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一、前言
1973年石油危機(jī)以來，日本一直致力于節(jié)能減排研究。1992年，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》獲得通過，并于1994年3月21日起生效。1997年，日本經(jīng)濟(jì)團(tuán)體聯(lián)合會(huì)的加盟團(tuán)體制定了環(huán)境自主行動(dòng)計(jì)劃（全球變暖對(duì)策），確定針對(duì)全球變暖正式開始CO2減排工作。1997年12月《京都議定書》在日本京都通過，并于2005年2月16日正式生效。為了實(shí)現(xiàn)日本在《京都議定書》第一承諾期（2008-2012年）約定的、相對(duì)基準(zhǔn)年（1990年）溫室氣體削減6%的目標(biāo)，日本制定了《京都議定書目標(biāo)達(dá)成計(jì)劃》。2008年7月，日本制定《低碳社會(huì)行動(dòng)計(jì)劃》，該計(jì)劃分階段、定目標(biāo)、強(qiáng)舉措地全面推進(jìn)節(jié)能減排。2015年12月《巴黎協(xié)定》獲得通過，并于2016年11月4日正式生效，日本提出到2030財(cái)年溫室氣體排放相比2013財(cái)年減排26%的目標(biāo)，到2050財(cái)年減排80%的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。遵照《巴黎協(xié)定》，2018年日本鐵鋼連盟提出2100年挑戰(zhàn)"零碳鋼"的目標(biāo)。2020年12月25日，日本政府發(fā)布了《綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》，提出到2050年實(shí)現(xiàn)"碳中和"目標(biāo)，構(gòu)建"零碳社會(huì)"。日本政府將應(yīng)對(duì)全球變暖、實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型視為后疫情時(shí)代拉動(dòng)日本經(jīng)濟(jì)持續(xù)復(fù)蘇的新的增長(zhǎng)點(diǎn)。
二、日本制鐵低碳發(fā)展路徑
作為日本最大的鋼鐵企業(yè)，日本制鐵公司深刻認(rèn)識(shí)到氣候變化問題的威脅。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，日本制鐵從產(chǎn)品生產(chǎn)到運(yùn)輸，以及在產(chǎn)品最終使用階段，通過降低能源消耗、減少CO2排放以及提高整個(gè)供應(yīng)鏈的能源使用效率，努力遏制氣候變化帶來的影響。
為此，日本制鐵參與了日本鐵鋼連盟提出的《低碳社會(huì)行動(dòng)計(jì)劃》以及由新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）資助的"實(shí)現(xiàn)零碳鋼的技術(shù)開發(fā)"項(xiàng)目�！兜吞忌鐣�(huì)行動(dòng)計(jì)劃》分兩個(gè)階段實(shí)施，第一階段為2013-2020財(cái)年，第二階段為2020-2030財(cái)年。生態(tài)工藝、生態(tài)產(chǎn)品、生態(tài)解決方案這三大生態(tài)環(huán)保理念和革新性技術(shù)開發(fā)是該計(jì)劃實(shí)施的四大支柱。該計(jì)劃的CO2減排目標(biāo)如表1所示。
目前，日本制鐵主要通過開發(fā)生態(tài)工藝、生態(tài)產(chǎn)品、生態(tài)解決方案，以及開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)來減少CO2排放�；谇捌诘某掷m(xù)努力，2019財(cái)年日本制鐵耗能1089PJ，與1990財(cái)年相比下降約13%，其中一部分是由于新冠肺炎疫情導(dǎo)致的產(chǎn)量下降；2019財(cái)年噸鋼CO2排放強(qiáng)度增至2.06噸，但CO2排放量則比1990財(cái)年下降約12%至9400萬噸。
2.1生態(tài)工藝
日本制鐵使用海外進(jìn)口的鐵礦石、煤炭以及社會(huì)產(chǎn)生的廢鋼生產(chǎn)鋼鐵，其一直致力于降低生產(chǎn)和制造過程對(duì)環(huán)境造成的影響。
首先，日本制鐵有效利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的能源，如回收副產(chǎn)煤氣和余熱進(jìn)行發(fā)電，其鋼廠產(chǎn)生的所有副產(chǎn)煤氣都用作內(nèi)部能源，回收率達(dá)100%。
其次，借助在高溫高壓下運(yùn)行的煉鐵高爐和焦?fàn)t，對(duì)社會(huì)或其他行業(yè)產(chǎn)生的各種副產(chǎn)品進(jìn)行回收利用。
再次，為減少能耗及CO2排放，日本制鐵采取如下措施，如改進(jìn)每道工序的操作、改造老舊焦?fàn)t和其他設(shè)備、引進(jìn)高效發(fā)電設(shè)施和制氧機(jī)，以及在加熱爐中改用蓄熱式燒嘴等。
最后，為減少CO2排放，日本制鐵正在開發(fā)將氫作為還原劑部分替代煤炭的氫還原煉鐵工藝。
2.2生態(tài)產(chǎn)品
日本制鐵生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于能源、交通、建筑設(shè)備、家居用品等多個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)品不僅輕便而且使用壽命長(zhǎng)，有助于用戶提高效率，從而有助于節(jié)約資源和能源，便于用戶使用時(shí)減少CO2排放。其開發(fā)的生態(tài)產(chǎn)品主要包括：
1）高強(qiáng)汽車板：高強(qiáng)度、易于成形的鋼板兼具強(qiáng)度和成形性，有助于減輕車身重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并在車輛碰撞時(shí)確保駕駛員和乘客的安全。
2）高壓氫氣環(huán)境用HRX19TM不銹鋼：具有世界一流的抗氫脆性能，強(qiáng)度高出傳統(tǒng)材料60%，可以進(jìn)行焊接。
3）環(huán)境影響小的超高強(qiáng)度線材：利用專有工藝開發(fā)強(qiáng)度2000MPa級(jí)的橋梁纜索用線材，以滿足橋梁建設(shè)中客戶的要求。
4）船用高韌性鋼板NSafeTM-Hull：該鋼板的延性比高出傳統(tǒng)鋼板50%以上，是全球首個(gè)在船舶碰撞或擱淺時(shí)防止漏油的鋼種。
5）Mega NS Hyper BeamTM：Mega NS Hyper BeamTM的腹板厚度比傳統(tǒng)的大截面H型鋼厚20%。
6）高速鐵路用輪對(duì)（輪和軸）：日本制鐵制造的車輪和車軸廣泛應(yīng)用于日本鐵路系統(tǒng)。
2.3生態(tài)解決方案
日本制鐵認(rèn)識(shí)到，將日本先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)轉(zhuǎn)移到海外或是減少全球CO2排放的最有效方式之一，因此，其積極參與日本和海外的許多節(jié)能和環(huán)境倡議。
作為日本鐵鋼連盟的核心成員，日本制鐵參與跨國項(xiàng)目，并且正在推動(dòng)與鋼鐵企業(yè)相關(guān)各方的聯(lián)合會(huì)議，準(zhǔn)備定制的技術(shù)清單，對(duì)鋼廠的節(jié)能狀況進(jìn)行評(píng)估。這是與印度、東南亞等國家和地區(qū)開展雙邊節(jié)能環(huán)保合作的三大支柱。
1）與鋼鐵企業(yè)相關(guān)方的聯(lián)席會(huì)議。
2）技術(shù)定制清單。
3）鋼廠評(píng)估。
2.4創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)
日本制鐵的研發(fā)部門致力于CO2減排的研究，并將CO2的回收和固定作為自上而下的項(xiàng)目。目前日本制鐵正在開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，目標(biāo)是在2100年前生產(chǎn)出零碳鋼，零碳鋼是使用氫而不是碳還原鐵礦石生產(chǎn)的。這項(xiàng)工作主要針對(duì)以下四個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)行開發(fā)：1）減少CO2排放；2）CO2分離和回收；3）CO2循環(huán)利用；4）CO2儲(chǔ)存。
2.4.1減少CO2排放
為減少CO2排放，日本制鐵開發(fā)了如下技術(shù)：
1）開發(fā)余熱回收的干熄焦技術(shù)：在焦?fàn)t中制成的熱焦炭用惰性氣體淬火，熱量被用來產(chǎn)生蒸汽而發(fā)電。與濕法淬火相比，節(jié)能40%。
2）開發(fā)新一代煉焦技術(shù)（Scope21）：Scope21是以強(qiáng)化資源和能源應(yīng)對(duì)能力為目標(biāo)的國家開發(fā)項(xiàng)目。
3）開發(fā)高爐數(shù)字模型：合理調(diào)整高爐內(nèi)氣體流量、固體流量、液體流量、爐料分布等基本因素，降低焦炭等還原劑比例，從而減少CO2排放。
4）開發(fā)顯示爐料分布的三維離散單元法（DEM）模型：用DEM模型精確顯示高爐爐頂料面的分布情況，以布置爐料分布，提高反應(yīng)效率，減少CO2排放。
5）參與環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目COURSE50：該項(xiàng)目旨在通過開發(fā)在高爐煉鐵還原過程中使用氫氣的技術(shù)和采用化學(xué)吸收法以低成本分離和回收CO2的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CO2減排30%。
6）參與零碳鋼技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（100%氫還原煉鐵技術(shù)）：在鋼鐵工業(yè)中，大約70%的CO2排放是在高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的。
7）開發(fā)一種全新的制氫工藝：通過開發(fā)一種專有的高性能光催化劑材料，利用太陽能生產(chǎn)零排放的氫氣。
8）提高物流效率以實(shí)現(xiàn)CO2減排。
2.4.2 CO2分離和回收
為實(shí)現(xiàn)CO2分離和回收，日本制鐵開發(fā)了節(jié)能型化學(xué)吸收工藝（ESCAPTM），該工藝適用于從高爐和熱電廠等大規(guī)模排放源中分離和回收CO2。
為促進(jìn)CO2捕集與封存/利用（CCS/CCU）的社會(huì)實(shí)施和推廣，分離和回收CO2的成本必須降低。目前日本制鐵成功開發(fā)的高性能水性吸收劑可以將分離CO2的能耗降低到2.3吉焦/噸。在此基礎(chǔ)上，未來該公司希望將能耗降低至理論最低值1.6吉焦/噸，這意味著相當(dāng)高的成本。
2.4.3 CO2循環(huán)利用
最近將CO2作為一種有用的碳資源進(jìn)行循環(huán)利用的CCU技術(shù)受到了關(guān)注。日本制鐵正在開發(fā)一種從CO2生產(chǎn)碳酸二甲酯（DMC）的工藝。
此外，日本制鐵正在利用一種從CO2中制取基礎(chǔ)化合物和燃料的新催化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)無化石燃料工藝。
2.4.4 CO2儲(chǔ)存
在創(chuàng)建海洋森林的計(jì)劃中，日本制鐵啟動(dòng)了一個(gè)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，主要研究利用鋼渣捕集和封存CO2的影響。
此外，日本制鐵利用鋼渣制成的肥料可促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)，并幫助固定農(nóng)田中的CO2。
三、挑戰(zhàn)十大創(chuàng)新技術(shù)
日本制鐵成立了"零碳鋼委員會(huì)"，主要討論：公司對(duì)無碳社會(huì)的設(shè)想及與CO2減排相關(guān)的技術(shù)研發(fā)。日本制鐵提出以下十項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目：1）氫還原煉鐵零排放；2）高爐煉鐵還原過程中利用氫氣減少CO2排放；3）低成本分離和回收CO2的化學(xué)吸收法；4）推廣用于加氫站的HRX19TM，促進(jìn)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)；5）開發(fā)和推廣作為最終產(chǎn)品使用時(shí)幫助減少CO2排放的生態(tài)產(chǎn)品（NSafeTM-AutoConcept、電工鋼板）；6）提高廢塑料循環(huán)利用效率；7）建立由CO2制取DMC的方法；8）人工光合作用零排放制氫技術(shù)；9）利用鋼渣，通過藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)固定CO2；10）為適應(yīng)氣候變化提供"國家恢復(fù)力"解決方案。
四、日本減緩氣候變化長(zhǎng)期愿景及未來技術(shù)開發(fā)
為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖并達(dá)成《巴黎協(xié)定》的長(zhǎng)期目標(biāo)，日本鐵鋼連盟在努力實(shí)現(xiàn)《低碳社會(huì)行動(dòng)計(jì)劃》第二階段目標(biāo)外，還決定制定2030年及以后的"減緩氣候變化長(zhǎng)期愿景"，以實(shí)現(xiàn)"零碳鋼"。雖然日本鋼鐵行業(yè)不斷努力開發(fā)創(chuàng)新的煉鐵技術(shù)，但僅依靠這些技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的長(zhǎng)期目標(biāo)，為此，日本鋼鐵工業(yè)開始挑戰(zhàn)開發(fā)最終實(shí)現(xiàn)煉鐵過程零排放的技術(shù)，包括使用氫氣還原煉鐵技術(shù)、以及CCS、CCU技術(shù)。
(來源：世界金屬導(dǎo)報(bào))