簡析2021年日本鋼鐵工業低碳發展現狀

 

2021年期間，日本三家鋼鐵聯合企業根據JISF的《日本政府關于2050年碳中和的日本鋼鐵工業基本政策》，分別宣布了到2050年實現碳中和的愿景目標，三家企業都將這一目標定位為管理的重中之重。日本制鐵建立了“環境品牌標志”，代表公司優先開展的“零碳鋼”活動，并通過這一環境品牌標志在日本和海外積極宣傳其環境管理措施，特別是在零碳鋼方面的努力。為了促進碳中和，JFE鋼鐵公司加強了內部管理結構，成立了新的專業部門。相應舉措包括成立“碳循環發展部”，以促進碳循環高爐和CCU甲醇(2482, -51.00, -2.01%)合成的基本技術開發；成立“綠色原料部”，以開發適合于直接還原法的原料，并確保有助于減少CO2排放的外部鐵源。JFE鋼鐵公司還成立了一個“碳中和推進委員會”，負責統一討論和決策，快速、高效地落實與碳中和有關的組織和項目的重大問題，如鋼鐵新工藝開發、綠色原材料采購、中長期目標制定等，進一步加快實現碳中和的步伐。

 

神戶制鋼將工程業務的天然氣基直接還原煉鐵技術與鋼鐵業務的高爐操作技術相結合，證明該綜合技術可以大幅降低高爐工藝中的CO?排放。2020年10月，該公司在其加古川廠使用大型高爐（4844m3）進行了為期約1個月的驗證試驗。在驗證試驗中，將天然氣基直接還原煉鐵工藝獲得的大量熱壓塊鐵（HBI）送入高爐，證實了決定高爐CO2排放量的還原劑比可由518kg/t鐵穩定降低至415kg/t鐵（相當于比常規工藝減少約20%的CO2排放）。神戶制鋼還實現了世界上最低的焦比（239kg/t鐵），為利用現有技術以低成本降低CO2排放的解決方案提供了前景。

 

由神戶制鋼的全資子公司美國Midrex技術公司和許可方PaulWurthS.A組成的財團，收到了一個使用天然氣生產HBI裝置的訂單，所需天然氣來自俄羅斯MikhailovskyHBI有限責任公司。該裝置將由Mikhailovsky在俄羅斯庫爾斯克地區的Zheleznogorsk重新建造，并將擁有全球最大的HBI產能（208萬噸/年）。該裝置能夠降低能源消耗和環境負荷，其設計還設想在未來完全過渡到以氫作為還原劑。該項目計劃于2024年上半年投入運營。該財團還在阿爾及利亞建成了一個年產能為250萬噸的裝置，該裝置于2016年由阿爾及利亞卡塔爾鋼鐵公司的貝拉拉鋼鐵廠訂購，并已開始向該公司提供直接還原鐵（DRI）作為電弧爐入爐料。使用新工廠生產的DRI，該鋼鐵廠計劃通過在電弧爐中熔化DRI，然后進行連鑄和連軋，生產大約200萬噸/年的鋼筋和線材。由于該設備具有的特點，該工藝展現出良好的節能效果和較高的生產率，由于DRI裝置與電弧爐相連，使得DRI在從DRI裝置排出時的溫度與運輸到電弧爐時的溫度相同。

 

日本碳捕集與再利用（CCR）研究小組“船舶碳回收工作組”（WG）成員——日本制鐵、JFE鋼鐵、日本船級社（ClassNK）和其他成員證實，甲烷化技術產生的碳回收甲烷可被認定為零排放船舶燃料。在日本沿海鋼鐵廠，幾乎所有的原材料進口以及向日本和海外市場運輸的鋼鐵產品都是通過船舶運輸的，通過分離和捕集鋼鐵廠排放的CO2，并使用這些CO2合成的甲烷作為船舶燃料，可以減少整個鋼鐵供應鏈中的CO2排放。

 

在“NEDO可行性研究計劃/未知領域挑戰2050”中，日本制鐵、大阪城市大學和日本東北大學開發了世界上第一個“綠色”催化工藝，在不使用脫水劑的情況下，從常壓CO2和二醇直接合成脂肪族聚碳酸酯二醇。為了使從高爐和其他來源排放的常壓CO2作為原料發生反應，該小組開發了一種固體催化劑系統，使從CO2合成聚合物成為可能，而不需要使用脫水劑，必須進行回收和再利用。研究小組發現，如果在常壓下吹入CO2，利用化學產物或二醇與水的沸點差蒸發除去水分，則不需要使用脫水劑，而且在研究的金屬氧化物中，鈰氧化物（CeO2）催化劑的活性最高。

 

日本制鐵還參與了“中部地區氫利用研究小組”，研究供應鏈的建設，以實現穩定、經濟高效地供應大量氫，從而實現“零碳鋼”生產，以及為此目的所需基礎設施的建設和維護。在迄今為止的活動中，該集團已對日本中部地區各工業部門對氫氣的潛在需求進行了試驗計算，驗證了從海外來源接收氫氣到日本用戶的供應鏈，并驗證了氫氣的可轉換成本。最近，該研究結果符合“中部地區到2030年可能大規模使用氫氣的研究結果和未來舉措”。未來將通過該小組與其他行業合作提出政策建議。

 

JFE鋼鐵公司與必和必拓簽署了一份關于在鋼鐵制造過程中實現低碳舉措的諒解備忘錄（MOU）。兩家公司將利用澳大利亞煤炭進行聯合研究，包括高爐工藝原材料加工技術和直接還原鐵生產的研究，以促進開發減少CO2排放的有效技術。通過這項聯合研究，兩家公司的目標是建立一項創新技術，該技術將在鋼鐵行業的整個供應鏈中實現CO2大幅減排。

 

日本制鐵與日本CCS株式會社、日本工程推進協會、伊藤忠商事株式會社共同提交了NEDO公開招標項目“CCUS技術研發與示范/苫小牧市大規模CCUS示范/CO2運輸示范試驗”并中標。該示范項目涉及研究和開發長距離、大容量、低成本的CO2運輸技術，規模為100萬噸/年，從CO2供應區運輸到使用和儲存地點，目的是通過示范試驗和相關研究建立液化CO2船舶運輸技術。具體而言，日本制鐵和伊藤忠將以CCUS為目的開展海上運輸可行性研究，并將研究包括鋼鐵廠在內的各種大型排放源的CO2運輸商業模式，以實現CO2捕集和運輸。

 

日本制鐵與日本制鐵化學材料股份有限公司、JRCM共同申請了“NEDO可行性研究計劃/新能源與環境技術可行性研究計劃/追求藍碳（海洋生態系統碳儲存）的供應鏈建設技術開發”項目并入選。該項目旨在利用沿海鋼鐵廠生產碳中和的海洋生物燃料（海藻），并構建“本地生產、本地消費”的新型供應鏈，在煉鋼過程中使用海洋生物燃料。該項目將研究利用海洋生物質作為碳源（木炭和碳材料）用于鋼鐵生產過程。在海洋生物燃料生產方面，該小組將研究利用鋼鐵廠產生的鐵渣和鋼渣在海藻床層培養的技術來積極培育海藻。這項關于海洋生物作為碳中和材料的研究是世界上第一個此類研究，該項目的目的是通過開發上述基本技術并進行可行性研究，包括總體經濟性和CO2減排效果，創造一條通往示范階段的道路。

 

JFE鋼鐵公司申請了NEDO委托項目“碳循環與下一代火電技術開發/CO2減排與利用技術開發”（項目期限：2021-2024財年）并通過了以下兩個項目：①在“利用CO2合成甲醇優化體系的開發”（與地球創新技術研究院（RITE）合作）中，旨在推進變壓吸附（PSA）法低成本分離CO2技術和水膜反應器技術的開發，使CO2高效合成甲醇，并構建包括水預處理設備和甲醇合成反應產生的水的循環利用在內的最優總系統。由于某鋼鐵廠高爐煤氣具有CO2濃度較高、CO和H2為次要成分的顯著特點，因此其目標是最大限度地利用這些特點來實現低成本、高效率的甲醇合成。②在“快速、大量碳化鋼渣來固定CO2的創新技術研究與開發”（與愛姬大學合作）中，JFE鋼鐵公司將開發一種創新技術，將燃煤工業排放的CO2吹入高溫煉鋼渣中，使大量CO2在煉鋼副產品鋼渣的氧化鈣成分中短時間內固定碳化。同時，通過回收CO2固定后的氣體熱量來提高能源效率，使整個過程中CO2的固定量和CO2的減少量最大化。碳化鋼渣用作路基材料，是一種需求量較大的應用。

 

在同一個NEDO項目中，神戶制鋼與神鋼生態解決方案有限公司共同申請了“利用煉鋼渣開發CO2固定工藝”項目并入選。幾乎100%的鋼渣被有效地用于土木工程和建筑材料產品中，其中大量產品被日本《綠色采購法》（官方名稱：《國家和其他實體采購環保產品和服務促進法》）指定為公共工程項目的“指定采購項目”，作為減輕環境負荷的產品。由于鋼渣中的Ca和其他堿性成分與CO2易發生反應，因此鋼渣作為一種有用的固碳材料也引起了人們的關注。但是，提高鐵渣中CO2固定后的化學產物碳酸鹽的利用價值，對提高鐵渣中CO2固定技術的經濟性具有重要意義。由于鋼渣中除堿性成分外還含有雜質，提高碳酸鹽的純度是提高其利用價值的一個挑戰。在各類鋼渣中，煉鋼渣中堿性成分的含量特別高。因此，神戶制鋼正在推動以煉鋼渣為重點的CO2固定技術的開發，旨在進一步減少環境負荷。

 

JFE鋼鐵公司與廣島大學在廣島大學建立了“聯合研究課程（第二階段）”，旨在實現可持續發展目標（SDGs）和社會貢獻。JFE鋼鐵公司和廣島大學原本在2011年簽署了一份全面協議，共同致力于研究利用鋼鐵生產過程中產生的鋼鐵渣作為改善海洋環境的材料。2018年啟動“聯合研究課程（第一階段）”，研究范圍新擴大到土地上使用的肥料領域。JFE鋼鐵公司和廣島大學在這兩個領域推動了鋼鐵渣材料的開發和有效性驗證。兩家機構旨在通過這些努力，加快鐵渣、鋼渣這一可循環資源的有效利用技術的實際應用。

 

日本制鐵作為代表企業，將在日本2025年世界博覽會協會和大阪商工會主辦的示范試驗中，進行鋼管樁的使用和超弱地基的改善試驗。地基改良是以鋼渣為原料，通過調整配方，調整粒徑，制備鈣礬改進劑，以提高混合軟質疏浚土強度的一種技術。為有效利用含堿性成分的煉鋼渣，將煉鋼渣作為海洋環境修復材料。

 

在中國烏海寶杰新能源材料有限公司生產鋰電池負極材料的工廠開始運營。該公司是由中國寶武鋼鐵集團有限公司下屬的寶武炭材料科技有限公司與JFE化工株式會社共同出資組建的合資企業。中國現在已經成為世界上最大的電動汽車市場，未來電動汽車和其他形式的電動汽車（xEVs）也有望增加。針對鋰離子電池負極材料的需求，該公司以中國電動汽車和固定式蓄電池產品為核心，從2022年下半年開始全面銷售負極材料（產能10000噸/年）。通過此次合資，JFE化工將通過該合資公司獲得新的鋰離子電池針狀焦基負極材料生產基地，為實現環境負荷低的可持續社會作出貢獻。

 

日本制鐵于2019年12月獲得了可持續管理促進組織（SuMPO）認證的“EcoLeaf”環境標簽，從輥壓H型鋼開始，現在已經獲得了總共21種產品的認證，包括大截面尺寸固定外徑H型鋼、馬口鐵鍍錫板、無錫鍍層薄板、層壓鋼板、石油專用管材（OCTG）、干線用管、焊接輕型H型鋼和建筑結構用板材，其次是2022年2月的鋼筋和線材產品。在所有情況下，這些產品線獲得EcoLeaf認證在日本都是第一次。EcoLeaf計劃是一個國際認證系統，通過使用LCA（生命周期評估）技術，考慮產品從資源提取到制造、分配、使用到處理或回收的整個生命周期，公開定量的環境信息。客戶可以根據這些信息，客觀地評價其使用的產品在生命周期中的環境負荷。日本制鐵正在積極推動鋼鐵產品環保性能的披露，以高可回收性和低環境負荷為特征，這也符合“可持續發展目標（SDGs）。”

 

JFE鋼鐵公司和日本日鐵聯合獲得了“物流環境大獎”特別獎（日本物流運輸協會贊助）。在從其西日本廠福山區運輸鋼帶卷到JFE物流公司的東京配送中心的過程中，JFE鋼鐵公司使用了特殊的船只，其中帶卷在船上裝載在托盤上，但由于窄、寬帶卷不能穩定地裝載在托盤上，這些產品已經由拖車通過陸路運輸了734公里。因此，JFE鋼鐵建立了一種運輸方法，通過使用專用的框架，可以穩定地捆扎帶卷，防止在航行過程中出現產品墜落等問題，并將運輸工具切換為定期輪渡，往返于烏野港和千葉中心港，因此陸路運輸距離縮短至87公里（福山-云野63公里+千葉中心港-東京配送中心24公里）。這不僅使拖車司機的實際駕駛和待機時間縮短了76%，而且還在運輸過程中成功減少了22%的CO2排放量，獲得高度評價。

 

愛知制鋼與愛知物流股份有限公司在“2021財年綠色物流合作伙伴大會”共同獲得“優秀綠色物流計劃”項目中的“綠色物流合作伙伴大會特別獎”。在這種情況下，兩家公司努力解決低載貨率航線的可視化問題，并在整個配送網絡中進行物流整合，以應對人員短缺等航運業務面臨的挑戰。因此，可以將載貨率提高20%，并大大減少行程次數，從而實現210噸/年的CO2減排量。這一成就被高度評價為通過整合跨分銷渠道的物流來減少環境負荷的一個案例。