康俊剛
2025年3月13日，美國波士頓金屬公司（Boston Metal）的實(shí)驗(yàn)室里，1噸熔融金屬(鐵水）從反應(yīng)器中緩緩流出。這個(gè)看似普通的生產(chǎn)場景，卻吸引了全球鋼鐵行業(yè)的關(guān)注，這標(biāo)志著美國首次在不產(chǎn)生任何二氧化碳的情況下煉出了鐵。
采用鐵礦石生產(chǎn)鐵的技術(shù)可以分為兩大類：一類是傳統(tǒng)的火法冶金工藝，采用還原劑（例如氫或碳）還原生產(chǎn)鐵水；另一類是采用電化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)電力供應(yīng)充足且便宜，尤其是綠色電力成本低且充足時(shí)，使用電力電解的方式生產(chǎn)鐵。根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)溫度、還原鐵的形態(tài)等，可將電解煉鐵分為熔融電化學(xué)電解和溶液電化學(xué)沉積兩類，其中溶液電沉積又可分為酸性溶液沉積和堿性溶液沉積。就目前而言，鐵礦石電解技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得成功，其成品是金屬鐵和共生產(chǎn)品氧。目前，全球正在積極開發(fā)電解煉鐵技術(shù)的知名企業(yè)有兩家，一家是安賽樂米塔爾（其主導(dǎo)的電解煉鐵Siderwin項(xiàng)目，采用的是低溫溶液電解工藝生產(chǎn)鐵），另一家就是美國波士頓金屬公司（熔融鐵礦石電解煉鐵工藝技術(shù)研究）。
熔融鐵礦石電解煉鐵是麻省理工學(xué)院（MIT）專攻材料化學(xué)、熔鹽物理化學(xué)和電化學(xué)的材料研究人員唐納德·薩多威（Donald Sadoway）和安托萬·阿蘭諾（Antoine Allanore）在2005年前后著手研發(fā)的。最初他們研究的是從廢棄物中提取金屬的工藝，后來研發(fā)范圍拓展至采用鐵礦石制取氧氣和鐵。該工藝項(xiàng)目研究獲美國能源部（DOE）和美國國家航空航天局（NASA）資助。2013年，依托熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)，科技創(chuàng)新公司——美國波士頓金屬公司應(yīng)運(yùn)而生（目前員工有300余人）。2022年10月21日，該公司在巴西成立生產(chǎn)貴金屬的電解還原分公司；2024年3月份，巴西的分公司熔融鐵礦石電解煉鐵設(shè)備在米納斯吉納斯建成，可以使用采礦廢料生產(chǎn)貴金屬。
圍繞該項(xiàng)目研究的融資，波斯頓金屬公司也經(jīng)歷了一番波折。該公司從2018年底發(fā)起融資，于2019年1月份完成A輪融資，獲得了2000萬美元；2021年1月4日完成B輪融資，獲得了5000萬美元；2023年9月份完成C輪融資，獲得了2.62億美元；2024年1月份完成C2融資，獲得了2.82億美元。經(jīng)過4輪融資，該公司總計(jì)獲得6.14億美元的資金，投資的企業(yè)包括阿美風(fēng)險(xiǎn)投資公司、微軟（氣候創(chuàng)新基金）、必和必拓、淡水河谷、安賽樂米塔爾等。
熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)可用于生產(chǎn)鋁、鎂、鋰、鈉和稀土等金屬，原料為鐵精礦或純氧化物，鐵離子在陰極被還原成鐵。在采用熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)生產(chǎn)鐵時(shí)，惰性金屬陽極浸入鐵礦石混合物中，引入直流電使鐵礦石熔化加熱到約1600攝氏度。與此同時(shí)，混合物里的其他氧化物必須保持穩(wěn)定，電解槽通電電解后生成的液態(tài)金屬鐵聚集在電解槽的底部。電解產(chǎn)生的鐵水從電解槽底部出鐵口流出，出鐵結(jié)束后關(guān)閉出鐵口，繼續(xù)電解。電解生產(chǎn)的清潔、高純度的鐵水，可以直接送入鋼包進(jìn)行精煉，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的產(chǎn)能為1噸/月~2噸/月。熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一即惰性陽極反應(yīng)器。反應(yīng)器正常運(yùn)行條件下，惰性陽極不參與反應(yīng)，如果電流分布和電解質(zhì)化學(xué)等條件之間不匹配，陽極會(huì)參與反應(yīng)、迅速消耗。
波士頓金屬公司的熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)適用于所有品位的鐵礦石，生產(chǎn)過程不需要工業(yè)水、危險(xiǎn)化學(xué)品或稀有金屬催化劑，為制造“綠色鋼鐵”提供了最直接、可拓展的解決方案。2025年3月12日，波士頓金屬公司發(fā)布消息稱，其在馬薩諸塞州沃伯恩工廠已經(jīng)完成了多惰性陽極熔融氧化物電解工業(yè)試制，惰性陽極的性能得到驗(yàn)證。2023年12月份，波士頓金屬公司在西弗吉尼亞州威爾頓開工建設(shè)熔融鐵礦石電解煉鐵工業(yè)化示范工廠，規(guī)模達(dá)到10萬噸/年，計(jì)劃于2026年建成、2027年投產(chǎn)。可以說，此次實(shí)驗(yàn)室規(guī)模驗(yàn)證成功，為該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)優(yōu)勢，即低碳排放、低成本、模塊化。熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)可以將低品位和中品位的鐵礦粉直接電解為高純度鐵水。因此，該工藝受鐵礦石原料價(jià)格影響較小，熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)不需要常規(guī)流程的焦化、鐵礦石加工（球團(tuán)或燒結(jié)）、高爐等工藝。傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)方式，即高爐和堿性氧氣爐（BF-BOF），主要依靠煤炭作為燃料，目前大部分企業(yè)選擇通過使用碳捕獲與封存（CCS）、天然氣直接還原鐵（NG-DRI）和氫直接還原鐵等技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳減排；而熔融電解鐵礦石煉鐵技術(shù)則純粹依靠電力實(shí)現(xiàn)“綠色煉鐵”，可以成為依賴化石能源生產(chǎn)鐵水的替代方案。
實(shí)際上，我國的科技工作者也在研究近零碳煉鐵的方法，同樣對電解煉鐵展開了一定研究。2010年，東北大學(xué)教授鄒宗樹等就對熔融鐵礦石電解制取金屬鐵申請了國家專利——以電解槽為主要設(shè)備，使用惰性陽極材料，在一定的槽電壓和1580攝氏度~1620攝氏度的高溫下，直接電解摻有電解質(zhì)的鐵礦石熔鹽制取金屬鐵。北京科技大學(xué)教授焦樹強(qiáng)團(tuán)隊(duì)對熔融氧化物電解煉鐵技術(shù)以及固廢處理進(jìn)行了一定研究，研發(fā)了近零碳排放無廢熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)。電解技術(shù)過程不產(chǎn)生二氧化碳，理論上屬于凈零排放的技術(shù)，但前提是電解所需的電在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生排放，并且電極消耗也不會(huì)產(chǎn)生碳排放。
有專家認(rèn)為，電解煉鐵工藝得到廣泛應(yīng)用的首要前提條件是充足且實(shí)惠的低碳電力。就目前而言，核能、可再生能源發(fā)電不斷發(fā)展，將為熔融電解鐵礦石煉鐵技術(shù)廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)中的電解工藝圖例。 （圖片來源于波士頓金屬公司官網(wǎng)）
《中國冶金報(bào)》（2025年03月28日 02版二版）
