钢铁行业专题研究报告中国钢企低碳之路

钢铁行业专题研究报告：中国钢企低碳之路1低碳炼钢，对钢企有何影响？2020年9月，我国提出二氧化碳排放力争2030年碳达峰、2060年碳中和的目标。钢铁工业碳排放量约占全国碳排放总量的15%左右，是排碳量最高的制造业行业。钢铁行业是落实减碳目标的重要主体，低碳炼钢是我国钢企必须迎接的挑战。钢铁碳中和下，我国钢企肩负巨大的减碳压力。横向对比美国从碳达峰到减碳25%花费13年时间，欧盟从碳达峰到减碳30%花费40年时间，如何按时完成减碳目标是对钢企的巨大考验。2低碳炼钢，哪种工艺更胜一筹？碳达峰碳中和背景下，钢企如何完成减碳目标？众多冶炼工艺之间差异如何？又会在钢企未来绿色冶金路线中起到怎样的作用？本文通过介绍当前我国主要炼钢工艺的特点，分析各工艺未来发展前景，以此推演出我国钢企低碳炼钢的潜在实现路径。当下主流——高炉-转炉工艺：排碳量高，亟需替代传统长流程炼钢的过程，本质上讲，是一个以碳为还原剂对铁的氧化物进行还原反应的过程。铁矿石依靠焦炭和煤还原成铁水，铁水中的碳是转炉炼钢过程升温及能量平衡的保证。因此传统长流程炼钢是以碳还原、碳氧化、碳添加为主线的生产过程，二氧化碳的排放量巨大。一吨钢，两吨碳，高炉冶铁产生了绝大部分的碳排放。长流程炼钢的流程中，吨钢二氧化碳排放量约为1.8-2.4吨，其中94%的碳排放来自于化石燃料的燃烧。仅在高炉炼铁这一工序，焦炭和煤的燃烧产生的碳排放就占总排放的60%-70%。减少碳排放的工艺多具有以下特征：1）使用清洁能源替代焦炭和煤；2）对碳产生的还原气循环利用；3）对碳产生的温室气体分离、利用或封存。中国高炉-转炉工艺产钢量约占总产量的88.4%，高于71.5%的世界平均水平；在全球前十大钢铁生产国家中，中国短流程占比最低。如果对高炉工艺加以改进或使用更低碳的工艺替代，或将释放巨大的减排空间。作为中国钢企龙头，中国宝武率先提出了碳中和目标下的冶金路线图，宝武低碳炼钢的发展路径将对其他钢企具有示范效应。我们认为，未来高炉富氢、短流程炼钢和氢基直接还原铁等工艺或将在不同的阶段承担起钢企减碳的重任；金属化微波烧结，炉顶煤气循环技术（TGR），CO2的分离、储存、资源化利用技术（CCUS），以及清洁能源发电制氢技术的发展将有助于钢企实现低碳炼钢。从中国宝武制定的减碳目标看，2020到2035年仍以高炉长流程炼钢为主，通过对传统高炉工艺加以技术改造，实现减碳目标；2035年到2050年将大力发展氢基竖炉，辅以CCUS技术的发展，最终在2050年达到碳中和。未来式——高炉富氢碳循环：以氢代碳，循环用碳可以预见的是，目前以及未来相当长的时间内，高炉-转炉工艺都是我国钢铁冶炼的主流工艺，而基于高炉加以改进、减少高炉冶铁过程中的碳排放量，则是我国钢企短期减碳较合理的发展方向，其中高炉富氢工艺发展较为成熟。高炉富氢通过在高炉中喷吹高浓度的焦炉煤气（其中富含高浓度的H2和CH4），用还原气替代传统高炉中焦炭和煤的作用；辅以炉顶煤气循环技术（TGR）和碳捕集、封存、利用技术（CCUS），将高炉煤气中的CO、H2循环再利用，CO2捕集、封存地下、或用于工艺生产，从而减少高炉冶铁流程中的碳排放。短期卓有成效，长期能力有限向高炉中喷吹焦炉煤气的浓度决定了该工艺经济效益和减碳效果。浓度越高，生产效率越高，减碳效果越好。一方面，H2具有还原性，焦炉煤气浓度增加时，炉内还原气浓度上升，炉料还原加速，从而提高生铁生产效率，H2参与还原越多，对焦炭的消耗越少；

另一方面，H2参与还原反应时，炉内需要喷吹更多的富氧进行热补偿，富氧浓度的增加强化了回旋区碳的燃烧，有利于炉料的快速下降。但是，焦炉煤气浓度提高时，H2的利用率下降，对还原气利用率的提升边际递减。考虑到焦炉煤气和富氧的成本，喷吹焦炉煤气在吨铁50m3时具有最高的经济效益。尽管焦炉煤气减碳能力随着浓度得提升而增强，但是焦炉煤气对焦炭的替代作用有限：

1）从热源上看，高炉冶炼中70%-80%的热源是碳燃烧提供，H2还原铁是吸热反应，反应时需要不断提供热量；2）从还原率看，H2的密度小，在高炉中停留的时间短，相比于焦炭对铁的还原率更低，使生产效率下降；3）从骨架作用上看，氢的密度和分子结构决定了氢无法像碳一样在高炉中起到支撑骨架的作用，使得还原气和炉料的接触不充分。减碳效率的边际下降也掣肘了该工艺的减排能力。根据梅钢2号高炉实验，喷吹焦炉煤气的浓度为吨铁50m3时，吨钢可以减少45.7kg焦炭的使用量；100m3时，减少64.1kg焦炭的使用量；注入焦炉煤气浓度上升时，H2利用率下降，还原气利用率增量边际递减也印证了这一点。从目前技术上看，高炉富氢可减少约10%的碳排放。高炉富氢+碳循环+CCUS：完美互补，合力减排发展炉顶煤气循环技术（TGR）对低碳炼铁有重要意义。从经济性看，高炉煤气由N2、CO、CO2、H2组成，其中CO和H2可用于还原铁；由于冶炼过程对还原气的利用率有限，可将未利用的还原气循环使用，降低成本、减少能耗；从环保性看，高炉煤气中的CO2是整个炼钢过程碳排放最主要的来源，炉顶煤气循环技术将CO2和还原气分离，结合CCUS技术可以减少碳排放。欧盟开发的超低CO2炼钢项目（ULCOS）实现了高炉富氢和TGR技术的结合：1）用低温纯氧代替热风从炉缸风口吹入,去除高炉煤气中不必要的N2；2）使用来自于焦炭和喷吹煤中的低碳燃料；3）利用真空变压吸附技术（VPSA），将CO2从高炉煤气中分离，从而实现对还原气体的循环利用+对温室气体的处置。目前这一技术已在小型高炉中实现，据测算，高炉富氢和TGR技术的结合可减少约30%的碳排放。捕集CO2后，通过碳捕集、利用、封存技术（CCUS）将其低成本、无害化处置以减少碳排放是这一工艺的长期发展方向。CCUS技术可将CO2用于工业材料（如水泥、甲醇燃料）生产，或将CO2液化后泵入咸水层、油气层封存，从而达到减少碳排放的目的。目前这一工艺仍在实验阶段，处置成本较高，而随着CCUS技术的成熟，高炉富氢碳循环工艺将具有更大的减排潜力。我们预期，短期内，高炉富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放可行的方案：1）我国钢铁生产近90%左右基于高炉-转炉流程，高炉富氢技术基于现有的高炉设备，改造成本较低；2）钢厂绝大部分资产是基于长流程炼钢，如果不能延续，资产保值带来压力；

3）富氢技术经过多年研发，技术比较成熟，且在海外已有应用；4）该技术具有良好的减碳效果，高炉富氢和TGR技术的结合预计可减少30%碳排放，和CCUS技术结合可减少30%-50%碳排放，能够满足国内钢厂短期减碳目标。2030-2035年之间，钢厂普遍有减少30%碳排放的目标，这一目标的实现或依赖于富氢碳循环技术在高炉上的大规模应用。因此我们预计，2030年左右，高炉或将迎来改造的高峰期。中国宝武vs日本制铁：龙头企业的减碳科技作为钢铁龙头，中国宝武具有顶尖的研发实力，旗下八一钢铁在高炉富氢技术的研发在国内处于领先地位。2020年，八钢将430m3的高炉改造为富氢高炉，开始我国低碳冶金首个工业化实验，截止2021年7月，八钢已实现了10%-15%的碳减排。高炉富氢项目在中国宝武的减排战略中具有重要作用，八钢预计高炉富氢碳循环技术和CCUS技术的结合可减少约30%-50%的碳排放，和中国宝武2035年的减碳计划对应。我们认为，类比日本钢铁龙头日本制铁，中国宝武在高炉富氢项目的研发上具备优势。日本钢铁冶炼业和中国有很多相似之处。由于电力资源匮乏，以及二战后钢铁需求高速增长时废钢资源的缺乏，日本钢铁冶炼也是以高炉-转炉工艺的长流程为主，产量占比约70%，吨钢碳排放量大；2020年，日本提出“绿色增长策略”，提出2050年实现零碳排放的目标，日本钢企也面临巨大的减排压力。作为日本第一，世界