ARPA-E探索零排放金屬加工技術(shù)

編譯 蔡立英

談到讓鋼鐵工業(yè)更環(huán)保，美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA-E）的克里斯蒂娜?張（Christina Chang）認(rèn)為，“只有物理定律限制了我們的想象力”。作為 ARPA-E 研究員的克里斯蒂娜?張正在尋求公眾對(duì)“排放更少的煉鋼技術(shù)”（SMELT）的意見。在兩年聘期內(nèi)，她將指導(dǎo)項(xiàng)目創(chuàng)建、機(jī)構(gòu)戰(zhàn)略制定和拓展。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）稱，煉鋼目前約占世界二氧化碳排放量的7%，而且隨著低收入國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，鋼鐵需求到2050年預(yù)計(jì)將翻一番。

ARPA-E 成立于2009年，是美國(guó)能源部?jī)?nèi)設(shè)的富有想象力的小型辦公室。SMELT是ARPA-E 三管齊下推動(dòng)鋼鐵和有色金屬生產(chǎn)從采礦到成品全過程綠色化的舉措之一。另一個(gè)項(xiàng)目是尋求利用全球采礦作業(yè)中積累的大量廢棄物的途徑，并減少未來產(chǎn)生的廢物量。此外，ARPA-E還在探索種植能從土壤中吸收鈷、鎳和稀土等元素的植物的可行性，盡管這些元素是電動(dòng)汽車、電池和風(fēng)力渦輪機(jī)的重要成分，但美國(guó)國(guó)內(nèi)幾乎沒有生產(chǎn)。

煉鋼

煉鋼的第一步是將鐵礦石分離成氧氣和金屬鐵，這個(gè)過程會(huì)通過還原反應(yīng)和產(chǎn)生高熱的化石燃料燃燒而產(chǎn)生二氧化碳。2021年6月14日，ARPA-E結(jié)束了關(guān)于該流程清潔工藝的征求意見。該機(jī)構(gòu)正在尋求用更環(huán)保的技術(shù)（每年可生產(chǎn)2吉噸鋼鐵）取代已有數(shù)百年歷史的高爐煉鋼技術(shù)，后續(xù)可能會(huì)申請(qǐng)對(duì)該研究計(jì)劃的資助。

推薦的許多清潔技術(shù)包括電沉積、氫還原劑代替碳還原劑、可再生生物質(zhì)替代高爐中的焦炭（提純煤）。在2021年5月的 ARPA-E 年度峰會(huì)上，克里斯蒂娜?張重點(diǎn)介紹了電沉積，也稱為電解沉積，其中電子流取代一氧化碳作為還原劑。為了實(shí)現(xiàn)零排放，電力將來自可再生能源。

澳大利亞金屬采礦廢料（上圖）和金屬超富集植物庭薺Alyssum murale）和菊科植物Berkheya coddii（下圖）。庭薺可以吸收占其重量1%～3%的鎳，已證明它每年每公頃的鎳富集產(chǎn)量高達(dá)400千克，按當(dāng)前價(jià)格計(jì)算，價(jià)值約7 000美元（不包括加工和生產(chǎn)成本）

從麻省理工學(xué)院（MIT）衍生出來的波士頓金屬公司正在開發(fā)一種高溫鐵電解沉積工藝，公司得到比爾?蓋茨創(chuàng)立的突破性能源風(fēng)險(xiǎn)基金（BEV）的支持。以全球最大鋼鐵制造商安賽樂米塔爾為首的 SIDERWIN 聯(lián)盟由12名成員組成，自2017 年以來一直致力于擴(kuò)大低溫電解沉積工藝的規(guī)模。這項(xiàng)工作受到了歐盟“地平線 2020”研發(fā)計(jì)劃的資助。

110 ℃左右的低溫電解沉積工藝發(fā)生在水堿性電解液中，類似于水電解。波士頓金屬公司的工藝在1 600 ℃的熔融氧化物電解質(zhì)中進(jìn)行，更類似于960 ℃左右的鋁冶煉。在SIDERWIN 電池的陰極上形成的鐵會(huì)作為 1 厘米厚的板定期去除；波士頓金屬公司的工藝從電解槽底部取出成批的鐵水。這兩種技術(shù)都尚未在批量鋼鐵生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

克里斯蒂娜?張表示，目前電解沉積成本太高，無法達(dá)到與傳統(tǒng)煉鋼相競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)量。增加產(chǎn)量的一種可能方法是使用懸浮電極（懸浮在電解質(zhì)中的顆粒）來代替二維電極，這將大大增加可用于鐵沉積的表面積。

MIT冶金學(xué)家安托萬?阿拉諾爾（Antoine Allanore）參與了 SIDERWIN 合作，后來共同開發(fā)了一種用于波士頓金屬公司工藝的鉻鐵陽極。他說，可以通過建造更多更大的電解槽來擴(kuò)大電解沉積工藝的規(guī)模，并且整體占地面積可能不會(huì)超過傳統(tǒng)綜合鋼鐵廠及其高爐和煉焦?fàn)t的占地面積。阿拉諾爾指出，其他替代性煉鐵工藝存在缺點(diǎn)，例如，氫難以儲(chǔ)存和運(yùn)輸，而且需求量很大；而生物質(zhì)將與農(nóng)業(yè)、林業(yè)和生物能源競(jìng)爭(zhēng)有限數(shù)量的耕地。

減少煉鋼能耗的其他潛在方法包括感應(yīng)加熱和將鐵水直接轉(zhuǎn)移到熔爐中，在那里將合金變成鋼。今天，高爐中的鐵在進(jìn)入堿性氧氣爐（BOF）前就被固化，提高熔爐效率也將減少能耗。

克里斯蒂娜?張表示，煉鋼工藝的下游部分，例如將板坯熱軋成鋼板和將鋼板加工成產(chǎn)品的能效改進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成熟。

最終，煉鋼可能會(huì)從目前的多容器加熱和再加熱過程轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴?D打印的過程。克里斯蒂娜?張暢言：“完全有可能誕生一種黑匣子技術(shù)，只需在頂部倒入礦石，然后出來一個(gè)鋼罐，而且排出的是氧氣而不是二氧化碳。”

植物采礦

ARPA-E 研究員、生物地球化學(xué)家伊麗莎白?特羅埃（Elizabeth Troein）正在將所謂的超富集植物作為能源-關(guān)鍵金屬的來源，以減少對(duì)碳密集型硬巖開采的需求。超過500種此類超富集植物積累的鎳濃度超過1 000微克/克的干重，遠(yuǎn)高于對(duì)大多數(shù)植物有毒的50～100微克/克。這些植物也在一定程度上積累了鈷，在某些情況下還積累了稀土金屬。

大多數(shù)超富集植物生長(zhǎng)在具有蛇紋石土壤的2%～3%的地球陸地表面，這些土壤養(yǎng)分貧乏且重金屬濃度高。美國(guó)農(nóng)業(yè)部退休的科學(xué)家魯弗斯?錢尼（Rufus Chaney）表示，這些土壤中約有60%是可耕地，他的研究重點(diǎn)是他所謂的植物采礦（phytomining）——培育超級(jí)富含礦物質(zhì)的作物。大面積的蛇紋石土壤分布在亞太地區(qū)和中東地區(qū)；在美國(guó)，則主要集中在加利福尼亞州北部和俄勒岡州。

因其稀缺性、價(jià)格以及在鋰離子電池中的使用需求迅速增長(zhǎng)，鈷越來越受到關(guān)注。世界上大部分鈷礦都在剛果民主共和國(guó)開采，而那里的社會(huì)和政治非常不穩(wěn)定。特羅埃說，在羅德島（面積2 700 平方公里）那樣大小的田地中種植超富集植物可以滿足美國(guó)每年10 000噸的鈷需求，直到這片土地在大約10年以后被耗盡。她說，美國(guó)至少有16 000平方公里的地表巖石（超鎂鐵質(zhì)）經(jīng)過風(fēng)化后形成蛇紋石土壤。

特羅埃說，在這些相當(dāng)于馬里蘭州和特拉華州（30 000平方公里）面積的土壤中種植超富集植物，可以生產(chǎn)足以滿足全球10年需求的鈷。她補(bǔ)充說，在美國(guó)更廣泛發(fā)現(xiàn)的第二種富含金屬的土壤中，或許也可以種植鈷超富集植物。

在澳大利亞昆士蘭大學(xué)研究微量元素生物通路的安東尼?范德恩特（Antony van der Ent）提出了一些不同的看法。他認(rèn)為，迄今為止，很少有研發(fā)投入到鈷超富集植物采礦；如果有潛在可能，重點(diǎn)應(yīng)放在中非，因?yàn)槟抢镉写笃缓挼耐寥篮偷V山廢料。鈷超富集植物原產(chǎn)于該地區(qū)，它們也能適應(yīng)半干旱和地中海氣候。

范德恩特指出，任何鎳超富集植物都會(huì)吸收一些鈷，但只有在土壤中的鎳含量非常低時(shí)才會(huì)有可觀的鈷吸收量。金屬超富集植物對(duì)這兩種金屬的吸收將形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，在典型的蛇紋石土壤中，鎳含量是鈷含量的10倍，植物將積累很少的鈷。錢尼說，生物工程可以將其中一種金屬超富集植物轉(zhuǎn)化為忽略鎳吸收的鈷超富集植物。

2米高的鎳超富集植物Phyllanthus rufuschaneyi以錢尼的名字命名。錢尼表示，在使用適當(dāng)?shù)姆柿虾屯寥纏H值將某種特定植物種植為作物之前，是無法確定其采礦潛力的。好幾種超富集植物都不是高大的植物，因此很難收割且價(jià)值低。可以燃燒超富集植物，然后從灰燼中分離出金屬；或者，可以把它們壓制成液體，然后從中提取金屬。他說，由于超富集植物從土壤或礦石基質(zhì)中提取感興趣的金屬，因此從超富集植物中提純金屬比傳統(tǒng)精煉技術(shù)便宜得多。

2019年，巴西布魯馬迪尼奧附近的礦山尾礦壩坍塌，導(dǎo)致270人死亡。世界上的采礦廢物總量可能會(huì)填滿北美五大湖之一的伊利湖

錢尼說，阿爾巴尼亞和印度尼西亞正在進(jìn)行鎳超富集植物采礦，但尚未在美國(guó)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。美國(guó)Viridian公司與美國(guó)農(nóng)業(yè)部的合作研發(fā)協(xié)議于2002年到期后，Viridian公司在俄勒岡州的一個(gè)場(chǎng)地試種了兩種鎳超富集植物。2005年，人們?cè)诟浇母厣习l(fā)現(xiàn)了一些這樣的植物后，俄勒岡州宣布這些植物為有害雜草。錢尼說，如果研究人員在種子成熟之前就把這些植物收割掉，他們本可以避免這個(gè)問題，并補(bǔ)充說，這一事件有效地結(jié)束了在美國(guó)利用超富集植物的實(shí)景實(shí)驗(yàn)。

礦山尾礦

ARPA-E 項(xiàng)目主管道格拉斯?威克斯（Douglas Wicks）指出：“即使在向無碳能源轉(zhuǎn)型之前，采礦規(guī)模之大也令人難以理解。”世界上每年采礦產(chǎn)生的廢物即尾礦量為 50 吉噸。有時(shí)，這些堆積如山的尾礦會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難，比如，2019 年發(fā)生在巴西布魯馬迪尼奧附近的一座鐵礦的尾礦壩坍塌事故，造成270 人死亡。

人類向綠色能源過渡所需的礦物質(zhì)，其每噸的開采所產(chǎn)生的廢物量是巨大的，例如，每噸鈷的開采會(huì)產(chǎn)生1 000噸尾礦。“預(yù)計(jì)，隨著人類對(duì)礦物的需求不斷飛漲，我們現(xiàn)在正在為下一代留下一萬億噸廢物。”威克斯說。

威克斯表示，許多礦山只對(duì)單一金屬進(jìn)行“激光聚焦”式開采，而對(duì)其他可以開采的金屬置之不理，因?yàn)檫@樣可以減少挖掘量。開采鎳時(shí)，鈷、錳、鋁和鐵通常會(huì)留在尾礦中。他指出，可以開發(fā)含量較低礦物質(zhì)的開采工藝，或許可以通過電化學(xué)方法利用金屬的不同電位從溶液中分離出每種礦物質(zhì)。一旦所有礦物的價(jià)值都被利用殆盡，剩余的廢物就可以用作建筑材料——煉鋼渣就是這樣發(fā)揮余熱的。

這些廢物也可以作為二氧化碳的沉降劑。威克斯說，如果將二氧化碳反應(yīng)整合到鎳礦開采中，該反應(yīng)可能會(huì)從碳排放的過程轉(zhuǎn)變?yōu)樘嘉盏倪^程。他說，橄欖石中發(fā)現(xiàn)了鎳礦床，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它會(huì)吸收高達(dá)其重量63%的二氧化碳。在鎳含量為0.25%的礦石中，每回收1噸鎳就會(huì)留下400噸巖石。與目前生產(chǎn)1噸鎳產(chǎn)生14～20噸二氧化碳相比，這種巖石有可能以化學(xué)方式封存生產(chǎn)1噸鎳釋放的250噸二氧化碳。

ARPA-E希望工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、發(fā)明家和企業(yè)家提出更節(jié)省土地、水和電力的新采礦工藝。“清潔采礦是可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。”威克斯說。

康奈爾大學(xué)可持續(xù)能源和資源回收研究組的負(fù)責(zé)人格里沙姆?加迪科塔（Greeshma Gadikota）表示，她的研究旨在將巖石風(fēng)化等化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的時(shí)間從數(shù)百年乃至數(shù)千年縮短到幾小時(shí)，其中一些反應(yīng)將二氧化碳鎖定在穩(wěn)定的碳酸鹽中。

加迪科塔說：“我們已經(jīng)開始更多地了解我們?cè)撊绾卧O(shè)計(jì)和控制化學(xué)反應(yīng)，以及我們?cè)撊绾伍_始在工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)施這些化學(xué)反應(yīng)。我們正在研究熱力學(xué)可行性和動(dòng)力學(xué)局限性。我們能否了解使反應(yīng)變慢或變快的因素以及這樣做的成本？我們?nèi)绾卫迷絹碓降偷目稍偕娏Τ杀緛碚{(diào)控這些反應(yīng)？”

資料來源 Physics Today