鋼鐵是現(xiàn)代化建設(shè)的基石，也是僅次于原油的、全球第二大的大宗商品產(chǎn)業(yè)鏈，鋼鐵支撐著人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷�。隨著全球應(yīng)對(duì)氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，各大關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)紛紛采取行動(dòng)，加入到緩解氣候變化和脫碳化的行列中，鋼鐵行業(yè)將在其中發(fā)揮中流砥柱的作用。
鋼鐵行業(yè)溫室氣體排放量約占全球排放總量的7%-10%1，在不降低人類未來(lái)生活水平的前提下，全球經(jīng)濟(jì)能否實(shí)現(xiàn)低碳化轉(zhuǎn)變，將在很大程度上依賴鋼鐵行業(yè)的成功減排。因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)率先減少自身運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的碳排放量。
必和必拓整裝待發(fā)，愿與客戶攜手共進(jìn)脫碳之路。作為全球主要的煉鋼原材料供應(yīng)商之一，必和必拓始終走在應(yīng)對(duì)氣候變化的前列，我們?cè)?020年度《氣候變化報(bào)告》中明確了具體的減排目標(biāo)和行動(dòng)計(jì)劃，以協(xié)助減少范圍三（Scope 3）所涵蓋的產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)在使用必和必拓資源產(chǎn)品時(shí)所產(chǎn)生的溫室氣體排放。我們憑借雄厚的技術(shù)能力，以及我們?cè)谌蛑饕獰掍摰貐^(qū)與客戶建立起來(lái)的長(zhǎng)期合作伙伴關(guān)系，共同應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)。
首先，讓我們了解一下現(xiàn)今鋼鐵煉制的過(guò)程。
目前全球的鋼鐵生產(chǎn)主要采用兩種工藝路線：
第一種是長(zhǎng)流程煉鋼工藝，以高爐/轉(zhuǎn)爐工藝為主（BF/BOF），以鐵礦石作為主要的含鐵原料；
第二種是短流程煉鋼工藝，以電爐（EAF）工藝為主，以廢鋼或直接還原鐵（DRI）作為主要的含鐵原料。
目前，長(zhǎng)流程煉鋼是全球鋼鐵生產(chǎn)的主流工藝，其產(chǎn)量約占全球鋼鐵總產(chǎn)量的72%，但不同地區(qū)之間也存在差異，取決于長(zhǎng)、短煉鋼流程的經(jīng)濟(jì)性，例如廢鋼供應(yīng)量、燃料成本等因素。在廢鋼供應(yīng)充裕和/或天然氣價(jià)格相對(duì)較低的地區(qū)，例如北美、中東和北非，電爐煉鋼工藝則在鋼鐵生產(chǎn)中占著較高比例。
接下來(lái)，讓我們更詳細(xì)地了解一下這些工藝。
在長(zhǎng)流程煉鋼過(guò)程中，鐵礦石（主要為含鐵氧化物）在高爐內(nèi)經(jīng)過(guò)“還原”化學(xué)反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為金屬鐵。這種工藝?yán)靡苯鹈海ń固浚┖蛧姶得鹤鳛檫�原劑，去除鐵礦石中的氧，進(jìn)而生成金屬鐵。高爐內(nèi)的最高溫度超過(guò)2000°C，因而會(huì)使金屬鐵融化成為高碳鐵水，其從高爐出鐵后，被運(yùn)輸至轉(zhuǎn)爐，通過(guò)使用氧氣等氣體并添加熔劑（例如石灰石和白云石）進(jìn)行冶煉，通過(guò)造渣以脫除碳、硅、磷等雜質(zhì)，并最終成為鋼水。
鋼鐵企業(yè)面臨著兩種選擇：一是讓高爐提前退役，改用低碳冶煉工藝；二是對(duì)現(xiàn)有高爐進(jìn)行定期大修，直至其使用壽命終結(jié)。在目前的政策下，鋼鐵企業(yè)更偏向于選擇后者。
其原因十分簡(jiǎn)單，可通過(guò)一組數(shù)據(jù)對(duì)比了解。一套400萬(wàn)噸產(chǎn)能的長(zhǎng)流程工藝投資成本約為幾十億美元，而高爐大修成本則要低得多，其粗略估算僅在5000萬(wàn)到2億美元之間，具體因地區(qū)而異。對(duì)于近年來(lái)高速發(fā)展的中國(guó)和印度等國(guó)家的鋼鐵企業(yè)，高爐的實(shí)際年齡普遍較短，預(yù)計(jì)還可以再使用30到40年。而在北美地區(qū)，高爐的平均年齡已接近50年（有的可能更久），因此，北美地區(qū)的鋼鐵企業(yè)有可能會(huì)率先決定大規(guī)模退出長(zhǎng)流程煉鋼工藝。但與此同時(shí)，我們也注意到，類似的發(fā)達(dá)地區(qū)譬如歐洲，有些鋼鐵企業(yè)仍然在通過(guò)技術(shù)革新來(lái)實(shí)現(xiàn)高爐減碳，以延長(zhǎng)高爐設(shè)備的使用壽命。
電爐煉鋼工藝與長(zhǎng)流程煉鋼工藝的區(qū)別主要在于，電爐的含鐵爐料，如廢鋼或直接還原鐵（DRI），都已經(jīng)被“還原”為金屬形態(tài)，因此只需要將這些廢鋼/直接還原鐵熔化，即可生產(chǎn)鋼水。
在生產(chǎn)直接還原鐵過(guò)程中，塊礦和球團(tuán)礦被還原為固態(tài)金屬鐵，而不是長(zhǎng)流程工藝的液態(tài)鐵水。目前，全球直接還原鐵的年產(chǎn)量約為1億噸，其中大部分是利用改質(zhì)天然氣（本質(zhì)上就是把天然氣分解為氫氣和一氧化碳）來(lái)去除鐵礦石中的氧。其生產(chǎn)的直接還原鐵（DRI）或熱壓鐵塊（HBI），是一種多用途原料，既可用于高爐-轉(zhuǎn)爐工藝，提升利用系數(shù)、降低燃耗，也可用于代替電爐中廢鋼使用，降低鋼水雜質(zhì)含量，從而生產(chǎn)更高品質(zhì)的鋼材。某些鋼廠因?yàn)闆](méi)有廢鋼資源或廢鋼價(jià)格太高，其電爐會(huì)使用100%的直接還原鐵（DRI）作為煉鋼爐料。
在電爐煉鋼工藝中，如果全部使用廢鋼作為原料，其鋼材往往品質(zhì)不高，主要原因是廢鋼中含有銅等雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)在煉鋼過(guò)程中難以去除，進(jìn)而影響鋼材的機(jī)械性能。因此，要想生產(chǎn)性能更優(yōu)的鋼材，例如汽車板或高級(jí)管材，就需要在電爐煉鋼工藝中添加高質(zhì)量的直接還原鐵（DRI）或生鐵，以便更好地控制鋼材中的雜質(zhì)。
這兩種主要煉鋼工藝的噸鋼碳排放量大相徑庭。高爐長(zhǎng)流程煉鋼工藝，平均噸鋼直接和間接（如來(lái)自廠外供電設(shè)施）二氧化碳排放量約兩噸；而直接還原鐵工藝排放量取決于燃料來(lái)源：印度的煤基直接還原鐵工藝平均為2.4噸二氧化碳/噸鋼；而天然氣直接還原鐵工藝平均為1.4噸二氧化碳/噸鋼。目前，在所有商業(yè)化煉鋼技術(shù)中，基于廢鋼的電爐煉鋼工藝最為環(huán)保，其排放系數(shù)約為0.4噸二氧化碳/噸鋼，實(shí)際排放量因電力排放強(qiáng)度而有所差異。綜合而言，全球鋼鐵企業(yè)的平均排放強(qiáng)度約為1.7噸二氧化碳/噸鋼。
在應(yīng)對(duì)脫碳挑戰(zhàn)的過(guò)程中，鋼鐵企業(yè)為什么不直接增加電爐煉鋼的比例呢？
原因十分簡(jiǎn)單，無(wú)論是廢鋼還是直接還原鐵，其產(chǎn)量有限，而且從全球范圍來(lái)看存在嚴(yán)重的供不應(yīng)求局面。我們預(yù)計(jì)，未來(lái)全球主要鋼鐵產(chǎn)區(qū)都會(huì)增加廢鋼的使用。但是，其變化速度主要取決于廢鋼的供應(yīng)量，而廢鋼的供應(yīng)在很大程度上又取決于報(bào)廢的鋼鐵量。在這方面，我們做了非常深入的研究。我們對(duì)主要鋼鐵產(chǎn)區(qū)在當(dāng)前和未來(lái)的廢鋼/鋼材比率做了估算，并得出如下結(jié)論。
基于必和必拓的基準(zhǔn)情景分析，至少到2050年，廢鋼都將面臨供不應(yīng)求的局面，全球廢鋼/鋼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，假設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展能夠推動(dòng)廢鋼收集量，到2050年，全球高爐/轉(zhuǎn)爐（BF/BOF）煉鋼工藝的份額仍將保持50%以上。
與廢鋼的情況相似，直接還原鐵電爐煉鋼工藝需要使用高品鐵礦石，其產(chǎn)量亦十分有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以滿足全球鋼材需求。由于二氧化硅、氧化鋁和磷等雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響電爐煉鋼（EAF）工藝的效率和競(jìng)爭(zhēng)力，因而必須使用最優(yōu)質(zhì)的鐵礦石作為原料生產(chǎn)直接還原鐵，一般其平均鐵含量要達(dá)到67%，但此類鐵礦石資源儲(chǔ)量十分有限。如無(wú)法通過(guò)工藝革新以有效利用中高品位的鐵礦石，那么直接還原鐵電爐煉鋼工藝對(duì)原料的苛求性會(huì)大大限制其競(jìng)爭(zhēng)力。
那么鋼鐵行業(yè)如何才能降低碳排放強(qiáng)度呢？
簡(jiǎn)而言之，鋼鐵行業(yè)有三種選擇。我們認(rèn)為這三種選擇都能在脫碳進(jìn)程中發(fā)揮重要作用：
減少或消除各煉鋼廠的直接排放；
利用可再生能源減少或消除電力碳排放；和/或
碳捕集以供再次利用或封存。
基于我們對(duì)煉鋼工藝的深度了解，同時(shí)運(yùn)用我們開(kāi)發(fā)的廣義預(yù)測(cè)工具技術(shù)擴(kuò)散規(guī)律（Laws of Technological Diffusion），我們建立了一個(gè)必和必拓獨(dú)家的鋼鐵脫碳技術(shù)框架。該框架界定了各鋼鐵產(chǎn)區(qū)在脫碳之路上必經(jīng)的三個(gè)階段，并概述了各階段的相關(guān)技術(shù)。
這三個(gè)階段分別是：優(yōu)化階段、過(guò)渡階段以及最終的綠色階段，目前大多數(shù)鋼鐵產(chǎn)區(qū)在脫碳技術(shù)方面仍處于優(yōu)化階段。
讓我們來(lái)詳細(xì)了解各個(gè)階段應(yīng)用的技術(shù)和戰(zhàn)略。
優(yōu)化階段
首先，鋼鐵企業(yè)可以采用現(xiàn)有的低成本減排技術(shù)來(lái)降低當(dāng)前長(zhǎng)流程煉鋼工藝的碳排放。例如：使用可再生能源，回收富能氣體和熱量等。目前，行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)在這方面已經(jīng)達(dá)到較高水平，隨著先進(jìn)工藝控制和工業(yè)4.0的實(shí)施，更多的鋼廠將向行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)看齊。這有助于進(jìn)一步減少燃料用量，進(jìn)而降低相關(guān)碳排放。
我們認(rèn)為，廢鋼也將在優(yōu)化階段發(fā)揮重要作用。我們不僅注意到廢鋼電爐煉鋼工藝在鋼鐵生產(chǎn)中的占比在逐年增長(zhǎng)，也發(fā)現(xiàn)一些鋼鐵產(chǎn)區(qū)的長(zhǎng)流程煉鋼廢鋼比逐漸升高。從技術(shù)層面講，在轉(zhuǎn)爐（BOF）煉鋼工藝中，廢鋼在爐料中的占比最高可達(dá)30%，而目前的平均水平僅為其一半。我們相信這一比例還將進(jìn)一步提高。即使在高爐（BF）工藝中（即煉鐵環(huán)節(jié)），也可以使用更多的直接還原鐵（DRI）或（熱壓鐵塊）HBI等金屬材料。
由于最具成本競(jìng)爭(zhēng)力原料（礦石基原料和廢鋼）的供應(yīng)情況、工廠配置和最終的鋼鐵產(chǎn)品組合不盡相同，各鋼廠的最佳優(yōu)化技術(shù)也存在差異。但總體來(lái)說(shuō)，我們估算以當(dāng)前的碳排放水平為基線，即約2噸二氧化碳/噸鋼，優(yōu)化階段可協(xié)助鋼鐵企業(yè)將長(zhǎng)流程煉鋼的碳排放強(qiáng)度減少約20%。
過(guò)渡階段
這一階段主要是利用低碳技術(shù)改造現(xiàn)有的長(zhǎng)流程煉鋼工藝，其可降低噸鋼碳排放強(qiáng)度50%-60%，最高可達(dá)80%。我們認(rèn)為，此階段是在中期實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)實(shí)質(zhì)性減碳的必經(jīng)之路。在此之后，隨著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步成熟，鋼鐵行業(yè)將邁向綠色階段。過(guò)渡階段采用的很多技術(shù)將提升高爐煉鐵的效率，但同時(shí)有可能致使鋼廠無(wú)法使用尾氣發(fā)電，進(jìn)而需要從外部電網(wǎng)購(gòu)買電力。因此，只有實(shí)現(xiàn)可再生能源供電，才能充分發(fā)揮這些技術(shù)的潛力。
碳捕集、利用與封存（CCUS）：必和必拓認(rèn)為，在過(guò)渡階段中，CCUS技術(shù)將對(duì)鋼鐵行業(yè)的脫碳起到至關(guān)重要的作用。取決于該技術(shù)的應(yīng)用情況，其最高可降低長(zhǎng)流程煉鋼工藝碳排放強(qiáng)度的60%。盡管目前仍存在一些技術(shù)和成本的壁壘，CCUS技術(shù)尚未被應(yīng)用到長(zhǎng)流程煉鋼工藝中，但我們認(rèn)為，未來(lái)十年這些難題將會(huì)被逐漸攻克。碳捕集技術(shù)的好處還在于它還可以應(yīng)用于發(fā)電、水泥生產(chǎn)和化工等多個(gè)行業(yè)。這樣一來(lái)，在某些領(lǐng)域取得的突破，以及CCUS技術(shù)廣泛應(yīng)用到各大難以減碳的行業(yè)所帶來(lái)的規(guī)模效益，將降低鋼鐵企業(yè)使用該技術(shù)的成本。
氧氣高爐：通過(guò)采用純氧噴吹，該技術(shù)可提升現(xiàn)有高爐的冶煉和操作。較高的氧氣濃度與再循環(huán)氣體系統(tǒng)（爐頂煤氣循環(huán)）相結(jié)合，不僅可以提升高爐冶煉效率，還能減少其整體碳排放強(qiáng)度約15%-20%。氧氣高爐是歐盟超低二氧化碳煉鋼技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目（ULCOS）的技術(shù)路線之一3，全球最大的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中國(guó)寶武集團(tuán)也在研制開(kāi)發(fā)氧氣高爐低碳冶煉技術(shù)4。這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵特征是高爐尾氣中的二氧化碳濃度更高（近40%，而傳統(tǒng)高爐僅為約20%），因此，該技術(shù)非常適合與CCUS技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。
熔融還原：由歐盟ULCOS項(xiàng)目構(gòu)思并由塔塔鋼鐵歐洲公司開(kāi)發(fā)的Hlsarna工藝是同類研究中最具前景的技術(shù)之一。盡管該技術(shù)仍然采用煤作為還原劑，但它并不依賴焦炭提供對(duì)爐內(nèi)爐料的支撐。HIsarna工藝尾氣中的CO2濃度極高（約為90%），使其非常適合與CCUS技術(shù)結(jié)合使用，可將碳排放強(qiáng)度降低高達(dá)80%。
高爐富氫噴吹：該技術(shù)主要從高爐風(fēng)口噴吹氫氣，既可以是純氫，也可以是富氫氣體，例如焦?fàn)t煤氣（氫含量約為55%）或天然氣。通過(guò)風(fēng)口噴吹的氫氣不僅可以作為熱源，還可以作為還原劑，部分替代噴吹煤。目前，安賽樂(lè)米塔爾集團(tuán)（ArcelorMittal）、中國(guó)寶武集團(tuán)和蒂森克虜伯鋼鐵正在研究該項(xiàng)技術(shù)。6.7.8盡管該技術(shù)有一定的前景，但由于氫氣還原反應(yīng)吸熱，其噴吹比例受到限制，因此，其最高僅可降低碳排放強(qiáng)度約15%左右。該技術(shù)亦是日本國(guó)家項(xiàng)目COURSE50（CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50）的技術(shù)路線之一。
生物質(zhì)的使用：生物質(zhì)作為燃料或還原劑的來(lái)源可以貫穿整個(gè)長(zhǎng)流程鋼過(guò)程。在燒結(jié)過(guò)程中，可以直接替代煤炭或其他燃料；在焦炭生產(chǎn)中，可以充當(dāng)原料；在高爐內(nèi)可以直接替代焦炭，也可以替代噴吹煤；還可以在煉鋼過(guò)程中充當(dāng)碳源。來(lái)自可再生資源的生物質(zhì)有望將整個(gè)長(zhǎng)流程煉鋼的碳排放強(qiáng)度降低達(dá)50%，但我們認(rèn)為10%-20%更加切合實(shí)際。由于缺乏可持續(xù)的生物質(zhì)資源以及其它行業(yè)對(duì)生物質(zhì)的需求競(jìng)爭(zhēng)，我們認(rèn)為生物質(zhì)或許不是可以廣泛應(yīng)用的減排手段。
綠色階段
最后，得益于前沿技術(shù)的成熟，鋼鐵生產(chǎn)將最終進(jìn)入綠色階段，即實(shí)現(xiàn)零排放或近零排放。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)需要獲得具有成本競(jìng)爭(zhēng)力且可以大規(guī)模使用的可再生能源電力，讓各類低碳技術(shù)形成競(jìng)爭(zhēng)，促使鋼廠淘汰現(xiàn)有的高爐設(shè)施。目前，我們認(rèn)為，氫基直接還原鐵（DRI）和電爐煉鋼（EAF）工藝是鋼鐵行業(yè)唯一可行且能夠大規(guī)模實(shí)施的脫碳技術(shù)路線。在直接還原鐵（DRI）工藝中使用氫氣并不是一個(gè)全新的概念，在當(dāng)前的天然氣直接還原鐵（DRI）工藝中，氫氣占還原劑總量的60%。現(xiàn)有的直接還原鐵（DRI）設(shè)施，在設(shè)計(jì)之初就考慮到了未來(lái)使用氫氣的需求，并支持向氫氣模式的切換。所以，嚴(yán)格來(lái)講，氫基直接還原并不是受限于技術(shù)環(huán)節(jié)，而是一道經(jīng)濟(jì)學(xué)難題：是否有足夠的、低成本的可再生或者綠色氫氣來(lái)滿足整個(gè)鋼鐵行業(yè)的需求，以及是否有配套的氫氣傳輸和存儲(chǔ)設(shè)施。
毫無(wú)意外，考慮到配套基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模，氫基直接還原鐵（DRI）煉鋼工藝面臨著巨大的經(jīng)濟(jì)上挑戰(zhàn)。據(jù)估計(jì)，氫氣的生產(chǎn)成本需要降到1-2美元/每千克，再加上高碳稅的助力，氫基直接還原鐵（DRI）煉鋼工藝才能與長(zhǎng)流程煉鋼工藝形成競(jìng)爭(zhēng)。盡管如此，鋼廠對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣日益高漲。近期，作為瑞典技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目HYBRIT（突破性氫能煉鐵技術(shù)）10的一部分，瑞典第一家氫基直接還原鐵（DRI）工廠已經(jīng)正式啟動(dòng)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們認(rèn)為直接電解煉鐵等新興技術(shù)也有可能成為技術(shù)路線之一。今天，幾乎所有電解鋁和電解銅都是通過(guò)電化學(xué)工藝生產(chǎn)的，鋼廠采用該技術(shù)的挑戰(zhàn)是如何獲得足夠的可再生能源電力來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)。以鋼鐵年產(chǎn)量約1億噸的日本為例，如采用電解煉鐵技術(shù)，所需的可再生能源電力是現(xiàn)有日本全國(guó)可再生能源發(fā)電總量的兩倍。盡管如此，電解技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以直接用電還原鐵礦石，無(wú)需產(chǎn)生氫氣。因此，我們認(rèn)為，在氫氣成本無(wú)法降低的情況下，可以繼續(xù)研發(fā)電解技術(shù)，作為氫基煉鋼工藝以外的另一條路線。 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] 下一頁(yè) |
