鋼鐵行業(yè)脫碳的技術路徑

對于鋼鐵行業(yè)的脫碳而言，碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術是一種可行方案，它有助于處理傳統(tǒng)高爐運行過程中產生的殘余排放。此外，還可以用直接還原（DR）裝置取代高爐-轉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-轉爐工藝路線相比，可減少約50%的二氧化碳排放。同時，該工藝也有助于從天然氣逐步過渡到氫氣，推動鋼鐵行業(yè)進一步脫碳。

傳統(tǒng)煉鋼工藝路線

當前鋼鐵生產主要有三種傳統(tǒng)工藝路線：1）高爐-轉爐；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)經濟和最低二氧化碳排放（取決于電力的碳強度）的角度來看，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，其生產高等級鋼材的能力受到一定限制。

直接還原鐵作為電弧爐生產優(yōu)質鋼材的原料，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-轉爐工藝實現脫碳的技術途徑。由于鐵礦石中脈石的成分和含量會影響電弧爐運行和經濟效益，因此，直接還原鐵的生產需使用優(yōu)質鐵礦石。

對高爐-轉爐裝置進行脫碳改造的一種替代和過渡方式是，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)，同時保持轉爐下游的煉鋼設施繼續(xù)運行。在這個系統(tǒng)中，直接還原工廠使用天然氣、氫氣和低品位鐵精礦球團，生產熱直接還原鐵（HDRI）。熱直接還原鐵被送入電爐，生產出含有特定碳含量的鐵水，作為現有轉爐的原料。為滿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-轉爐（DRI-Melter-BOF）這兩種配置，能夠生產多種質量等級的鋼材。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，天然氣通過烴類重整轉化為氫氣和一氧化碳，用于還原鐵礦石，最終的副產品為二氧化碳和水。與高爐-轉爐工藝相比，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，該工藝無論使用何種還原氣體來源，核心配置都相同，且在較高壓力下運行。這項由特諾恩（Tenova）和達涅利（Danieli）聯(lián)合開發(fā)的創(chuàng)新技術，包含一個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，同時使未反應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)內的惰性氣體吹掃和壓力控制。該工廠只需調整運行模式，就能使用天然氣和氫氣的任意組合進行運行。

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

ENERGIRON技術

在選擇直接還原鐵生產方法時，應考慮以下兩種情況：1）直接還原工廠在一段時間內將100%使用天然氣，或混入一定比例的氫氣，最終目標是在可預見的未來完全使用氫氣。2）直接還原工廠從一開始就完全使用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出獨特優(yōu)勢。

采用ENERGIRON工藝的工廠具備獨特的靈活性，能夠使用相同的工藝流程和設備，以任意還原氣體組合進行生產。采用ENERGIRON技術的直接還原工廠體現了這種靈活性，比如瑞典的Hybrit工廠，它以100%的氫氣作為生產氣體，還有中國的寶鋼湛江工廠，使用天然氣、焦爐煤氣和氫氣進行生產。直接還原工廠可以通過調整工藝參數，并根據操作模式繞過某些設備來處理從天然氣（及其他氣體）與氫氣的任意混合比例，直至100%氫氣的情況。

當使用天然氣與氫氣的混合氣體時，該工廠不僅能靈活應對氫氣供應的變化，還具備在100%天然氣、100%氫氣或兩者間任意比例之間隨時切換的能力?；陬A測性工藝算法，只需在短時間內調整運行條件，就能實現這一點，且不會影響工廠產能和直接還原鐵（DRI）的質量。直接還原鐵中的碳含量會根據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置了二氧化碳去除系統(tǒng)，無需額外能源（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%。這相當于使用通過蒸汽甲烷重整并結合碳捕集與封存技術從天然氣中制取的低碳氫氣，即藍氫。

在不采用CCUS技術、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、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、還原氣為天然氣加上30%氫氣的情景，相較于不采用CCUS技術、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，當氫氣占比超過70%時，便不再需要去除二氧化碳，該環(huán)節(jié)可以繞過。這就提供了靈活性，根據CCUS方案的具體成本，以及低碳氫氣的使用情況，來實現大幅減排并節(jié)省相關成本。

在第二種情形下，假設直接還原工廠僅使用100%的氫氣運行，ENERGIRON方案可通過省略二氧化碳吸收系統(tǒng)、氧氣注入裝置和加濕器，因為只有在使用高比例天然氣時，才需要加濕器來控制直接還原鐵中的碳含量。

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

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

關于操作壓力，將爐頂煤氣中未反應的氫氣循環(huán)回到還原豎爐，在相同的壓降下，壓縮機吸氣壓力更高，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)氣體壓縮機的功耗約為ENERGIRON壓縮機的四倍，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。根據電網/可再生電力以及氫氣的碳排放強度和成本，可采用電加熱工藝氣體加熱器（PGH）替代直接燃燒式加熱器。

結論

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

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

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

3）根據國際能源署（IEA）發(fā)布的《全球氫能回顧2023》報告，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蒸汽甲烷重整（SMR）結合CCS生產的氫氣成本，且顯著低于水電解制氫成本。不過，需要注意的是，二氧化碳封存對環(huán)境的長期影響仍在深入分析之中。

備注：數據僅供參考，不作為投資依據。