安赛乐米塔尔的净零排放技术路径报告（一）

 

 

01

宏观背景与战略框架：钢铁脱碳的物理与经济逻辑
 
全球钢铁行业正处于工业革命以来最深刻的技术范式转移之中。作为现代文明的物质基础，钢铁生产贡献了全球约7%至9%的人为二氧化碳排放，这一数据不仅揭示了该行业巨大的环境足迹，也界定了其在《巴黎协定》气候目标达成中的关键地位。作为全球产量领先的跨国钢铁巨头，安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）提出的净零排放战略不仅是企业层面的转型规划，更是整个重工业部门在物理极限、化学原理与经济约束下寻求脱碳路径的缩影。

本报告基于安赛乐米塔尔发布的“净零钢铁技术路径”及相关气候行动报告，结合广泛的技术文献与第三方评估，对其“智能碳（Smart Carbon）”、“创新直接还原铁（Innovative DRI）”及前沿电解技术进行详尽的解构与分析。
1.1 冶金热力学的挑战与机遇
传统长流程炼钢（BF-BOF）的核心矛盾在于碳的双重角色：在高炉中，焦炭既是热源，又是还原剂。化学反应决定了碳排放的必然性。安赛乐米塔尔的战略核心，实际上是试图解耦这一热力学绑定关系，通过引入新的还原介质（氢气、电子）或改变碳的来源与去向（生物质、CCU），来重构铁氧化物的还原过程。
公司设定的2030年中期目标具有极高的挑战性：全球范围内每吨钢的CO2排放强度降低25%，欧洲业务降低35% 。这一目标的达成不仅依赖于单一技术的突破，更依赖于对现有资产基础的深度改造与新工艺的激进引入。安赛乐米塔尔明确提出了两条并在的差异化技术路线：智能碳路径与创新DRI路径。这种双轨制战略本质上是一种针对技术成熟度（TRL）与能源供给不确定性的风险对冲机制。
1.2 “加速”与“移动”的双速世界战略
安赛乐米塔尔对其全球资产组合采取了差异化的脱碳节奏，这一策略被称为“双速世界”模型。

  • 加速区（Accelerate）：以欧洲为代表。在欧盟排放交易体系（ETS）碳价高企、欧洲绿色协议（Green Deal）政策驱动以及碳边境调节机制（CBAM）预期的合力下，欧洲资产必须激进地采用高成本的低碳技术。因此，欧洲设定了35%的更高减排目标 。
  • 移动区（Move）：在碳约束相对宽松、能源结构尚未转型的地区（如部分发展中市场），采取跟随策略，通过逐步提高能效和废钢利用率来推进，避免因过早承担高昂的绿色溢价而丧失成本竞争力。
这种地缘政治与经济环境的差异，直接决定了技术部署的地理分布。例如，最激进的氢能DRI项目集中在西班牙和德国，而生物质与CCU技术则在比利时和法国先行先试。
1.3 资本支出（CAPEX）的规模与争议

为了支撑这一宏大的转型，安赛乐米塔尔估算到2030年需要约100亿美元的资本支出（CAPEX），其中约35%（即35亿美元）计划在2025年前部署 。这笔资金主要用于将现有技术从实验室规模（TRL 4-5）推向工业示范（TRL 7-9）。然而，资金的实际分配效率与去向引发了广泛关注。最新的第三方评估指出，尽管拥有强劲的运营现金流，公司在2021年至2024年间的实际脱碳支出仅为8亿美元，远低于预期的投资强度，且显著低于同期的股东回报（股票回购与股息） 。这种“承诺与执行的缺口”不仅反映了技术转型的艰难，也揭示了在缺乏明确政策护栏（如全球统一碳价）的情况下，私营资本在低碳资产投资上的犹豫。
 

02

 
智能碳路径（Smart Carbon）：存量资产的化学重构与循环经济

智能碳路径是安赛乐米塔尔针对现有高炉-转炉（BF-BOF）长流程资产提出的过渡性但至关重要的解决方案。其核心逻辑并非立即淘汰高炉，而是通过原料替代（生物质、废塑料）和末端治理（CCU/CCS），将高炉从单纯的冶金反应器转变为能源与化学品的转化枢纽。这一路径特别适用于那些高炉资产尚处于服役中期、且廉价绿氢和可再生电力供应尚不充足的地区。
2.1 Torero项目：生物质烘焙技术的工业化应用与热力学优势
Torero项目不仅是原料替代的尝试，更是对高炉喷吹燃料物理化学性质的一次深度工程适配。

2.1.1 烘焙工艺（Torrefaction）的物理化学机制
Torero项目的核心在于将低价值、难以处理的废弃木材转化为高质量的“生物煤”（Biocoal）。
  • 原料挑战：未处理的生物质（如废木材）具有亲水性、能量密度低、易腐烂、且难以粉碎（纤维结构韧性强）。直接将此类物质喷入高炉会导致风口堵塞、燃烧温度波动，进而破坏高炉顺行 。
  • 烘焙原理：烘焙是一种温和的热解过程，通常在缺氧环境下，将温度控制在200°C至300°C之间。
  1. 半纤维素降解：在此温度区间，木材中的半纤维素首先发生降解，破坏了木质纤维素的矩阵结构，使材料变得脆性增加，易于研磨成粉末。
  2. 脱水与脱挥发分：过程去除了几乎所有水分和部分低能值的挥发分，显著提高了固体产物的能量密度（接近低阶烟煤）。
  3. 疏水性：产物表面官能团发生变化，使其获得疏水性，便于露天堆放和运输，不再像原木那样吸湿 。
2.1.2 工业实施：根特钢厂的示范
安赛乐米塔尔在比利时根特（Ghent）钢厂建设了欧洲首个工业级Torero工厂，并于2023年12月19日正式投产 。

  • 产能参数：该装置设计年处理88,000吨B类废木材（通常含有油漆、残胶，无法回收利用），产出约37,500吨生物煤 。
  • 高炉集成：生产的生物煤粉直接替代化石煤粉喷入高炉风口。由于生物煤来源于植物光合作用吸收的大气碳，其燃烧被视为碳中和过程。
  • 减排效益：该项目预计每年可减少约112,500吨二氧化碳当量的化石碳排放 。
2.1.3 战略意义：变废为宝与OPEX优势
Torero项目的经济逻辑在于利用负价值或低价值的原料（废木材）。与基于第一代粮食作物的生物燃料相比，Torero技术利用废弃物，不仅避免了“与粮争地”的伦理争议，还在运营成本（OPEX）上具有显著优势。据项目资料显示，其OPEX比传统纤维素乙醇路线低三分之一，而资本支出（CAPEX）相当 。这一优势使其成为高炉在向氢冶金彻底转型前的关键“延寿”技术。
2.2 Steelanol与Carbalyst：气体发酵技术与跨行业碳价值链
如果说Torero解决了碳的“来源”问题，Steelanol项目则致力于解决碳的“去向”问题，通过碳捕获与利用（CCU）实现工业共生。

2.2.1 气体发酵（Gas Fermentation）的生物化学原理
Steelanol项目基于LanzaTech开发的专利微生物发酵技术。
  • 代谢机制：利用一种特定的厌氧细菌（ Clostridium autoethanogenum ），这种微生物属于乙酸原菌，能够利用高炉煤气或转炉煤气中的一氧化碳（CO）和氢气（H2）作为碳源和能源，进行新陈代谢。
  • 反应路径：在生物反应器中，气体被泵入液体培养基，微生物将CO和H2转化为乙醇（Ethanol）。反应式简化为： $6CO + 3H2O \rightarrow C2H5OH + 4CO2$ （具体化学计量比取决于气体成分）。
  • 工艺优势：与传统的费托合成（Fischer-Tropsch）相比，生物发酵对气体中的杂质（如硫、焦油）耐受性更强，且反应条件（常温常压）远比高温高压的化学合成温和，能耗更低 。
2.2.2 Carbalyst®品牌的商业化布局
安赛乐米塔尔将这一技术路线产出的产品命名为 Carbalyst® 。
  • 产能：根特工厂的Steelanol装置耗资1.8亿欧元，设计年产8000万升生物乙醇 。
  • 应用场景：
  1. 运输燃料：乙醇可与汽油掺混，用于交通运输。
  2. 化工原料：更为重要的是，乙醇是乙烯的前体，可进一步转化为聚乙烯（PE）、PET等塑料，甚至合成纤维、油漆和化妆品成分。安赛乐米塔尔已与联合利华（Unilever）、欧莱雅等消费品牌建立合作，探索用回收碳包装或产品替代化石基塑料 。
  • 减排逻辑：虽然最终产品（如燃料）燃烧后仍会释放CO2，但由于碳源来自工业废气而非新开采的化石燃料，这实现了碳的“二次利用”，从而降低了全生命周期的碳足迹。
2.3 IGAR与等离子重整：D-CRBN技术与电气化还原
IGAR（Injection de Gaz Réformé）项目代表了智能碳路径中更为硬核的化工技术——将CO2直接转化为还原剂。

2.3.1 技术演进：从天然气重整到全电等离子
早期的IGAR方案侧重于利用天然气重整高炉煤气中的CO2。然而，最新的进展引入了比利时初创公司D-CRBN的等离子技术，实现了过程的完全电气化 。
  • D-CRBN等离子反应器：该技术利用可再生电力产生高能等离子体（被称为物质的第四态）。
  • 分子裂解：在强电场作用下，CO2分子的碳氧双键被打破（Splitting），分解为一氧化碳（CO）和氧气（O2）。
$2CO2 + Energy \rightarrow 2CO + O2$
  • 闭环循环：生成的CO作为强还原剂，被重新注入高炉替代焦炭；生成的O2则可用于高炉富氧鼓风或炼钢车间。
2.3.2 根特工业试点的工程挑战
安赛乐米塔尔在根特工厂建立了一个连接三菱重工（MHI）碳捕获装置与D-CRBN等离子反应器的物理管道 。
  • 纯度要求：MHI的胺法碳捕获技术（KM CDR Process™）能提供纯度>99.9%的CO2流，这对等离子反应器的稳定运行至关重要，因为杂质会干扰等离子场的稳定性或导致电极腐蚀 。
  • 规模化目标：当前的试点旨在验证可行性，未来目标是将处理能力扩大到每年100万吨CO2，这相当于一座典型高炉年排放量的相当大比例 。
  • 合成气灵活性：如果在该系统中引入绿氢，反应器还可以调节生成合成气（Syngas, CO+H2），进一步用于生产甲醇或航空燃油（SAF），从而打通钢铁与能源化工的接口 。
 
03
 
创新直接还原铁路径（Innovative DRI）：氢能冶金的工程实践与挑战
如果说智能碳是对现有流程的“修补”，创新DRI路径则是对钢铁冶金原理的“重写”。该路径旨在通过使用氢气替代碳作为还原剂，彻底消除铁矿石还原过程中的直接碳排放。

3.1 氢基还原动力学与反应堆设计
3.1.1 反应热力学的根本差异
从高炉（BF）转向竖炉（Shaft Furnace）DRI，不仅仅是设备的更换，更是化学环境的剧变。
  • 吸热反应：氢气还原氧化铁（ $Fe2O3 + 3H2 \rightarrow 2Fe + 3H2O$ ）是强吸热反应。相比之下，高炉内的CO还原反应主要是放热的。这意味着氢基DRI竖炉必须通过预热气体输入大量的热能，这对加热器的设计和能源效率提出了极高要求。
  • 还原动力学：氢分子的扩散速度比CO快，还原速率通常更快，但这也导致球团矿内部容易产生粘结。
  • 渗碳需求：传统的DRI产品含有一定量的碳（1.5%-3%），这有助于后续电弧炉（EAF）冶炼时的造泡沫渣和降低熔点。纯氢DRI产出的直接还原铁是零碳的，这反而给EAF冶炼带来了挑战，需要通过添加生物炭或其他碳源来补充“化学能” 。
3.1.2 过渡策略：H2-Ready
鉴于绿氢成本高昂且供应链不成熟，安赛乐米塔尔采取了“天然气起步，氢气就绪”（Natural Gas Transition to Hydrogen）的策略。现代化的Midrex工厂可以灵活调节氢气与天然气的比例，从0%到100%均可运行。目前天然气重整制DRI过程中，实际上已有约55%的还原工作是由氢气完成的（天然气重整产物为H2和CO的混合物） 。
3.2 欧洲核心项目集群：从Sestao到Hamburg
安赛乐米塔尔在欧洲的DRI布局最为激进，旨在利用欧洲的政策红利打造全球首批零碳钢厂。

3.2.1 西班牙Sestao与Gijón：集群化脱碳模型
这是安赛乐米塔尔最具雄心的项目，旨在2025年实现Sestao工厂的全面零碳化。
  • Gijón（希洪）：建设一座年产230万吨的DRI工厂。该工厂将使用混合气体（天然气+氢气），并逐步过渡到绿氢。
  1. 太阳能光伏支撑：项目依托西班牙丰富的太阳能资源，旨在降低绿氢制备成本。
  2. 物流链：Gijón生产的DRI将有约100万吨通过铁路运输到Sestao 。
  • Sestao（塞斯陶）：作为下游接收端，该厂拥有两座电弧炉（EAF）。通过使用来自Gijón的低碳/零碳DRI，并配合100%可再生电力驱动EAF，Sestao将成为世界上第一个全尺寸零碳板材厂。
  1. 设备升级：2025年，Sestao选定意大利Danieli公司供应新的烟气处理系统和真空脱气装置（VD），计划2026年8月投产，以确保在零碳模式下仍能生产高附加值的汽车用钢 。
3.2.2 德国Hamburg：纯氢冶金的孤岛实验
Hamburg（汉堡）工厂是安赛乐米塔尔目前在欧洲唯一运营DRI-EAF路线的工厂（基于天然气）。

  • H2H项目：计划建设一个年产10万吨的工业级示范工厂，专门测试100%氢气还原。
  • 气源演变：为了在绿氢管道建成前启动项目，初期将利用工厂现有废气中分离出的高纯度灰氢（>97%）进行测试。这种“就地取材”的策略规避了外部氢源不足的瓶颈 。
  • 政府资助：德国联邦政府承诺提供5500万欧元资助，占该项目CAPEX的一半 。这反映了欧洲模式的核心特征： 公共资金分担早期技术风险 。
3.3 北美战略调整：Dofasco项目的演变与争议
相比于欧洲的坚定推进，安赛乐米塔尔在加拿大Dofasco工厂的DRI转型经历揭示了宏大愿景与北美经济现实之间的摩擦。

3.3.1 原始承诺与方案变更
2022年，安赛乐米塔尔高调宣布投资18亿加元，在汉密尔顿（Hamilton）建设新的DRI-EAF设施，计划2028年淘汰燃煤高炉，加拿大联邦和安大略省政府承诺提供共计9亿加元的资助 。 然而，到了2025/2026年，项目发生了重大变更：
  • 取消本地DRI建设：最新的修订显示，公司不再计划在汉密尔顿建设DRI还原炉，而是改为从魁北克的Contrecoeur工厂运输DRI原料至汉密尔顿的EAF使用 。
  • 供应链逻辑：魁北克拥有廉价的水电资源，更适合未来生产低碳DRI，而安大略省的电力成本相对较高。这种区域分工在经济上可能更为合理，但引发了当地社区对“去工业化”和就业流失的担忧。
3.3.2 时间表延误与“2050”争议
尽管官方口径坚称2028年仍是转型的关键节点，但根据CBC的调查及环境组织（如Environmental Defence）披露的文件，联邦资助协议的有效期已被延长至2050年 。

  • 原因分析：公司管理层在社区会议上表现出“极度谨慎”（extreme caution），将延误归咎于市场不确定性、美国新政府可能的关税政策以及高昂的能源成本 。
  • 公众反弹：这种模糊的沟通和明显的进度滞后（如旧焦炉拆除未按期进行）导致了信任危机，批评者认为公司在利用政策空窗期延长高炉寿命，从而推迟了实质性的减排行动 。Dofasco案例成为了全球钢铁脱碳“承诺易，执行难”的典型注脚。

 

作者提示: 个人观点，仅供参考

 

来源：中国金属学会

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