鋼鐵業的脫碳是全球達成碳中和的關鍵挑戰，雖然電氣化是直接途徑，但鋼鐵生產中的高溫還原與燃燒製程仍難以完全電氣化。為此，業界主要透過提高能源效率、引入低碳燃料和碳捕捉等策略。未來，當清潔氫氣供應充足且具備成本效益時，將其作為還原劑和燃料，將是鋼鐵製造商實現脫碳的一大利器。這場大規模的行業轉型將在未來幾十年內逐步展開，其進程因地區而異，主要受清潔能源供應和推動低碳鋼鐵生產力的影響。
綠色高爐與DRI/電弧爐：脫碳核心路徑
對於傳統高爐，短期內可透過導入CCUS技術、富氧冷風、熱風爐富氧(SOE)，以及將廢鋼或HBI作為高爐爐料，有效降低碳排放並提高效率。此外，外部氣化技術可利用生物質、廢塑料等低碳原料，在不對現有高爐工藝進行重大修改的情況下，最大程度減少碳排放。儘管高爐噴吹氫氣仍在試驗階段，但其大規模應用仍受限於需求量與成本。
DRI與電爐（EAF）的組合，被視為實現鋼鐵業全面脫碳最具商業可行性的途徑。目前DRI主要使用天然氣，但未來將逐步過渡到以清潔氫氣為還原劑。然而，氫基DRI生產面臨氫氣預熱、DR級球團料供應，以及綠電和綠氫基礎設施的巨額資本支出等挑戰。儘管近乎完全脫碳的技術路線已清晰，但其高昂的成本仍需依賴更高的碳排放成本和更低的氫氣價格來彌補，這是一個長期且艱鉅的挑戰，預計在2030年之後才能大規模實現。
燃燒操作與綠電供應：即時脫碳與未來願景
在短流程鋼廠中，燃燒工序的脫碳至關重要。富氫燃燒技術是一種有效的即時脫碳解決方案，能逐步過渡到完全採用綠氫燃料，實現20%-50%的碳減排。富氫燃燒不僅減少碳排放，其產生的廢氣體積更小、二氧化碳濃度更高，有利於後續的碳捕集與利用。無焰富氫燃燒已在加熱爐生產中全面試驗，這些經驗證的解決方案，因其較短的投資回收期，具備即時應用的潛力。
實現H₂-DRI全面脫碳的最終目標，需要極大規模的綠氫和綠電供應。一座年產200萬噸的DRI-EAF工廠，其所需綠氫生產將消耗約1.1GW的綠電。這對全球綠色能源供應鏈構成巨大挑戰。除了大規模供應，綠氫價格的大幅下降也是實現經濟脫碳的必要條件。理想的綠色鋼鐵廠將整合氫基DRI生產、綠電供應的電爐煉鋼，以及氫燃料富氫燃燒，形成一個完整的工業生態系統，並可能將多餘的氫氣和氧氣供給周邊用戶，實現資源循環利用。
挑戰與結論：產業轉型與未來展望
鋼鐵行業在脫碳轉型期間面臨多重挑戰。首先，DR級球團料的穩定供應是一個關鍵問題。其次，製氫和電爐運行所需清潔電力的成本居高不下，加上龐大的資本支出需求，使得現階段全面脫碳在經濟上尚不可行。
此外，現有長流程鋼廠若轉型採用新操作方式，可能出現生產規模和節奏不匹配的問題。
儘管如此，鋼鐵業的轉型已勢不可擋。DRI生產呈現向前整合趨勢，擁有鐵礦石資源的礦業公司正積極評估投資HBI生產項目。在具備清潔能源優勢的地區，HBI生產與相鄰的電爐鋼廠直接整合，將有望形成並行的綠色鋼鐵產品流向。這將導致鋼鐵產業結構和布局發生深刻變化，生產地點將更取決於清潔能源的可行性。這場結構調整勢必會產生贏家和輸家，並對全球及區域經濟帶來複雜的影響。
在製氫方面，大規模低碳氫氣供應是實現鋼鐵業脫碳的基礎。目前，製氫仍面臨成本、技術效率和儲運等挑戰。雖然電解槽技術不斷進步，但其成本下降仍需時間，且電力成本將是製氫的主要組成部分。氫氣的分配也因其分子特性而較為困難，大規模用氫的現場製氫可能是更理想的選擇。
（摘自：世界金屬導報, N.2709, B14-15 2025-03-04）
