简析2021年日本钢铁工业低碳发展现状

 

2021年期间，日本三家钢铁联合企业根据JISF的《日本政府关于2050年碳中和的日本钢铁工业基本政策》，分别宣布了到2050年实现碳中和的愿景目标，三家企业都将这一目标定位为管理的重中之重。日本制铁建立了“环境品牌标志”，代表公司优先开展的“零碳钢”活动，并通过这一环境品牌标志在日本和海外积极宣传其环境管理措施，特别是在零碳钢方面的努力。为了促进碳中和，JFE钢铁公司加强了内部管理结构，成立了新的专业部门。相应举措包括成立“碳循环发展部”，以促进碳循环高炉和CCU甲醇(2482, -51.00, -2.01%)合成的基本技术开发；成立“绿色原料部”，以开发适合于直接还原法的原料，并确保有助于减少CO2排放的外部铁源。JFE钢铁公司还成立了一个“碳中和推进委员会”，负责统一讨论和决策，快速、高效地落实与碳中和有关的组织和项目的重大问题，如钢铁新工艺开发、绿色原材料采购、中长期目标制定等，进一步加快实现碳中和的步伐。

 

神户制钢将工程业务的天然气基直接还原炼铁技术与钢铁业务的高炉操作技术相结合，证明该综合技术可以大幅降低高炉工艺中的CO₂排放。2020年10月，该公司在其加古川厂使用大型高炉（4844m3）进行了为期约1个月的验证试验。在验证试验中，将天然气基直接还原炼铁工艺获得的大量热压块铁（HBI）送入高炉，证实了决定高炉CO2排放量的还原剂比可由518kg/t铁稳定降低至415kg/t铁（相当于比常规工艺减少约20%的CO2排放）。神户制钢还实现了世界上最低的焦比（239kg/t铁），为利用现有技术以低成本降低CO2排放的解决方案提供了前景。

 

由神户制钢的全资子公司美国Midrex技术公司和许可方PaulWurthS.A组成的财团，收到了一个使用天然气生产HBI装置的订单，所需天然气来自俄罗斯MikhailovskyHBI有限责任公司。该装置将由Mikhailovsky在俄罗斯库尔斯克地区的Zheleznogorsk重新建造，并将拥有全球最大的HBI产能（208万吨/年）。该装置能够降低能源消耗和环境负荷，其设计还设想在未来完全过渡到以氢作为还原剂。该项目计划于2024年上半年投入运营。该财团还在阿尔及利亚建成了一个年产能为250万吨的装置，该装置于2016年由阿尔及利亚卡塔尔钢铁公司的贝拉拉钢铁厂订购，并已开始向该公司提供直接还原铁（DRI）作为电弧炉入炉料。使用新工厂生产的DRI，该钢铁厂计划通过在电弧炉中熔化DRI，然后进行连铸和连轧，生产大约200万吨/年的钢筋和线材。由于该设备具有的特点，该工艺展现出良好的节能效果和较高的生产率，由于DRI装置与电弧炉相连，使得DRI在从DRI装置排出时的温度与运输到电弧炉时的温度相同。

 

日本碳捕集与再利用（CCR）研究小组“船舶碳回收工作组”（WG）成员——日本制铁、JFE钢铁、日本船级社（ClassNK）和其他成员证实，甲烷化技术产生的碳回收甲烷可被认定为零排放船舶燃料。在日本沿海钢铁厂，几乎所有的原材料进口以及向日本和海外市场运输的钢铁产品都是通过船舶运输的，通过分离和捕集钢铁厂排放的CO2，并使用这些CO2合成的甲烷作为船舶燃料，可以减少整个钢铁供应链中的CO2排放。

 

在“NEDO可行性研究计划/未知领域挑战2050”中，日本制铁、大阪城市大学和日本东北大学开发了世界上第一个“绿色”催化工艺，在不使用脱水剂的情况下，从常压CO2和二醇直接合成脂肪族聚碳酸酯二醇。为了使从高炉和其他来源排放的常压CO2作为原料发生反应，该小组开发了一种固体催化剂系统，使从CO2合成聚合物成为可能，而不需要使用脱水剂，必须进行回收和再利用。研究小组发现，如果在常压下吹入CO2，利用化学产物或二醇与水的沸点差蒸发除去水分，则不需要使用脱水剂，而且在研究的金属氧化物中，铈氧化物（CeO2）催化剂的活性最高。

 

日本制铁还参与了“中部地区氢利用研究小组”，研究供应链的建设，以实现稳定、经济高效地供应大量氢，从而实现“零碳钢”生产，以及为此目的所需基础设施的建设和维护。在迄今为止的活动中，该集团已对日本中部地区各工业部门对氢气的潜在需求进行了试验计算，验证了从海外来源接收氢气到日本用户的供应链，并验证了氢气的可转换成本。最近，该研究结果符合“中部地区到2030年可能大规模使用氢气的研究结果和未来举措”。未来将通过该小组与其他行业合作提出政策建议。

 

JFE钢铁公司与必和必拓签署了一份关于在钢铁制造过程中实现低碳举措的谅解备忘录（MOU）。两家公司将利用澳大利亚煤炭进行联合研究，包括高炉工艺原材料加工技术和直接还原铁生产的研究，以促进开发减少CO2排放的有效技术。通过这项联合研究，两家公司的目标是建立一项创新技术，该技术将在钢铁行业的整个供应链中实现CO2大幅减排。

 

日本制铁与日本CCS株式会社、日本工程推进协会、伊藤忠商事株式会社共同提交了NEDO公开招标项目“CCUS技术研发与示范/苫小牧市大规模CCUS示范/CO2运输示范试验”并中标。该示范项目涉及研究和开发长距离、大容量、低成本的CO2运输技术，规模为100万吨/年，从CO2供应区运输到使用和储存地点，目的是通过示范试验和相关研究建立液化CO2船舶运输技术。具体而言，日本制铁和伊藤忠将以CCUS为目的开展海上运输可行性研究，并将研究包括钢铁厂在内的各种大型排放源的CO2运输商业模式，以实现CO2捕集和运输。

 

日本制铁与日本制铁化学材料股份有限公司、JRCM共同申请了“NEDO可行性研究计划/新能源与环境技术可行性研究计划/追求蓝碳（海洋生态系统碳储存）的供应链建设技术开发”项目并入选。该项目旨在利用沿海钢铁厂生产碳中和的海洋生物燃料（海藻），并构建“本地生产、本地消费”的新型供应链，在炼钢过程中使用海洋生物燃料。该项目将研究利用海洋生物质作为碳源（木炭和碳材料）用于钢铁生产过程。在海洋生物燃料生产方面，该小组将研究利用钢铁厂产生的铁渣和钢渣在海藻床层培养的技术来积极培育海藻。这项关于海洋生物作为碳中和材料的研究是世界上第一个此类研究，该项目的目的是通过开发上述基本技术并进行可行性研究，包括总体经济性和CO2减排效果，创造一条通往示范阶段的道路。

 

JFE钢铁公司申请了NEDO委托项目“碳循环与下一代火电技术开发/CO2减排与利用技术开发”（项目期限：2021-2024财年）并通过了以下两个项目：①在“利用CO2合成甲醇优化体系的开发”（与地球创新技术研究院（RITE）合作）中，旨在推进变压吸附（PSA）法低成本分离CO2技术和水膜反应器技术的开发，使CO2高效合成甲醇，并构建包括水预处理设备和甲醇合成反应产生的水的循环利用在内的最优总系统。由于某钢铁厂高炉煤气具有CO2浓度较高、CO和H2为次要成分的显著特点，因此其目标是最大限度地利用这些特点来实现低成本、高效率的甲醇合成。②在“快速、大量碳化钢渣来固定CO2的创新技术研究与开发”（与爱姬大学合作）中，JFE钢铁公司将开发一种创新技术，将燃煤工业排放的CO2吹入高温炼钢渣中，使大量CO2在炼钢副产品钢渣的氧化钙成分中短时间内固定碳化。同时，通过回收CO2固定后的气体热量来提高能源效率，使整个过程中CO2的固定量和CO2的减少量最大化。碳化钢渣用作路基材料，是一种需求量较大的应用。

 

在同一个NEDO项目中，神户制钢与神钢生态解决方案有限公司共同申请了“利用炼钢渣开发CO2固定工艺”项目并入选。几乎100%的钢渣被有效地用于土木工程和建筑材料产品中，其中大量产品被日本《绿色采购法》（官方名称：《国家和其他实体采购环保产品和服务促进法》）指定为公共工程项目的“指定采购项目”，作为减轻环境负荷的产品。由于钢渣中的Ca和其他碱性成分与CO2易发生反应，因此钢渣作为一种有用的固碳材料也引起了人们的关注。但是，提高铁渣中CO2固定后的化学产物碳酸盐的利用价值，对提高铁渣中CO2固定技术的经济性具有重要意义。由于钢渣中除碱性成分外还含有杂质，提高碳酸盐的纯度是提高其利用价值的一个挑战。在各类钢渣中，炼钢渣中碱性成分的含量特别高。因此，神户制钢正在推动以炼钢渣为重点的CO2固定技术的开发，旨在进一步减少环境负荷。

 

JFE钢铁公司与广岛大学在广岛大学建立了“联合研究课程（第二阶段）”，旨在实现可持续发展目标（SDGs）和社会贡献。JFE钢铁公司和广岛大学原本在2011年签署了一份全面协议，共同致力于研究利用钢铁生产过程中产生的钢铁渣作为改善海洋环境的材料。2018年启动“联合研究课程（第一阶段）”，研究范围新扩大到土地上使用的肥料领域。JFE钢铁公司和广岛大学在这两个领域推动了钢铁渣材料的开发和有效性验证。两家机构旨在通过这些努力，加快铁渣、钢渣这一可循环资源的有效利用技术的实际应用。

 

日本制铁作为代表企业，将在日本2025年世界博览会协会和大阪商工会主办的示范试验中，进行钢管桩的使用和超弱地基的改善试验。地基改良是以钢渣为原料，通过调整配方，调整粒径，制备钙矾改进剂，以提高混合软质疏浚土强度的一种技术。为有效利用含碱性成分的炼钢渣，将炼钢渣作为海洋环境修复材料。

 

在中国乌海宝杰新能源材料有限公司生产锂电池负极材料的工厂开始运营。该公司是由中国宝武钢铁集团有限公司下属的宝武炭材料科技有限公司与JFE化工株式会社共同出资组建的合资企业。中国现在已经成为世界上最大的电动汽车市场，未来电动汽车和其他形式的电动汽车（xEVs）也有望增加。针对锂离子电池负极材料的需求，该公司以中国电动汽车和固定式蓄电池产品为核心，从2022年下半年开始全面销售负极材料（产能10000吨/年）。通过此次合资，JFE化工将通过该合资公司获得新的锂离子电池针状焦基负极材料生产基地，为实现环境负荷低的可持续社会作出贡献。

 

日本制铁于2019年12月获得了可持续管理促进组织（SuMPO）认证的“EcoLeaf”环境标签，从辊压H型钢开始，现在已经获得了总共21种产品的认证，包括大截面尺寸固定外径H型钢、马口铁镀锡板、无锡镀层薄板、层压钢板、石油专用管材（OCTG）、干线用管、焊接轻型H型钢和建筑结构用板材，其次是2022年2月的钢筋和线材产品。在所有情况下，这些产品线获得EcoLeaf认证在日本都是第一次。EcoLeaf计划是一个国际认证系统，通过使用LCA（生命周期评估）技术，考虑产品从资源提取到制造、分配、使用到处理或回收的整个生命周期，公开定量的环境信息。客户可以根据这些信息，客观地评价其使用的产品在生命周期中的环境负荷。日本制铁正在积极推动钢铁产品环保性能的披露，以高可回收性和低环境负荷为特征，这也符合“可持续发展目标（SDGs）。”

 

JFE钢铁公司和日本日铁联合获得了“物流环境大奖”特别奖（日本物流运输协会赞助）。在从其西日本厂福山区运输钢带卷到JFE物流公司的东京配送中心的过程中，JFE钢铁公司使用了特殊的船只，其中带卷在船上装载在托盘上，但由于窄、宽带卷不能稳定地装载在托盘上，这些产品已经由拖车通过陆路运输了734公里。因此，JFE钢铁建立了一种运输方法，通过使用专用的框架，可以稳定地捆扎带卷，防止在航行过程中出现产品坠落等问题，并将运输工具切换为定期轮渡，往返于乌野港和千叶中心港，因此陆路运输距离缩短至87公里（福山-云野63公里+千叶中心港-东京配送中心24公里）。这不仅使拖车司机的实际驾驶和待机时间缩短了76%，而且还在运输过程中成功减少了22%的CO2排放量，获得高度评价。

 

爱知制钢与爱知物流股份有限公司在“2021财年绿色物流合作伙伴大会”共同获得“优秀绿色物流计划”项目中的“绿色物流合作伙伴大会特别奖”。在这种情况下，两家公司努力解决低载货率航线的可视化问题，并在整个配送网络中进行物流整合，以应对人员短缺等航运业务面临的挑战。因此，可以将载货率提高20%，并大大减少行程次数，从而实现210吨/年的CO2减排量。这一成就被高度评价为通过整合跨分销渠道的物流来减少环境负荷的一个案例。