與煉鐵相關(guān)的碳排放是各國政府面臨的最大問題之一，政府正在努力使這些排放達到凈零，電化學(xué)煉鐵工藝是當(dāng)前業(yè)內(nèi)較為關(guān)注的方向。

電化學(xué)煉鐵

美國俄勒岡大學(xué)的研究團隊一直在尋找一種將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鐵金屬的直接途徑。目前正在重點關(guān)注電化學(xué)。

電化學(xué)是實現(xiàn)可充電電池的科學(xué)方法，也是將水轉(zhuǎn)化為氫燃料的可擴展方法，并且長期以來一直通過與電化學(xué)保護系統(tǒng)的耦合來防止鋼材生銹。電化學(xué)電池是一個更極端的防銹實例，通過施加足夠的驅(qū)動力將鐵氧化物直接轉(zhuǎn)化為鐵金屬。這樣就不需要制氫，甚至不需要熔爐，就能生產(chǎn)出可在電弧爐中熔化的純鐵產(chǎn)品。

整個過程采用可擴展的反應(yīng)物（鹽水、氧化鐵），并在反應(yīng)器中產(chǎn)生金屬，反應(yīng)器的運行溫度較低，甚至比泡一壺茶所需的溫度還要低。此外，設(shè)計靈感來自于最大的工業(yè)化電化學(xué)電池之一（氯堿工藝），這意味著反應(yīng)器所需的組件已經(jīng)大量生產(chǎn)。鋼鐵工業(yè)規(guī)模巨大，任何利用現(xiàn)有供應(yīng)鏈的工藝都具有先天優(yōu)勢，從而盡早減少煉鐵工藝碳排放。

在實驗室生產(chǎn)出鐵之前，俄勒岡大學(xué)研究團隊選擇了具體的設(shè)計方案。為了降低成本，對化學(xué)工藝和能源價格方案進行了多種經(jīng)濟模型分析，試圖找到一種與現(xiàn)有生鐵價格相匹配的解決方案。最終發(fā)現(xiàn)，唯一能滿足這一條件的工藝是那些節(jié)約電子的工藝，即每個電子通過回路時都能產(chǎn)生多種化學(xué)品的反應(yīng)。氯堿法生產(chǎn)的燒堿和氯的成本相對較低，原因就在于這一關(guān)鍵特性，由此可以認(rèn)為，相較高爐生鐵，通過所謂的“氯鐵法”生產(chǎn)的鐵在成本上更具競爭力。雖然通過這種反應(yīng)生產(chǎn)的鐵的最終規(guī)模可能與現(xiàn)有氯堿行業(yè)（約1億噸/年）的規(guī)模相當(dāng)，但要使這種綠色煉鐵工藝投入市場，成本競爭力的提升至關(guān)重要。

在尋求電化學(xué)煉鐵工藝方面，俄勒岡大學(xué)并非孤軍奮戰(zhàn)。將氧化鐵溶解到酸中通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生金屬已有100多年的歷史。早在20世紀(jì)中期，Diamond Shamrock公司的研究人員就首次報道了在濃燒堿（類似于電池中的還原環(huán)境）中將氧化鐵直接還原成金屬鐵的方法。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種熔融氧化物工藝，該工藝生產(chǎn)鐵的方式與俄勒岡大學(xué)生產(chǎn)鋁的方式類似，只是溫度要高得多，而且最終氧化產(chǎn)物是氧氣而不是二氧化碳。

擴大規(guī)模的挑戰(zhàn)和機遇

所有這些工藝都是通過電化學(xué)實現(xiàn)的，雖然每種工藝都面臨著獨特的技術(shù)挑戰(zhàn)，難以達到現(xiàn)有工藝和氫基煉鐵工藝的規(guī)模和能效，但也有一些共同的優(yōu)勢。電化學(xué)煉鐵方法的一大優(yōu)點是，它們都是分離天然礦石中所含元素的有效方法，因此，它們可能對地殼中的鐵源具有更廣泛的“反應(yīng)范圍”。一個共同的挑戰(zhàn)是，電化學(xué)反應(yīng)器無法像基于大型儲罐和熔爐的反應(yīng)器那樣實現(xiàn)大規(guī)模煉鐵。這是因為高效電化學(xué)電池受到正負電極之間所需間隙的限制，以及電力供應(yīng)的實際限制，因此擴大規(guī)模主要是通過重復(fù)相同的模塊來實現(xiàn)。這種模塊化技術(shù)得益于萊特定律，該定律預(yù)測資本成本會隨著累積產(chǎn)量的增加而穩(wěn)步下降。

如果電化學(xué)電池要與碳基煉鐵工藝競爭，規(guī)模至關(guān)重要。俄勒岡大學(xué)團隊的研究人員幾乎每天都在運行小型電池和反應(yīng)器，將粉末狀氧化鐵轉(zhuǎn)化為鐵金屬。在一個典型的實驗中，在反應(yīng)器中裝入赤鐵礦粉末懸浮液（呈紅色，在整個實驗室的泵和電線上留下深紅色的污漬），將電源連接到被薄膜隔開的正負極上，然后通過電流使顆粒粘附在負極表面，并開始還原。當(dāng)氧化鐵顆粒釋放出晶格中的氧原子時，就會產(chǎn)生氫氧化鈉水溶液，電極表面就會形成高純度的鐵金屬結(jié)晶層。反應(yīng)完成后，鐵很容易與電極分離。稱量反應(yīng)產(chǎn)物的重量并對其形態(tài)進行成像后，會將其保存起來，以便進行進一步的表征，或?qū)⑵溥\送給項目合作方。由此生產(chǎn)的鐵在形態(tài)和純度上與直接還原鐵爐生產(chǎn)的鐵相似，因此，在大規(guī)模工藝中，從反應(yīng)器中獲得的產(chǎn)品可以送入電弧爐，作為一次或二次煉鋼工藝的原料。

目前，俄勒岡大學(xué)以克為單位生產(chǎn)鐵，主要使用實驗室級氧化鐵反應(yīng)物。在美國能源部和可再生能源實驗室的支持下，目前正在努力建造一個每小時生產(chǎn)1kg鐵的反應(yīng)器，同時將反應(yīng)范圍擴大到豐富的低品位氧化鐵源。為了在反應(yīng)器和選礦工藝中試用，研究團隊也一直在尋找新的氧化鐵來源。今后還將尋求與礦產(chǎn)供應(yīng)商進行合作，并且通過與工業(yè)界、大學(xué)和國家實驗室的研究人員組成龐大的團隊，共同確定鋼鐵和其他行業(yè)脫碳的最有前途的方法。

為了解決脫碳問題，各國政府都在提供實質(zhì)性支持，開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。如今，研究人員擁有人類有史以來最強大的設(shè)備來觀察材料的轉(zhuǎn)變，這些儀器將助力找到創(chuàng)新的方法來制造材料，同時避免二氧化碳排放。