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前言 欧洲的粗钢基本上是通过两种不同的工艺生产的：（i）基于废钢的电弧炉路线（废钢/EAF）；（ii）与使用天然铁源作为原料的高炉/碱性氧气炉（BF/BOF）路线，分别占欧盟27国钢铁产量的56.1%和43.9%。根据欧盟委员会2021年发布的一份文件，欧洲钢铁行业目前每年的温室气体排放量为2.21亿吨（包括直接和间接排放）。与BF/BOF路线相比，尽管废钢/EAF路线与较低的CO₂产量有关，但由于优质废钢有限，仍将需要由铁矿石来生产钢，这是因为对于某些特定钢种，废钢中的某些杂质元素可能会限制其应用。即使考虑到最佳实践的实施、电力部门二氧化碳强度的降低以及废钢的可用性、使用量的增加，在2010-2050年期间，按照目前的生产路线，可实现的最大二氧化碳减排潜力将在15%左右。根据绿色协议，欧盟承诺到2050年实现气候中和，显然这一数字远低于目标。因此，在实际生产路线上实现碳中和是不可行的，这一事实为使用所谓的“突破性技术”打开了大门，例如用氢气直接还原。 一 欧洲的脱碳途径 直接避免粗钢生产过程中的二氧化碳排放有两条主要途径：用氢气或电力还原铁矿石。如图1所示，与其他低碳生产路线相比，利用氢气直接还原铁矿石工艺（DR(H₂)/EAF）似乎是短期实施的最佳选择之一，因为其技术成熟度高（TRL），开发成本低。 图1显示，在与直接避免二氧化碳生成相关的工艺中，与氢元素相关的钢铁生产工艺具有最先进的TRL。因此，氢气在钢铁行业的脱碳中发挥着重要作用，因为它可以用作还原剂，由可再生资源生产，也可储存，确保供应的连续性。 为了解氢元素在欧洲钢铁行业脱碳中的重要性，编制了当前和预测项目的概述，并进行了广泛研究，以获得欧洲钢铁利益相关者对未来几年计划的总体展望。与钢铁行业脱碳相关的项目信息是在两个前提下收集的：（i）氢元素的加入；（ii）钢铁参与者的参与。 图2（左）显示了欧盟项目倡议的路线图。该路线图试图提供与钢铁行业脱碳有关的欧洲氢“热点”总体前景。可以看到，这里描绘的集群与钢铁生产的神经中枢相吻合（图2右）。 DR(H₂)/EAF似乎是与直接避免碳生成的相关项目中主要趋势之一。使用氢气还原流体状态下的铁矿石细粒或氢气等离子体熔炼还原也引起钢铁生产商的兴趣。然而，这些举措显示出较低的发展状态（较低的TRL）和较低的生产能力：在100-800千克之间，而DR(H₂)项目的生产范围在2500千克 DRI/天至500万吨粗钢/年之间波动。 图3包括了预计到2030年的提案；其根据各自的粗钢生产能力与钢的生产直接相关，而不直接释放CO₂。图中，仅描绘了1000吨/年以上的项目。计划在2030年之前每年生产的粗钢总量约为2200万吨。最近发表的一项研究表明，为了在2030年前减少钢铁行业30%的二氧化碳排放，通过主要工艺生产的至少2900万吨钢铁应转化为低碳生产工艺（假设到2030年生产的粗钢量与当前生产量保持一致）。因此，到2030年，仍将有700万吨钢铁生产，二氧化碳足迹将减少，以实现30%的二氧化碳减排。然而，在接下来的几年里，可能会提出更多的项目，这一事实可能会加快这种低碳技术的发展。 二 粗钢生产成本 通过在直接还原过程中加入氢元素，钢铁工业的脱碳是可能的。现在的问题是，与实际路线相比，这在经济上是否可行。因此，在此进行了技术经济评估。分析集中在三种不同的生产路线上，作为钢铁行业脱碳的可能顺序途径：（i）BF/BOF；（ii）DR(CH4)/EAF；（iii）DRH₂)/EAF。人们 认为，天然气基直接还原可以作为当前主要生产工艺（BF/BOF）和低碳炼钢工艺（DR(H₂)/EAF）之间的桥梁技术。本分析只考虑了三个生产核心工艺的直接排放，忽略了上游或间接排放。 然后，将计算出的三种生产工艺的粗钢生产成本划分为“恒定成本”，这些成本在敏感性分析中保持不变，如原材料成本、服务成本、劳动力成本和资本成本（磨损）以及“可变成本”。与独立于任何经济或政治情景的“恒定成本”不同，“可变成本”受到外部因素的强烈影响，因此需要进行敏感性分析。“可变成本”包括电力、天然气、直接二氧化碳排放或电解槽成本。价格和成本数据来源于相关文献，与欧洲市值有关。就二氧化碳价格而言，这些价格适用于总的直接二氧化碳排放量，忽略了欧盟碳排放交易系统下现有的配额。本研究未考虑固定费用随时间的增加。由于电力和天然气价格的高度波动，这里提出了两种成本情景：第一种情景被定义为“正常情况”，代表了过去几年的传统价格趋势。第二种被称为“异常情况”，反映了当前的经济形势。第一种和第二种情况分别考虑了2019年和2021年下半年的天然气、二氧化碳和电价（见表1）。图4（左）显示了在传统经济条件下，将BF/BOF路线视为主要生产路线，计算出的BF/BOF、DR(CH4)/EAF和DR(H₂)/EAF路线的生产成本份额。在“正常情况”下，通过BF/BOF和DR(CH4)路线的粗钢生产成本大致相同。应该注意的是，这并没有考虑从现有的综合生产过渡到基于DR/EAF的路线所需的额外资本成本。 据观察，在“正常情况”下，从高炉生产转移到氢气路线将导致生产成本增加36%；主要归因于电解槽的电价和成本。可变成本将是整体成本计算的重要影响因素。对于BF路线，5%的信贷与利用工艺气体发电获得的收入有关。对于氢气的直接还原，与电力消耗相关的成本是天然气的七倍。此外，与电解槽相关的成本约占总成本的9%，应计入其中。 与“异常情况”场景相关的生产成本如图4（右）所示。在计算成本时，考虑了BF/BOF以及主要生产路线。可以观察到，天然气、二氧化碳和电力价格的增长对这三个过程的经济性产生了影响，导致整体生产成本增加。然而，这种增长对DR(H₂)/EAF更有意义，因为绿色氢气生产成本与电价密切相关，这将增加BF/BOF和氢气路线之间的成本差异。在“异常情况”下，从高炉生产转移到氢气路线将导致成本增加56%。 在“异常情况”下，与“正常情况”下的对应工艺相比，通过BF/BOF工艺路线、含有天然气和氢气的DR/EAF工艺路线的粗钢产量将分别增长约11%、23%和26%。 三 电力许可成本 如图4所示，在氢基直接还原过程中，电价的影响对总成本起着重要作用。经计算，通过氢基直接还原路线生产钢铁的具体电价，使氢气利用成为欧洲钢铁行业脱碳的经济现实解决方案。计算中还考虑了二氧化碳、天然气价格和电解槽投资成本等变量，因为它们在粗钢的生产成本中起着重要作用，并且就像电价一样，随着时间的推移，可能会与当前值发生明显偏差。另一方面，三条路线的“固定成本”将随着时间的推移保持不变。 为分析，从文献中收集了电解槽的当前和未来价格、二氧化碳价格、天然气价格、投资成本等，而电价限制在0-100欧元/兆瓦时之间（见表1）。2019年疫情前欧洲二氧化碳、天然气和电力价格的情景被选为“当前值”，假设价格将稳定在某个点并继续其预期增长。表1包括为这项工作收集的到2050年的评估。计算了三条生产路线的粗钢生产成本，选择BF/BOF路线作为参考工艺，并使用表1中描述的价格情景。图5显示了2019年和2050年BF/BOF、DR(CH4)/EAF和DR(H₂)/EAF路线成本的盈亏平衡，可视为电力成本随时间变化的函数。三个点表示当前的生产成本，如图4（左）所示。 如图5所示，在2019年描述的具体价格情景下，通过DR(CH4)/EAF和BF/BOF路线生产的粗钢保持大致一致，在0-100欧元/MWh的价格范围内，成本差异不大。然而，对于为2050年确定的价格情景，由于2050年预计的高二氧化碳价格以及二氧化碳成本对BF/BOF路线生产成本的强烈影响，在整个电力范围内，DR(CH4)/EAF和BF/BOF生产成本之间存在显著差异。根据这些假设，通过BF/BOF路线生产的粗钢成本预计将增加50%。 还可以注意到，根据2019年天然气、二氧化碳和电解槽的价格，氢基直接还原路线的利润将低于天然气（NG）基直接还原路线。然而，到2050年，生产成本的变化有所不同，从图5可以看出，为了与天然气基的DRI路线具有类似的生产成本，需要大约20欧元/兆瓦时的电价。当仅在BF或氢气路线之间比较生产成本时，并假设2050年的成本情况（见表1），氢气路线在低于约74欧元/兆瓦时的电价时变得经济又有吸引力。另一方面，按照2019年的价格情景，电价必须降至10欧元/兆瓦时以下。再次需要注意的是，该盈亏平衡成本不包括从现有BF路线切换到基于DR的路线所需的资本投资。然而，电解槽的投资、运营和维护成本的进一步降低，可能会改变这种有利于H₂而不是NG的局面。还应注意的是，这些结果是一般性的，是根据一般资料得出的，每个钢铁制造商和每个地区的结果会有所不同。 结论 正如具有低碳足迹的生产工艺的DR(H₂)/EAF是到2050年实现净零排放所必需的。购买廉价氢气，从而获得负担得起且充足的绿色电力，在钢铁行业的脱碳中发挥着关键作用。如果满足电解槽技术的规模化、低成本电力以及充足可再生电力和相应基础设施等重要先决条件，DR(H₂)/EAF工艺可以被确定为钢铁行业脱碳有前景的选择。（刘成 端强 王卫东） 《世界金属导报》 2023年第41期 B14、B15 内容来源：http://www./ |
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