可持续炼钢——氢在钢铁工业未来发展潜力的战略评估

在这里，读懂全球钢铁

由于原料减少、环境污染和公共压力的增加，各国都迫切需要解决关于能源系统转型的问题。化石能源密集型行业，尤其是钢铁行业，必须调整或改变其商业模式和技术组合。技术的发展表明，在不久的将来，基于绿色能源氢的可持续炼钢生产似乎是可行的。鉴于这些基本条件，本文研究了在钢铁生产中使用氢作为化石原料替代品的技术和未来潜力。

1 前言

日益增长的世界人口和城市化对基础设施和商品的需求越来越多，而另一方面各经济体正面临着资源短缺以及环境和政策限制。由于这些驱动因素和限制的影响，社会被迫开发可持续的技术，改善目前的工艺。从中长期来看，“绿色能源”应该取代目前以化石能源和核能为基础的能源部门，以避免温室气体排放。

由于各国承诺减少温室气体排放并获全球认可，各种政策措施正在加速出台。这就要求各国政府采取行动，减少碳排放，改变能源生产和原材料供应的整体格局。2013年，全球绿色能源发电新装机容量首次超过化石燃料发电新装机容量。

2 温室气体排放的全球性和区域性目标

从1995年开始，每年一次的联合国气候变化会议就（1997年）《京都议定书》进行谈判，为发达国家减少温室气体排放确立了具有法律约束力的承诺书。2007年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）建议，到2050年，将全球温室气体排放量在1990年的基础上降低50%-85%，以将全球气候变暖上升幅度控制在2.1℃以下。2009年，欧洲理事会制定了减少温室气体排放的长期目标，并最终由欧盟委员会发布了“2050低碳路线图”（2011年）。这个框架建议，CO₂排放量从1990年的水平，到2050年要减少80%-95%（2030年减少40%，2040年减少60%），其中工业所占份额应该相当于从1990年的水平，到2050年要减少83%-87%。2015年，196个国家在巴黎举行的联合国气候变化大会上达成协议，承诺各国减少温室气体排放，以保持全球气温增幅在2℃以下，并争取控制在与工业化之前增幅相当的1.5℃之内。到2050年，将人为排放减少到森林和海洋能吸收的水平。

上述目标要求各国政府采取行动，减少排放，抑制全球气温上升。虽然协议中的目标不具有法律效力，但协议要求各国每五年向联合国报告其国家特定减排目标的完成情况。2016年，55个国家达到了加入《巴黎协定》的门槛，并签署了协议，其排放量占全球碳排放总量的55%以上。此后，越来越多的国家致力于落实气候变化大会的目标，并将2050年达到零排放设定为目标。

为了实现以上气候目标，欧盟于2005年实施了针对人为温室气体（CO₂、NO₂、PFCs）的欧盟碳排放交易体系（EU-ETS）。该体系是世界上第一个最大的“碳排放交易市场”。该体系限制高排放行业的温室气体总排放量，且每年都在减少。在这个限额排放量之内，企业可以根据需要购买和销售排放允许限额。每吨碳排放许可的价格（按每吨CO₂的欧元价格）由供需情况决定。2012年，贸易限额为79亿吨，交易额达到560亿欧元。欧盟碳排放交易体系覆盖了31个欧洲国家的超过11000家制造企业和发电站以及往返欧洲机场的航班。通过“ETS”限制了欧盟总碳排放量的约45%：制造业允许免费排放其排放总量的80%，但这一比例将会逐年降低，到2020年只有30%，每年线性降低约1.74%。在第四个交易期（2021-2028），允许排放量将每年降低2.2%，与2005年相比，最终降低约43%。其他几个国家也参考这个交易体系，计划或已经实施了相似的碳排放交易体系（例如澳大利亚、新西兰、韩国），未来预计还会有更多国家参与。

由于排放许可短缺，其价格将会持续上涨。每吨排放许可的价格从2017年的5欧元/吨CO₂上涨至2020年的25欧元/吨CO₂（上涨了400%）。根据不同研究，到2050年，每吨排放许可的价格可能会上涨到40-200欧元/吨CO₂之间，最有可能的CO₂排放价格区间在60-80欧元/吨。

3 能源系统转型

由于存在这种压力，特别是化石能源密集型行业，如电力、化工、钢铁和运输运输行业，不得不调整或改变他们的商业模式和技术组合。目前，模式转变正在进行，这将会改变整个经济体的经济和生态格局。首先，一些国家关闭了以化石能源和核能为基础的发电厂，并扩大了绿色电力基础设施建设。越来越多的行业都会走上这条道路。

在未来几十年里，绿色能源的生产和可用性预计将会大幅增加。未来的愿景是绿色能源生产的氢可以作为一种能源和能量进行存储，从而使能源可持续供应，远离不连续的绿色能源（例如风能和太阳能）。由于绿色能源的供应对气候的高度依赖以及电网的波动，很明显，高效和低价的存储设施将是必需的。来自风能和太阳能的未被利用的过剩能量必须整合到能源系统中。由于优异的存储能力，基于化工的“电力到天然气（PtG）”技术在长期存储大量能源（数月到数年）方面具有最大潜力。PtG是通过电解方式将“绿色”电力（尤其是风力发电和光伏发电）转换为氢气或甲烷。这些气体可以在天然气设施中运输和储存，然后用于各个领域，如运输、发电或工业应用，如钢铁生产。

对于钢铁行业来说，作为温室气体的主要排放大户（占人为CO₂排放量约7%），在应对不断变化的环境和采取何种行动方面出现了许多问题。如今钢铁生产几乎完全依靠化石原料。从热化学的观点来看，基于氢的可持续炼钢生产是可能的，并且在未来可能成为替代方案。这是大自然赐予我们的礼物。由于环境模式的转变，迫切需要对以绿色能源氢气来替代化石能源的炼钢生产潜力进行战略评估。近几十年来，全球研究并安装了各种基于氢气的炼钢生产工艺。然而，到目前为止，只使用氢气的可靠工艺还不能实现工业化的生产应用。鉴于这些潜在条件，需要对未来在炼钢生产中使用绿色能源和氢气作为化石原料替代品的能力进行研究。这种产业转型的可行性在很大程度上取决于未来的绿色能源能力、技术准备、分配和储存选择、电力和氢气的价格以及公众认可度和政策措施。

4 先进炼钢工艺和技术发展状况

现代炼钢可分为碱性氧气转炉炼钢（BOF炼钢）和电弧炉炼钢（EAF炼钢）。在这两种工艺中，三种中间产品是液态铁水（或是固态生铁）、直接还原铁（DRI）和热压块铁（HBI）。铁水、生铁、DRI和HBI都是原始的铁原料，它们是通过炼铁技术从铁矿石中生产出来的。废钢作为一种可回收的原料加入这个过程中。2018年，全球粗钢产量的70.8%是通过“氧”基BOF转炉工艺（集成-熔融还原工艺）生产的，28.8%通过“电”基EAF电弧炉工艺（直接还原-EAF和废钢-EAF）生产的。余下的（0.4%）工艺是一些过时的工艺，如平炉炼钢。

目前的炼铁和炼钢工艺技术的布局，一方面是按照从原材料到最终产品的工艺路线进行划分，另一方面是一些特殊工艺（例如集成工艺，熔融还原、直接还原和废钢炼钢工艺）。工艺步骤包括原料准备、炼铁、炼钢和深加工（连铸、轧制/加工、精加工）。第一个工序中，用于后续工艺的原材料要经过选矿和提炼。在炼铁工序中，根据工艺的不同，原料被转化为液态铁水或固态DRI或HBI。这一工序是能源密集型阶段，需要利用碳和氢载体作为还原剂。还原反应在此发生，通过还原剂CO和H₂从铁矿石中移除氧，形成CO₂和H₂O。其产品铁水或海绵铁（DRI/HBI）随后在后续工序中通过脱碳和添加合金元素以达到需要的钢种成分，转化为钢水。最后，对钢水进行浇铸、加工和精加工。

特殊工艺可分为集成工艺（包括高炉-碱性氧气转炉：BF-BOF）、替代工艺熔融还原（SR-BOF）和直接还原（DR-EAF）、废钢-EAF工艺。同时也可组合这些工艺，例如在高炉或转炉中使用HBI。前三种工艺利用原始原材料生产铁水和钢水，废钢只是作为一种添加原料。因此，该产品纯度很高，几乎不含有害或质量敏感元素。这是废钢-电弧炉工艺的缺陷，由于不同等级的废钢混合/熔化，最终产品中可能含有许多杂质元素。这种工艺可以生产出高质量的钢，但废钢必须经过清洁和分类，这是非常复杂和昂贵的。除了经济发展，这也是通过原始工艺路线生产钢铁继续占主导地位的原因之一。

5 可持续炼钢的技术选择

诸如直接还原炼铁和熔融还原炼铁等炼铁替代技术从20世纪50年代以来就已开始得到发展了。从那时起，研究者共设计了73种直接还原炼铁工艺和59种熔融还原炼铁工艺。但其中仅有少数几种工艺达到了试验阶段或甚至进行到工业应用阶段。总体而言，其他工艺组合也是有可能的，例如，集成直接还原或熔融还原工艺以提高生产率和协同效率。从热化学和能量学的角度来看，铁矿石可以通过使用碳、氢或电能转化为铁中间产品。

在C-H₂-电力系统中，标明了能量在不同炼铁工艺中的位置。“碳基冶炼”工艺位于碳能源角，原则上是BF-BOF工艺和熔融还原工艺的集成。根据工艺中电力和氢的使用量，此位置向H₂和电力角移动。这是基于天然气（NG）或氢气的直接还原工艺，也可以利用CO和H₂的混合物作为还原气氛。在最佳的情况下，H₂含量达到100%也是可能的。在电弧炉中熔化中间产品DRI需要使用电力。

在所有现代炼铁和炼钢工艺中，氢气都以不同比例用于与CO的混合气体中，作为气体还原剂。在传统的高炉铁水碳热还原工艺中，焦炭作为主要的还原剂，通过加入还原剂替代品，例如煤粉、油、塑料或煤气以产生氢气。现代高炉煤气中的氢气含量可高达10%。新型的熔融还原工艺，例如COREX、FINEX、HIsmelt或DIOS，其工艺气体中的氢含量大幅增加，最高可达30%，仅使用煤粉作为还原剂。另一方面，直接还原工艺中氢气占比最高，从60%到100%不等。这些工艺利用富氢煤气，而不使用焦粉或煤粉作为原料，富氢煤气通过对天然气进行催化气体重整或蒸汽重整来获得。直接还原炼铁工艺包括基于竖炉技术的ENERGIRON（<85%H₂）和MIDREX（<65%H₂）工艺，以及基于流化床的FIOR/FINMET和CIRCORED（最高100%H₂）工艺。竖炉工艺已经投入商业化运行，而流化床工艺FIOR/FINMET却因为技术和经济问题陆续终止。

对于氢基技术的工业化应用，直接还原工艺如ENERGIRON和MIDREX似乎潜力最大，因为ENERGIRON工艺已经以高于60%的氢气比例在工业化规模生产中运行。未来几年和几十年，随着直接还原技术的发展，工艺中氢气的比例会增加至近100%。所有这些工艺设备都是经过验证的技术，但对这些技术的整合则是新创意。关于CO₂排放方面，这一工艺的吨铁排放量仅为0.15tCO₂，传统的BF-BOF工艺的吨铁排放量则为1.76tCO₂，意味着减排量超过85%。

未来，还有另一种可能性——氢等离子体熔融还原技术（HPSR），此技术利用高温下的气体等离子体，将氢分子分裂成氢原子和氢离子（H或H⁺）。这种氢具有比氢分子高得多的还原势，可以将所有的氧化物还原为金属，即液态钢水。近几年在蒙大拿里奥本大学的实验室里第一次试验成功，且目前正在建设一个新的试验工厂，但仍有许多研究工作需要开展。另一项技术是电解铁生产工艺，属于欧洲ULCOS项目，由南希大学和安赛乐米塔尔公司进行了实验室试验。目前，试验仍处于实验室阶段，这项技术似乎并不适合更大规模的生产。

为了确定以氢为基础的钢铁生产对绿色能源的需求，需要研究铁矿石转变为铁的具体理论能源需求。根据典型直接还原炼铁工艺的数据，对“基本情况”（当前最先进技术）和未来“最佳情况”（预计到2050年能够达到的技术改进）进行了阐述。该数据用于计算氢基炼钢生产所需绿色能源总量，计算依据全球所有国家和地区2018年的钢产量。炼钢生产的第一个能源密集型工序是将铁矿石转化为富铁的中间产品（DRI）。

在热化学反应中，还原剂（H₂）根据以下反应方程将铁氧化物还原：

Fe₂O₃+3H₂ → 2Fe+3H₂O

（1）

根据氢的热值，可以计算出氢将氧化铁还原为铁所需的最小能量单耗，约为6.5GJ/t。

这是整个炼钢生产中能耗最大的工序。对于目前的现代化直接还原厂，假定DRI生产工艺的能耗为11GJ/t。根据这个值，计算每吨DRI的气体消耗（SGR）为1020.12m³H₂（STP）/t。根据铁矿石的质量不同，每吨粗钢需要投入DRI大约为1150kg，也使SGR的消耗量提高至1177m³H₂（STP）/t粗钢。如果加入废钢（如在BF-BOF工艺中），SGR的吨钢消耗量也会随废钢的加入量而变化。在这种情况下，为了比较传统的BF-BOF工艺和直接还原炼钢工艺，假设废钢加入量是相同的。当废钢加入量为155kg时，粗钢的SRG为1013.46m³H₂（STP）（见表1）。计算EAF中熔炼工艺需要的氢气生产所需能源和电能，现今的能源单耗为5408kWh/t。在最佳的情况下（根据未来直接还原炼钢工艺和电解工艺技术的发展而调整输入参数），未来粗钢生产的能源单耗可降低至4075 kWh/t。

为了比较DR-EAF工艺和BF-BOF炼钢工艺，下游工序需要使用的额外能源也必须考虑在内。原因是BF-BOF工艺是能源自给的，且能从工艺煤气中生产额外的能源（焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气），并在就地发电厂中转化为电能。这些能源随后用于下游工序（轧钢/精加工）以及其他能源用户。而另一方面，DR-EAF工艺和废钢-EAF工艺则需要外部能源输入。因此，基于氢的直接还原工艺必须从外部为下游工序提供能量，这些工序的典型能耗值为2.8GJ/t，或7778kWh/t。加上这个值，目前HRC/最终产品的吨钢能耗为6186kWh，未来最佳的情况下是4853kWh。

通过这些计算和参数，可以对碳基BF-BOF工艺和氢基炼钢工艺进行比较。

6 不同地区炼钢生产的H₂需求量

以2018年钢产量为例，阐述全球各国和地区如将炼钢生产中的碳基工艺转化为氢基工艺对绿色能源的需求。如上文所述，全球71%的粗钢是通过碳基“氧”BOF工艺（集成-熔融还原工艺）生产的，29%是通过“电”基EAF工艺（DR-EAF和废钢-EAF）生产的。可以设想，未来可以采用氢基工艺生产目前碳基氧工艺中的碳基钢。根据基本情况（包括当今最佳可用技术的能源数据）和2050年目标的最佳情况进行计算。计算数据和参数见表1。对各国和地区的氢基生产HRC的绿色能源需求量进行了计算。

将全球炼钢生产从碳基转型为氢基工艺，在基本情况下，生产HRC的绿色能源需求量为7920TWh/a，在最佳情况下，为6210TWh/a。相应所需的氢气量将在13000亿到11200亿m3（STP）之间。图1和图2给出了HRC/最终产品按区域划分的绿色能源需求。对于HRC生产，亚洲目前拥有最大的绿色能源需求量（基本情况为6300TWh/a；最佳情况为4940TWh/a），其次是欧盟（基本情况为610TWh/a；最佳情况为480TWh/a）和独联体国家（基本情况为420TWh/a；最佳情况为310TWh/a）。

在欧盟内部，德国对HRC/最终产品生产的绿色能源需求量最高，为184TWh/a（最佳情况为144TWh/a）。法国为57TWh/a（最佳情况为43TWh/a），荷兰和奥地利的需求量大约为35TWh/a（最佳情况为25TWh/a）。

7 结论

原材料的减少、环境污染和公共压力的增加，导致各国都迫切需要解决能源系统转型的问题。特别是化石原料密集型行业，如钢铁行业，必须调整或改变其商业模式和技术组合。技术发展表明，基于绿色氢能源的可持续炼钢生产在不久的将来似乎是可行的。综合这些基本条件，本文对氢在炼钢生产中作为化石原料替代品的技术和未来潜力进行了研究。

目前，全球钢产量的约75%是通过碳密集型BF-BOF工艺生产的。对于替代工艺可持续性氢基炼钢生产的工业化实施，直接还原工艺（DR-EAF工艺）似乎具有的潜力最大，因其已经以H₂用量超过60%应用于工业规模化生产。未来几年和几十年，鉴于直接还原炼钢技术的发展，氢气在工序中的用量有望大幅提高至接近100%。与此同时，吨钢CO₂排放量将从1.76t（传统的BF-BOF 工艺）下降至0.15t（氢基DR-EAF工艺）。所有的直接还原工艺设备都是经过验证的技术，但对这些工艺进行整合则是创新技术。除了直接还原工艺，其他一些氢基技术也正在研发和进行测试中。但这些工艺仍需要几十年的时间才能达到工业化规模应用。

从定量的角度看，从碳基炼钢到氢基炼钢的转型将会需要大量的氢，属于绿色能源。基于目前的钢产量，对不同的国家和地区生产H2需要的能源进行了计算。行业转型的可行性很大程度上取决于未来的绿色能源产能、先进的电解技术准备程度、H₂的输送和储存选择、电力和氢气的价格以及公众认可度和政策措施。