排氧不排碳，美式“綠鐵”出爐——波士頓金屬公司熔融鐵礦石電解煉鐵技術(shù)淺析

　　2025年3月13日，美國波士頓金屬公司（Boston Metal）的實驗室里，1噸熔融金屬(鐵水）從反應器中緩緩流出。這個看似普通的生產(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反應，當電力供應充足且便宜，尤其是綠色電力成本低且充足時，使用電力電解的方式生產(chǎn)鐵。根據(jù)電化學反應溫度、還原鐵的形態(tài)等，可將電解煉鐵分為熔融電化學電解和溶液電化學沉積兩類，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)已在實驗室條件下獲得成功，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（其主導的電解煉鐵Siderwin項目，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院（MIT）專攻材料化學、熔鹽物理化學和電化學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運而生（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，該公司總計獲得6.14億美元的資金，投資的企業(yè)包括阿美風險投資公司、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，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，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行精煉，實驗室規(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)鍵設備之一即惰性陽極反應器。反應器正常運行條件下，惰性陽極不參與反應，如果電流分布和電解質(zhì)化學等條件之間不匹配，陽極會參與反應、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、危險化學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熔融鐵礦石電解煉鐵工業(yè)化示范工廠，規(guī)模達到10萬噸/年，計劃于2026年建成、2027年投產(chǎn)。可以說，此次實驗室規(guī)模驗證成功，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。北京科技大學教授焦樹強團隊對熔融氧化物電解煉鐵技術(shù)以及固廢處理進行了一定研究，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產(chǎn)生碳排放。

　　有專家認為，電解煉鐵工藝得到廣泛應用的首要前提條件是充足且實惠的低碳電力。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)）