钢铁行业如何应对脱碳挑战? 必和必拓给出全面指导

钢铁是现代化建设的基石,也是仅次于原油的、全球第二大的大宗商品产业链,钢铁支撑着人们日常生活的方方面面。随着全球应对气候变化和能源转型的推进,各大关键产业纷纷采取行动,加入到缓解气候变化和脱碳化的行列中,钢铁行业将在其中发挥中流砥柱的作用。

钢铁行业温室气体排放量约占全球排放总量的7%-10%1,在不降低人类未来生活水平的前提下,全球经济能否实现低碳化转变,将在很大程度上依赖钢铁行业的成功减排。因此,钢铁企业应率先减少自身运营所产生的碳排放量。

必和必拓整装待发,愿与客户携手共进脱碳之路。作为全球主要的炼钢原材料供应商之一,必和必拓始终走在应对气候变化的前列,我们在2020年度《气候变化报告》中明确了具体的减排目标和行动计划,以协助减少范围三(Scope 3)所涵盖的产业链下游企业在使用必和必拓资源产品时所产生的温室气体排放。我们凭借雄厚的技术能力,以及我们在全球主要炼钢地区与客户建立起来的长期合作伙伴关系,共同应对此挑战。

首先,让我们了解一下现今钢铁炼制的过程。

目前全球的钢铁生产主要采用两种工艺路线:

  • 第一种是长流程炼钢工艺,以高炉/转炉工艺为主(BF/BOF),以铁矿石作为主要的含铁原料;

  • 第二种是短流程炼钢工艺,以电炉(EAF)工艺为主,以废钢或直接还原铁(DRI)作为主要的含铁原料。

目前,长流程炼钢是全球钢铁生产的主流工艺,其产量约占全球钢铁总产量的72%,但不同地区之间也存在差异,取决于长、短炼钢流程的经济性,例如废钢供应量、燃料成本等因素。在废钢供应充裕和/或天然气价格相对较低的地区,例如北美、中东和北非,电炉炼钢工艺则在钢铁生产中占着较高比例。

接下来,让我们更详细地了解一下这些工艺。

在长流程炼钢过程中,铁矿石(主要为含铁氧化物)在高炉内经过“还原”化学反应被转化为金属铁。这种工艺利用冶金煤(焦炭)和喷吹煤作为还原剂,去除铁矿石中的氧,进而生成金属铁。高炉内的最高温度超过2000°C,因而会使金属铁融化成为高碳铁水,其从高炉出铁后,被运输至转炉,通过使用氧气等气体并添加熔剂(例如石灰石和白云石)进行冶炼,通过造渣以脱除碳、硅、磷等杂质,并最终成为钢水。

钢铁企业面临着两种选择:一是让高炉提前退役,改用低碳冶炼工艺;二是对现有高炉进行定期大修,直至其使用寿命终结。在目前的政策下,钢铁企业更偏向于选择后者。

其原因十分简单,可通过一组数据对比了解。一套400万吨产能的长流程工艺投资成本约为几十亿美元,而高炉大修成本则要低得多,其粗略估算仅在5000万到2亿美元之间,具体因地区而异。对于近年来高速发展的中国和印度等国家的钢铁企业,高炉的实际年龄普遍较短,预计还可以再使用30到40年。而在北美地区,高炉的平均年龄已接近50年(有的可能更久),因此,北美地区的钢铁企业有可能会率先决定大规模退出长流程炼钢工艺。但与此同时,我们也注意到,类似的发达地区譬如欧洲,有些钢铁企业仍然在通过技术革新来实现高炉减碳,以延长高炉设备的使用寿命。

电炉炼钢工艺与长流程炼钢工艺的区别主要在于,电炉的含铁炉料,如废钢或直接还原铁(DRI),都已经被“还原”为金属形态,因此只需要将这些废钢/直接还原铁熔化,即可生产钢水。

在生产直接还原铁过程中,块矿和球团矿被还原为固态金属铁,而不是长流程工艺的液态铁水。目前,全球直接还原铁的年产量约为1亿吨,其中大部分是利用改质天然气(本质上就是把天然气分解为氢气和一氧化碳)来去除铁矿石中的氧。其生产的直接还原铁(DRI)或热压铁块(HBI),是一种多用途原料,既可用于高炉-转炉工艺,提升利用系数、降低燃耗,也可用于代替电炉中废钢使用,降低钢水杂质含量,从而生产更高品质的钢材。某些钢厂因为没有废钢资源或废钢价格太高,其电炉会使用100%的直接还原铁(DRI)作为炼钢炉料。

在电炉炼钢工艺中,如果全部使用废钢作为原料,其钢材往往品质不高,主要原因是废钢中含有铜等杂质,而这些杂质在炼钢过程中难以去除,进而影响钢材的机械性能。因此,要想生产性能更优的钢材,例如汽车板或高级管材,就需要在电炉炼钢工艺中添加高质量的直接还原铁(DRI)或生铁,以便更好地控制钢材中的杂质。

这两种主要炼钢工艺的吨钢碳排放量大相径庭。高炉长流程炼钢工艺,平均吨钢直接和间接(如来自厂外供电设施)二氧化碳排放量约两吨;而直接还原铁工艺排放量取决于燃料来源:印度的煤基直接还原铁工艺平均为2.4吨二氧化碳/吨钢;而天然气直接还原铁工艺平均为1.4吨二氧化碳/吨钢。目前,在所有商业化炼钢技术中,基于废钢的电炉炼钢工艺最为环保,其排放系数约为0.4吨二氧化碳/吨钢,实际排放量因电力排放强度而有所差异。综合而言,全球钢铁企业的平均排放强度约为1.7吨二氧化碳/吨钢。

在应对脱碳挑战的过程中,钢铁企业为什么不直接增加电炉炼钢的比例呢?

原因十分简单,无论是废钢还是直接还原铁,其产量有限,而且从全球范围来看存在严重的供不应求局面。我们预计,未来全球主要钢铁产区都会增加废钢的使用。但是,其变化速度主要取决于废钢的供应量,而废钢的供应在很大程度上又取决于报废的钢铁量。在这方面,我们做了非常深入的研究。我们对主要钢铁产区在当前和未来的废钢/钢材比率做了估算,并得出如下结论。

基于必和必拓的基准情景分析,至少到2050年,废钢都将面临供不应求的局面,全球废钢/钢材比可能一直保持在50%以下。

即使按照必和必拓的低碳情景分析,假设循环经济的发展能够推动废钢收集量,到2050年,全球高炉/转炉(BF/BOF)炼钢工艺的份额仍将保持50%以上。

与废钢的情况相似,直接还原铁电炉炼钢工艺需要使用高品铁矿石,其产量亦十分有限,远远难以满足全球钢材需求。由于二氧化硅、氧化铝和磷等杂质会严重影响电炉炼钢(EAF)工艺的效率和竞争力,因而必须使用最优质的铁矿石作为原料生产直接还原铁,一般其平均铁含量要达到67%,但此类铁矿石资源储量十分有限。如无法通过工艺革新以有效利用中高品位的铁矿石,那么直接还原铁电炉炼钢工艺对原料的苛求性会大大限制其竞争力。

那么钢铁行业如何才能降低碳排放强度呢?

简而言之,钢铁行业有三种选择。我们认为这三种选择都能在脱碳进程中发挥重要作用:

减少或消除各炼钢厂的直接排放;

利用可再生能源减少或消除电力碳排放;和/或

碳捕集以供再次利用或封存。

基于我们对炼钢工艺的深度了解,同时运用我们开发的广义预测工具技术扩散规律(Laws of Technological Diffusion),我们建立了一个必和必拓独家的钢铁脱碳技术框架。该框架界定了各钢铁产区在脱碳之路上必经的三个阶段,并概述了各阶段的相关技术。

这三个阶段分别是:优化阶段过渡阶段以及最终的绿色阶段,目前大多数钢铁产区在脱碳技术方面仍处于优化阶段。

让我们来详细了解各个阶段应用的技术和战略。

优化阶段

首先,钢铁企业可以采用现有的低成本减排技术来降低当前长流程炼钢工艺的碳排放。例如:使用可再生能源,回收富能气体和热量等。目前,行业领军企业在这方面已经达到较高水平,随着先进工艺控制和工业4.0的实施,更多的钢厂将向行业领军企业看齐。这有助于进一步减少燃料用量,进而降低相关碳排放。

我们认为,废钢也将在优化阶段发挥重要作用。我们不仅注意到废钢电炉炼钢工艺在钢铁生产中的占比在逐年增长,也发现一些钢铁产区的长流程炼钢废钢比逐渐升高。从技术层面讲,在转炉(BOF)炼钢工艺中,废钢在炉料中的占比最高可达30%,而目前的平均水平仅为其一半。我们相信这一比例还将进一步提高。即使在高炉(BF)工艺中(即炼铁环节),也可以使用更多的直接还原铁(DRI)或(热压铁块)HBI等金属材料。

由于最具成本竞争力原料(矿石基原料和废钢)的供应情况、工厂配置和最终的钢铁产品组合不尽相同,各钢厂的最佳优化技术也存在差异。但总体来说,我们估算以当前的碳排放水平为基线,即约2吨二氧化碳/吨钢,优化阶段可协助钢铁企业将长流程炼钢的碳排放强度减少约20%。

过渡阶段

这一阶段主要是利用低碳技术改造现有的长流程炼钢工艺,其可降低吨钢碳排放强度50%-60%,最高可达80%。我们认为,此阶段是在中期实现钢铁行业实质性减碳的必经之路。在此之后,随着技术、经济和基础设施的进一步成熟,钢铁行业将迈向绿色阶段。过渡阶段采用的很多技术将提升高炉炼铁的效率,但同时有可能致使钢厂无法使用尾气发电,进而需要从外部电网购买电力。因此,只有实现可再生能源供电,才能充分发挥这些技术的潜力。

碳捕集、利用与封存(CCUS):必和必拓认为,在过渡阶段中,CCUS技术将对钢铁行业的脱碳起到至关重要的作用。取决于该技术的应用情况,其最高可降低长流程炼钢工艺碳排放强度的60%。尽管目前仍存在一些技术和成本的壁垒,CCUS技术尚未被应用到长流程炼钢工艺中,但我们认为,未来十年这些难题将会被逐渐攻克。碳捕集技术的好处还在于它还可以应用于发电、水泥生产和化工等多个行业。这样一来,在某些领域取得的突破,以及CCUS技术广泛应用到各大难以减碳的行业所带来的规模效益,将降低钢铁企业使用该技术的成本。

氧气高炉:通过采用纯氧喷吹,该技术可提升现有高炉的冶炼和操作。较高的氧气浓度与再循环气体系统(炉顶煤气循环)相结合,不仅可以提升高炉冶炼效率,还能减少其整体碳排放强度约15%-20%。氧气高炉是欧盟超低二氧化碳炼钢技术研发项目(ULCOS)的技术路线之一3,全球最大的钢铁生产企业中国宝武集团也在研制开发氧气高炉低碳冶炼技术4。这项技术的一个关键特征是高炉尾气中的二氧化碳浓度更高(近40%,而传统高炉仅为约20%),因此,该技术非常适合与CCUS技术结合应用。

熔融还原:由欧盟ULCOS项目构思并由塔塔钢铁欧洲公司开发的Hlsarna工艺是同类研究中最具前景的技术之一。尽管该技术仍然采用煤作为还原剂,但它并不依赖焦炭提供对炉内炉料的支撑。HIsarna工艺尾气中的CO2浓度极高(约为90%),使其非常适合与CCUS技术结合使用,可将碳排放强度降低高达80%。

高炉富氢喷吹:该技术主要从高炉风口喷吹氢气,既可以是纯氢,也可以是富氢气体,例如焦炉煤气(氢含量约为55%)或天然气。通过风口喷吹的氢气不仅可以作为热源,还可以作为还原剂,部分替代喷吹煤。目前,安赛乐米塔尔集团(ArcelorMittal)、中国宝武集团和蒂森克虏伯钢铁正在研究该项技术。6.7.8尽管该技术有一定的前景,但由于氢气还原反应吸热,其喷吹比例受到限制,因此,其最高仅可降低碳排放强度约15%左右。该技术亦是日本国家项目COURSE50(CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50)的技术路线之一。

生物质的使用:生物质作为燃料或还原剂的来源可以贯穿整个长流程钢过程。在烧结过程中,可以直接替代煤炭或其他燃料;在焦炭生产中,可以充当原料;在高炉内可以直接替代焦炭,也可以替代喷吹煤;还可以在炼钢过程中充当碳源。来自可再生资源的生物质有望将整个长流程炼钢的碳排放强度降低达50%,但我们认为10%-20%更加切合实际。由于缺乏可持续的生物质资源以及其它行业对生物质的需求竞争,我们认为生物质或许不是可以广泛应用的减排手段。

绿色阶段

最后,得益于前沿技术的成熟,钢铁生产将最终进入绿色阶段,即实现零排放或近零排放。为实现这一目标,钢铁行业需要获得具有成本竞争力且可以大规模使用的可再生能源电力,让各类低碳技术形成竞争,促使钢厂淘汰现有的高炉设施。目前,我们认为,氢基直接还原铁(DRI)和电炉炼钢(EAF)工艺是钢铁行业唯一可行且能够大规模实施的脱碳技术路线。在直接还原铁(DRI)工艺中使用氢气并不是一个全新的概念,在当前的天然气直接还原铁(DRI)工艺中,氢气占还原剂总量的60%。现有的直接还原铁(DRI)设施,在设计之初就考虑到了未来使用氢气的需求,并支持向氢气模式的切换。所以,严格来讲,氢基直接还原并不是受限于技术环节,而是一道经济学难题:是否有足够的、低成本的可再生或者绿色氢气来满足整个钢铁行业的需求,以及是否有配套的氢气传输和存储设施。

毫无意外,考虑到配套基础设施的规模,氢基直接还原铁(DRI)炼钢工艺面临着巨大的经济上挑战。据估计,氢气的生产成本需要降到1-2美元/每千克,再加上高碳税的助力,氢基直接还原铁(DRI)炼钢工艺才能与长流程炼钢工艺形成竞争。尽管如此,钢厂对这项技术的兴趣日益高涨。近期,作为瑞典技术攻关项目HYBRIT(突破性氢能炼铁技术)10的一部分,瑞典第一家氢基直接还原铁(DRI)工厂已经正式启动。

从长远来看,我们认为直接电解炼铁等新兴技术也有可能成为技术路线之一。今天,几乎所有电解铝和电解铜都是通过电化学工艺生产的,钢厂采用该技术的挑战是如何获得足够的可再生能源电力来实现规模化生产。以钢铁年产量约1亿吨的日本为例,如采用电解炼铁技术,所需的可再生能源电力是现有日本全国可再生能源发电总量的两倍。尽管如此,电解技术的优势在于可以直接用电还原铁矿石,无需产生氢气。因此,我们认为,在氢气成本无法降低的情况下,可以继续研发电解技术,作为氢基炼钢工艺以外的另一条路线。

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