华裔科学家设计碳回收系统 可将炼钢行业碳排量减少近90%

炼钢是一个碳排放比较大的行业。每生产一吨钢，就会有1.8吨二氧化碳（CO2）排放到大气中。炼钢行业占全球温室气体排放量的7-9%。

作为地球上碳密集度最高的行业之一，炼钢业的脱碳行动将对气候变化产生非常积极的影响。

为了实现钢铁行业的脱碳，一些研究人员正在探索如何利用清洁能源驱动的电炉制造 "绿色钢铁"，也有一些人希望通过绿氢燃料替代焦炭来实现炼钢。

不管是绿氢还是电炉制造，目前仍是一个困难和昂贵的过程，而且需要花费几十年的改造和过渡才能实现，要在《巴黎协定》目标规定的时间内实现钢铁行业的碳中和，恐怕有点难度。

更关键的是，炼钢业是一个重资产行业，有大量的资产、设施和机器已经投资，沉淀了大量资产，如果全部推翻重来，对很多钢铁行业来说，会损失惨重。

在保持现有投资设施的同时，又可实现钢铁的脱碳，在绿氢和电气化替代之外，有没有第三种折中方案？

1月24日，伯明翰大学化学工程学院的丁玉龙（音译，Yulong Ding）教授和哈丽特·基尔达尔博士（Harriet Kildahl）在《清洁生产杂志》（Journal of Cleaner Production） 上发表的一篇论文中表示，他们为现有高炉-转炉工艺设计的“闭环”碳循环工艺系统研究取得进展。该系统通过“闭环”碳循环工艺生产的一氧化碳可替代焦炭，同时可将高炉二氧化碳排放量减少近90%，副产品为氧气。

查阅丁玉龙教授的背景发现，原来他是一位华裔科学家。丁玉龙本科和硕士毕业于北京科技大学热能工程系，后来去英国留学，现在是英国伯明翰大学储能研究中心主任、英国皇家工程院院士。

这套技术是如何实现炼钢脱碳的？为何引起业界关注？未来前景如何？

1 碳回收系统关键用到一种钙钛矿材料

丁玉龙表示，目前钢铁行业的脱碳方案是逐步淘汰现有工厂，并引入由可再生电力驱动的电弧炉。但由于一座电弧炉工厂的建设成本可能超过10亿英镑（12.31亿美元），这种转换在经济上不太可行。

伯明翰大学设计的系统，简单来说是通过闭环碳回收系统实现，该系统可以替代当前鼓风炉-碱性氧气炉系统中通常使用的 90% 的焦炭。

该系统从高炉顶部气体中捕获二氧化碳，并使用钙钛矿材料的晶体矿物晶格将其还原为一氧化碳。在二氧化碳浓度极高的条件下，钙钛矿将二氧化碳分解成氧气，氧气被吸收到晶格中，而一氧化碳被循环输送到高炉中。钙钛矿可以在低氧环境下发生的化学反应中再生为其原始形态，所生产的氧气可用于转炉炼钢。

在这个反应过程中，钙钛矿材料位于循环系统核心的一个反应室中。这种材料就是用来制造太阳能电池板的那种材料，有些人也用来生产手机屏幕。更多的变种被用于燃料电池和其他清洁能源系统。丁教授和Kildahl博士通过研磨碳酸钡、碳酸钙、氧化铌和氧化铁，混合得到的粉末，然后在一个烤箱中烘烤混合物，制成了他们的钙钛矿版本。其结果是Ba2Ca0.66Nb0.34FeO6，这个研究团队称之为BCNF1。

当循环系统将二氧化碳泵入反应室时，BCNF1从气体中抓取氧原子并将其吸收到其晶体结构中，留下二氧化碳。不过，这不可能永远持续下去。大约一天后，BCNF1的氧原子就会饱和，因此必须重新焕发活力。

这可以通过从高炉排放的氮气并将其泵入反应室来实现。这在反应室中创造了一个低氧环境，鼓励BCNF1释放其氧气。当氧气被用来炼钢时，也会排放出二氧化碳。但是，这也可以通过反应室进行回收。

在这个循环过程中，使程序变得高效的诀窍是将两个反应室插入系统。一个可以用来制造二氧化碳，并通过将其分解为一氧化碳和氧气来进行回收。释放出来的氧气可以用于炼钢过程的第二部分，即在一个不同设计的炉子里将气体吹过铁水，以烧掉现在溶解在其中的部分碳，并达到最佳的铁碳比例，从而制造出所需类型的钢。

一天之后，它们的角色就会颠倒过来，从而实现24小时不间断运行。

2 经济效益如何

整个过程看起来很完美，实际效果到底如何？

为了评估这些数字，研究人员考察了英国的钢铁行业，该行业每年生产约760万吨的钢铁。两家公司，塔塔钢铁公司和英国钢铁公司，分别在其位于塔尔博特港和斯肯索普的工厂生产了300万吨，使用的是传统的高炉和氧气炉方法。这占了该行业英国排放量的94%。其余的来自于电弧炉，它主要使用废钢，可以用可再生的电力生产。

该研究团队在论文中计算，塔尔博特港和斯肯索普的工厂可以被改造成使用BCNF1，每个工厂的成本大约为3.6亿英镑（4.35亿美元）。其中，2.1亿英镑用于支付每个工厂所需的42500吨钙钛矿材料。这种材料可能必须每五到十年更换一次。然而，研究人员估计，除了所产生的绿色效益外，最初的投资将在22个月内得到回报，因为在这个过程中消除了昂贵的冶金焦炭，还可出售超出需求的氧气。

即使考虑到电力消耗的小幅增加，在这两个工厂实施该系统将在大约五年的时间里节省约13亿英镑。二氧化碳的排放量也将减少88%，从而使全英国范围内的总排放量下降2.9%。

丁玉龙教授认为，如果进行更多的工作，BCNF1有可能取代高炉中的所有焦炭，将排放量减少到接近零。如果与钢铁制造商的谈判成功，并且建立了一个试验工厂，那么下一步就是看这个系统是否能证明其价值。

该系统确实需要引入额外的电力，但它被设计为在可通过可再生能源或连接到高炉的热交换器实现的温度下工作。

当然，这篇论文仅仅是一个方案，目前还没有原型，而且还需要考虑其他重要的变量。

焦炭不仅用于炼钢反应本身，而且还被用作高炉的结构支撑；弄清楚当如此多的焦炭被移除时，这些高炉的运行会发生什么，还需要更多的研究。

进一步降低二氧化碳分馏过程的电力需求，将有助于使该方法更加可行，并且需要多年的后续工作来了解钙钛矿材料的稳定性如何。

如果这个想法能够从学术期刊跃升为实际的工业应用，对炼钢业和全球长期气候目标的影响可能是巨大的。

来源：环球零碳