里斯特表示，目标是使零碳铝的制造比现有技术便宜 15%，生产效率提高 15%，部分原因是正极的使用寿命将延长 30 倍。如果它在商业化的规模上也奏效，那将大大增加这项技术的潜力。「我们用了十年时间来攻克难点，」他指出，「如果它仅仅是一项环保措施，市场不会对它有那么大的兴趣。」
不过，最终结果在很大程度上将取决于中国。中国生产和使用世界上大部分的钢铁、水泥、铝和其他工业材料。裴文国最近在他的出生国介绍了 HYBRIT 的概念。他说，中国几乎不考虑生产零碳钢，因为它的重点是遏制煤炭在电力系统中的使用。中国的钢铁厂也相对较新，并不愿关闭。
水泥可能是另一回事。皇家国际事务研究所的研究表明，中国在水泥研发方面的投入超过了其他任何国家。而在亚洲其他地区，日本的钢铁工业正在尝试氢气和 CCS 两种方法来寻求实现工业脱碳。
但到头来，需要政府施压来确保工业部门做出转型所需的艰难的长期决策。政府可以从制定计划开始，确保有充足的可再生电力和碳储存设施来实现更大规模的电气化和 CCS。然后它们可以通过更严格地定价碳排放，或提供监管和财务支持来为制氢和 CCS 提供激励。随着时间推移，它们可以鼓励在公共基建项目中使用绿色水泥、钢铁和其他零碳材料，从而创造新的市场。这样，工业部门将能够尽早摆脱旧技术，而不必担心客户流失。
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