鋼鐵行業(yè)脫碳的技術(shù)路徑

對(duì)于鋼鐵行業(yè)的脫碳而言，碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術(shù)是一種可行方案，它有助于處理傳統(tǒng)高爐運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的殘余排放。此外，還可以用直接還原（DR）裝置取代高爐-轉(zhuǎn)爐裝備中的煉鐵高爐。

直接還原工藝以天然氣為原料，與高爐-轉(zhuǎn)爐工藝路線(xiàn)相比，可減少約50%的二氧化碳排放。同時(shí)，該工藝也有助于從天然氣逐步過(guò)渡到氫氣，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)進(jìn)一步脫碳。

傳統(tǒng)煉鋼工藝路線(xiàn)

當(dāng)前鋼鐵生產(chǎn)主要有三種傳統(tǒng)工藝路線(xiàn)：1）高爐-轉(zhuǎn)爐；2）廢鋼-電弧爐（EAF）；3）基于天然氣的直接還原鐵（DRI）+電弧爐。

盡管從循環(huán)經(jīng)濟(jì)和最低二氧化碳排放（取決于電力的碳強(qiáng)度）的角度來(lái)看，廢鋼-電弧爐工藝是最有效的方法，但由于回收廢鋼中微量元素的富集，其生產(chǎn)高等級(jí)鋼材的能力受到一定限制。

直接還原鐵作為電弧爐生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材的原料，主要依靠天然氣和/或氫氣作為還原鐵礦石的能源。這是目前取代高爐-轉(zhuǎn)爐工藝實(shí)現(xiàn)脫碳的技術(shù)途徑。由于鐵礦石中脈石的成分和含量會(huì)影響電弧爐運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，因此，直接還原鐵的生產(chǎn)需使用優(yōu)質(zhì)鐵礦石。

對(duì)高爐-轉(zhuǎn)爐裝置進(jìn)行脫碳改造的一種替代和過(guò)渡方式是，用基于氣體的直接還原工廠和電弧爐取代煉鐵高爐系統(tǒng)，同時(shí)保持轉(zhuǎn)爐下游的煉鋼設(shè)施繼續(xù)運(yùn)行。在這個(gè)系統(tǒng)中，直接還原工廠使用天然氣、氫氣和低品位鐵精礦球團(tuán)，生產(chǎn)熱直接還原鐵（HDRI）。熱直接還原鐵被送入電爐，生產(chǎn)出含有特定碳含量的鐵水，作為現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐的原料。為滿(mǎn)足綜合鋼鐵制造商的脫碳需求，特諾恩公司推出了iBLUE?方案，該方案包括回收廢氣中的能量，并將其作為燃料在直接還原工廠中使用。

直接還原鐵工藝配置

直接還原鐵-電弧爐（DRI-EAF）和直接還原鐵-熔分爐-轉(zhuǎn)爐（DRI-Melter-BOF）這兩種配置，能夠生產(chǎn)多種質(zhì)量等級(jí)的鋼材。直接還原工廠以天然氣（和/或氫氣）作為還原和燃料的主要能源，天然氣通過(guò)烴類(lèi)重整轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，用于還原鐵礦石，最終的副產(chǎn)品為二氧化碳和水。與高爐-轉(zhuǎn)爐工藝相比，該工藝的二氧化碳排放量減少約50%甚至更多。

用天然氣直接還原鐵礦石主要有兩種方法：

方法1以ENERGIRON工藝為代表，該工藝無(wú)論使用何種還原氣體來(lái)源，核心配置都相同，且在較高壓力下運(yùn)行。這項(xiàng)由特諾恩（Tenova）和達(dá)涅利（Danieli）聯(lián)合開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)，包含一個(gè)高效且具選擇性的二氧化碳去除系統(tǒng)，這是該工藝的固有組成部分。它配備了一個(gè)工藝氣體加熱器（PGH），將還原氣體溫度提升至所需水平，必要時(shí)還可注入氧氣。該二氧化碳去除系統(tǒng)能夠捕獲約60%的總排放量，同時(shí)使未反應(yīng)的氫氣和一氧化碳循環(huán)回到還原豎爐。尾氣僅用于系統(tǒng)內(nèi)的惰性氣體吹掃和壓力控制。該工廠只需調(diào)整運(yùn)行模式，就能使用天然氣和氫氣的任意組合進(jìn)行運(yùn)行。

方法2是專(zhuān)為100%使用天然氣而設(shè)計(jì)的優(yōu)化配置。它包含天然氣重整器、一個(gè)熱回收系統(tǒng)（通過(guò)該重整器對(duì)爐頂煤氣進(jìn)行部分循環(huán)），以及將尾氣用作燃料，其主要功能是通過(guò)煙道氣對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行非選擇性的除碳。然而，該方法本身缺乏高效去除二氧化碳的能力。對(duì)于其他還原氣體，需針對(duì)每種具體情況采用不同的配置方案。

ENERGIRON技術(shù)

在選擇直接還原鐵生產(chǎn)方法時(shí)，應(yīng)考慮以下兩種情況：1）直接還原工廠在一段時(shí)間內(nèi)將100%使用天然氣，或混入一定比例的氫氣，最終目標(biāo)是在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)完全使用氫氣。2）直接還原工廠從一開(kāi)始就完全使用100%氫氣。

在第一種情形下，ENERGIRON方案在減少二氧化碳排放、能源優(yōu)化、天然氣/氫氣使用以及操作靈活性方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

采用ENERGIRON工藝的工廠具備獨(dú)特的靈活性，能夠使用相同的工藝流程和設(shè)備，以任意還原氣體組合進(jìn)行生產(chǎn)。采用ENERGIRON技術(shù)的直接還原工廠體現(xiàn)了這種靈活性，比如瑞典的Hybrit工廠，它以100%的氫氣作為生產(chǎn)氣體，還有中國(guó)的寶鋼湛江工廠，使用天然氣、焦?fàn)t煤氣和氫氣進(jìn)行生產(chǎn)。直接還原工廠可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，并根據(jù)操作模式繞過(guò)某些設(shè)備來(lái)處理從天然氣（及其他氣體）與氫氣的任意混合比例，直至100%氫氣的情況。

當(dāng)使用天然氣與氫氣的混合氣體時(shí)，該工廠不僅能靈活應(yīng)對(duì)氫氣供應(yīng)的變化，還具備在100%天然氣、100%氫氣或兩者間任意比例之間隨時(shí)切換的能力。基于預(yù)測(cè)性工藝算法，只需在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整運(yùn)行條件，就能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，且不會(huì)影響工廠產(chǎn)能和直接還原鐵（DRI）的質(zhì)量。直接還原鐵中的碳含量會(huì)根據(jù)氫氣的使用比例而有所不同。

ENERGIRON直接還原方案在工藝配置中已內(nèi)置了二氧化碳去除系統(tǒng)，無(wú)需額外能源（從而避免了潛在的額外二氧化碳排放）。倘若CCUS技術(shù)可用，即便不使用氫氣為原料，該工藝也能使直接還原工廠的二氧化碳排放量減少約60%。這相當(dāng)于使用通過(guò)蒸汽甲烷重整并結(jié)合碳捕集與封存技術(shù)從天然氣中制取的低碳?xì)錃?，即藍(lán)氫。

在不采用CCUS技術(shù)、還原氣體為天然氣加上55%氫氣（按能量占比）的情況，與采用CCUS技術(shù)、還原氣為100%天然氣這兩種情形下，直接還原（DR）工廠的二氧化碳排放量近乎相同。值得注意的是，采用CCUS技術(shù)、還原氣為天然氣加上30%氫氣的情景，相較于不采用CCUS技術(shù)、還原氣為天然氣加上55%氫氣的情景，二氧化碳排放量更低。此外，可以看到，當(dāng)氫氣占比超過(guò)70%時(shí)，便不再需要去除二氧化碳，該環(huán)節(jié)可以繞過(guò)。這就提供了靈活性，根據(jù)CCUS方案的具體成本，以及低碳?xì)錃獾氖褂们闆r，來(lái)實(shí)現(xiàn)大幅減排并節(jié)省相關(guān)成本。

在第二種情形下，假設(shè)直接還原工廠僅使用100%的氫氣運(yùn)行，ENERGIRON方案可通過(guò)省略二氧化碳吸收系統(tǒng)、氧氣注入裝置和加濕器，因?yàn)橹挥性谑褂酶弑壤烊粴鈺r(shí)，才需要加濕器來(lái)控制直接還原鐵中的碳含量。

在此背景下，雖然其他系統(tǒng)通過(guò)用加熱器替代天然氣重整器來(lái)采用相同的工藝配置，但ENERGIRON系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)：

由于運(yùn)行壓力高（爐頂煤氣壓力為6-8bara），對(duì)于高產(chǎn)能工廠而言，還原豎爐直徑較小，在處理高比例氫氣時(shí)具有更大的靈活性。對(duì)于較低的氣體分子量/密度，氣體流速和分布可通過(guò)體積流量和運(yùn)行壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，可針對(duì)所需的壓降（ΔP）進(jìn)行優(yōu)化，從而增強(qiáng)氫氣循環(huán)。相比之下，對(duì)于相同產(chǎn)能的低壓方案，豎爐直徑更大，需要更高的氫氣流速來(lái)抵消較低的ΔP并維持適當(dāng)?shù)臍怏w分布。

關(guān)于操作壓力，將爐頂煤氣中未反應(yīng)的氫氣循環(huán)回到還原豎爐，在相同的壓降下，壓縮機(jī)吸氣壓力更高，從而降低了功耗。相比之下，在相同流量和ΔP的情況下，100%使用氫氣的低壓方案中，循環(huán)氣體壓縮機(jī)的功耗約為ENERGIRON壓縮機(jī)的四倍，此外，在直徑更大的豎爐中還需要更高的體積流量。

上述優(yōu)勢(shì)提升了ENERGIRON工藝的能源優(yōu)化水平，能耗僅為8.3GJ/tDRI（含燃料），工藝能耗僅約為6.6GJ/tDRI，工廠電力需求僅為35kWh/tDRI。根據(jù)電網(wǎng)/可再生電力以及氫氣的碳排放強(qiáng)度和成本，可采用電加熱工藝氣體加熱器（PGH）替代直接燃燒式加熱器。

結(jié)論

ENERGIRON直接還原工廠對(duì)選擇性二氧化碳捕集進(jìn)行商業(yè)利用的主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）ENERGIRON工藝具備靈活性，既可以考慮將CCUS作為過(guò)渡方案，也可以將使用天然氣與氫氣相結(jié)合。

2）對(duì)于在還原回路中捕集并可直接用于CCUS的二氧化碳，無(wú)需額外的能源需求或資本支出，目前幾座正在運(yùn)行的ENERGIRON直接還原工廠就是如此。

3）根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的《全球氫能回顧2023》報(bào)告，即便考慮二氧化碳封存成本（約80美元/噸）或利用成本（約60美元/噸），分別相當(dāng)于約0.80美元/kg氫氣和0.55美元/kg氫氣，這些成本仍低于通過(guò)蒸汽甲烷重整（SMR）結(jié)合CCS生產(chǎn)的氫氣成本，且顯著低于水電解制氫成本。不過(guò)，需要注意的是，二氧化碳封存對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期影響仍在深入分析之中。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。