這篇文章主要是以位于北美的MIDREX直接還原工廠(chǎng)的單位成本為基礎（案例1），另外設定30%氫氣參與直接還原（案例2），100%氫氣參與直接還原（案例3），給出了生產(chǎn)一噸DRI需要的氫氣量，氫氣直接還原熱能輸入分析，減排能力分析。針對案例1-3進(jìn)行了直接還原鐵生產(chǎn)運營(yíng)成本分析，比較了直接還原技術(shù)與傳統煉鋼路線(xiàn)減排潛力，進(jìn)行了經(jīng)濟技術(shù)評價(jià)。講述了直接還原鐵/熱壓塊在鋼廠(chǎng)的使用。歡迎大家分享交流，翻譯表述不準確的地方可聯(lián)系糾正。

1 摘 要

鋼鐵行業(yè)占全球二氧化碳排放量的7-10%，因此必須在未來(lái)30年內大幅減少二氧化碳排放量。歐盟的目標是到2050年將二氧化碳排放量減少80%，這只能通過(guò)改變鋼鐵生產(chǎn)工藝來(lái)實(shí)現。對某些質(zhì)量等級鋼可以采用廢鋼電 弧爐工藝路線(xiàn)，對高等級鋼可以采用氫基直接還原-電弧爐工藝路線(xiàn)。在現有BF-BOF工藝路線(xiàn)中使用氫源只能有助于少量減少CO2排放，但不足以實(shí)現CO2減排目標。為了為未來(lái)做好準備，許多鋼鐵生產(chǎn)商在其戰略規劃在現有鋼鐵廠(chǎng)中整合一個(gè)直接還原廠(chǎng)。

2 MIDREX 直接還原工藝

當前，超過(guò)90%的鐵生產(chǎn)采用BF路線(xiàn)，自1970年直接還原商業(yè)化以來(lái)也不斷增長(cháng)：1990年，DRI產(chǎn)品僅占整個(gè)鐵產(chǎn)量的3%，2000年增長(cháng)到6%，到2019年增長(cháng)到8%。全球直接還原鐵產(chǎn)量2019年比2018年增長(cháng)了8%，達到1.08億噸，連續4年創(chuàng )下直接還原鐵產(chǎn)量記錄（見(jiàn)圖1）。在2020年，由于新冠肺炎疫情大流行，直接還原鐵產(chǎn)量有所下降（老鐵號注：2020年產(chǎn)量1.044億噸，比2019年下降3.4%），但是當前由于對綠色新技術(shù)引發(fā)的興趣，直接還原工藝再次贏(yíng)得了有力支持。

圖1 1990-2019年世界直接還原鐵產(chǎn)量編輯

天燃氣基直接還原是成熟的技術(shù)，運營(yíng)數十年，2019年產(chǎn)量接近8200萬(wàn)噸。有兩個(gè)主要的氣基直接還原工藝，一個(gè)是MIDREX在2019年占據了80%是市場(chǎng)份額，另一個(gè)是特諾恩希爾HYL(見(jiàn)圖2)。

圖2 2019年全球直接還原鐵按工藝劃分的產(chǎn)量編輯

MIDREX工藝中能源和氧化鐵原料方面有很高的靈活性。通常采用100%天燃氣運行，但是也可采用任何比例的H2，甚至100%的H2。MIDREX工藝可以在工業(yè)規模上使用天燃氣、合成氣（通過(guò)煤氣化獲得）、焦爐氣、COREX氣及其他混合氣。一個(gè)標準的天燃氣基工廠(chǎng)還原氣比例（H2：CO）典型范圍時(shí)1.5-1.7（相當于還原氣中H2含量55%），然而有工業(yè)化MIDREX工廠(chǎng)也提高H2/CO比例為3.2-3.9（還原氣中H2比例接近70%）。天然氣基的直接還原-EAF路線(xiàn)與BF-BOF路線(xiàn)相比，已經(jīng)能減少40%-60%的CO2排放。

MIDREX 直接還原工廠(chǎng)主要由還原爐、頂部氣體洗滌器、重整器、工藝氣體壓縮機和熱回收系統構成。還原氣體中重整器中產(chǎn)生并加熱，在還原爐中和固體原料逆向流動(dòng)，對氧化鐵原料進(jìn)行直接還原。由此，含氧原料中的氧被由H2和CO組成的還原氣奪走了，原料形成金屬化。直接還原鐵產(chǎn)出形態(tài)可以是熱態(tài)或冷態(tài)或熱壓塊（HBI）。

3 MIDREX-H2工廠(chǎng)轉換

圖 3: MIDREX®氫基工藝編輯

作為高度靈活的技術(shù)，MIDREX工廠(chǎng)可以使用0-100%的氫氣生產(chǎn)。使用氫氣的MIDREX工藝流程見(jiàn)圖3。氫氣可以從外部供應或者現場(chǎng)生產(chǎn)（如，通過(guò)PEM電解）。直接還原工藝用氫氣不需要高純度，可適用化石燃料制氫（灰氫）、CCUS化石燃料制氫（藍氫）或電解槽中的再生能源制氫（綠氫）。

隨著(zhù)低碳氫氣的合適成本供應，天燃氣MIDREX NG 工廠(chǎng)可以分階段改造成MIDREX H2工廠(chǎng)，鋼鐵制造商可以快速減少CO2排放，并且無(wú)需大量額外投資的情況下在將來(lái)進(jìn)一步減少CO2排放（見(jiàn)圖4）。這樣的方法為鋼鐵制造商提供了很大的靈活性，可以為新建工廠(chǎng)做好過(guò)度準備，可以在減排政策越來(lái)越嚴格的情況下減少資產(chǎn)擱淺的風(fēng)險。

圖4通過(guò)直接還原路線(xiàn)逐步減少CO2排放的方法編輯

4 氫氣直接還原工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析

本節根據位于北美（美國）工廠(chǎng)的平均單位成本分析了氫基直接還原工藝的環(huán)境效益和運營(yíng)成本的影響。具體運營(yíng)成本因具體項目細節而異。

計算基礎定義

隨后提供的計算基礎是一個(gè)的MIDREX直接還原工廠(chǎng)，假定DRI/HBI產(chǎn)量是100萬(wàn)噸/年。在比較過(guò)程中，鐵礦石或者使用天然氣還原，或者是向天然氣中逐步添加氫氣（如第3節所述）。為了比較，下面展示的單位成本是源于天然氣基MIDREX工廠(chǎng)，以此為基礎（案例1）

表 1 案例1的主要單位成本和典型消耗數據編輯

用氧化球團生產(chǎn)DRI/HBI 保守估算需要氫氣650Nm3(或58kg)/t DRI（見(jiàn)表2）?；诠S(chǎng)配置，這些數據還可以降低。此工藝氫氣的純度需要99.8%，可以通過(guò)多種技術(shù)獲得，包括氣體合成和電解。作為參考，用于電動(dòng)汽車(chē)燃料電池的氫氣純度要達到99.999999%，以避免燃料電池退化。這意味這直接還原用氫氣純度相對較低，對直接還原工藝允許靈活選擇。

表2直接還原氫氣消耗量和其他要求編輯

除了還原鐵礦石所需的氫氣外，還需要熱能來(lái)加熱還原氣體。在傳統的直接還原過(guò)程中，該熱能來(lái)自Midrex豎爐頂部的部分氣體流。也可以使用來(lái)自氫基Midrex工廠(chǎng)的頂部氣體進(jìn)行加熱，然而，通常氫氣應用于還原，而不是“僅”產(chǎn)生用于加熱目的的熱能。因此，在上述計算中，天然氣被用作加熱能源。這會(huì )導致二氧化碳排放，未來(lái)可能會(huì )被生物質(zhì)或電加熱器所取代，但這需要進(jìn)行更詳細的研究。

所有計算的基礎是范圍1-3接近[2,3]，范圍3的比例相當小，約為35 kg CO2/t產(chǎn)品。

5 氫基直接還原工藝的減排潛力

為了對比氫基直接還原與傳統路線(xiàn)，定義了以下案例（表3）。案例1是基于天然氣的傳統DR工廠(chǎng)（基礎案例）。案例2和案例3反映了如圖4所示的第二步（step2）和第三步（step3），即在切換到100%氫氣之前，將一部分綠色氫氣混合到原料氣體中。它們在部分氫氣作為還原劑的情況下（案例2）或完全是氫氣做還原劑的情況（案例3）下運行。為了生產(chǎn)氫氣，考慮安裝110 MW和350 MW聚合物電解質(zhì)膜（PEM）電解槽裝置。表3總結了輸入的氫含量及能量，以及產(chǎn)品中預期碳含量。

結果強烈依賴(lài)于電網(wǎng)的CO2濃度。為了進(jìn)行比較，使用了4種使用不同CO2強度電網(wǎng)電力的情景（數值在417 g/kWh到0 g/kWh之間變化）（表4）。2030年歐盟目標值代表了一個(gè)指示性的強度水平，這將使歐盟到2030年實(shí)現溫室氣體凈排放量比1990年減少55%。

表3 直接還原工廠(chǎng)運行案例編輯

圖5列示了CO2排放量的計算結果。它描述了每噸直接還原鐵產(chǎn)生的排放量，根據表4中定義的電網(wǎng)系數，在上述情況下產(chǎn)生的每噸直接還原鐵的排放量，因為用于生產(chǎn)氫氣的電力被視為來(lái)自電網(wǎng)。由于PEM電解需要大量電力，因此可以清楚地看到，產(chǎn)生的CO2量在很大程度上取決于: a）工藝中使用的氫氣量，b）制氫發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放量。

至此，不論使用美國目標值還是歐盟目標值，案例1（天然氣基直接還原工廠(chǎng)）具有最低的溫室氣體排放量。其碳足跡僅僅依賴(lài)于電網(wǎng)的CO2濃度。隨著(zhù)添加氫氣，制氫過(guò)程中耗電產(chǎn)生的CO2排放量急劇增加，案例3達到最高，還原工作全部由氫氣完成。

由于添加氫氣導致強烈依賴(lài)于電網(wǎng)的CO2濃度，通過(guò)在電網(wǎng)中使用可再生能源案例2和3具有很大的CO2減排潛力，如歐盟2030年目標。這樣看，案例1和2接近減排平衡點(diǎn)，案例3的CO2排放已經(jīng)低于案例1和2.

圖5 不同電網(wǎng)CO2濃度下直接還原鐵生產(chǎn)的碳排放編輯

最后，將所消耗電能的CO2排放量降至零，加氫案例明顯低于天然氣路線(xiàn)。100%氫氣還原可以實(shí)現最大的節約和最高的生態(tài)效益。

6 直接還原技術(shù)與傳統煉鋼路線(xiàn)減排潛力的比較

建立一個(gè)模型用于直接還原技術(shù)與傳統煉鋼技術(shù)經(jīng)濟比較。建立相同基準，最終產(chǎn)品設定為鋼水。對于直接還原路線(xiàn)，可以通過(guò)80%DRI和20%廢鋼加入電弧爐中實(shí)現。

比較方案如圖6所示，高爐+BOF,COREX+DR工廠(chǎng)和EAF，產(chǎn)品為冷態(tài)或熱態(tài)DRI的天然氣DR工廠(chǎng)或前面設定的氫基直接還原+EAF。

與圖5 所示相比，直接還原工藝的主要結果差異，在于所有基于電弧爐情況，對高耗電電弧爐運行產(chǎn)生的CO2排放，具有更高的敏感性。與BF-BOF煉鋼相比，即使考慮電網(wǎng)CO2實(shí)際值，它們做為環(huán)境和溫室氣體友好型技術(shù)也具有很大潛力。COREX技術(shù)，除BF外，作為第二煤基工藝，可以與基于COREX輸出氣體的直接還原工廠(chǎng)組合。這樣的COREX/DR 組合展現出煤基工藝中最低的碳排放量。

圖 6 不同電網(wǎng)強度下，煉鋼路線(xiàn)CO2排放比較編輯

直接還原案例的結果與圖5所示類(lèi)似。案例DR(NG)-EAF和案例1源于電弧爐中直接使用熱海綿鐵，因此減少了直接還原鐵冷卻后重新加熱的熱損失（見(jiàn)第5節）。此外，高氫氣用量的案例3中DRI碳含量趨近于零，電弧爐煉鋼時(shí)需要加入碳，從而增加了范圍3的碳排放82Gco2/tLS(鋼水)。在電網(wǎng)零排放的情況下，100氫氣用量的案例3，鋼水中CO2殘留量（184kg/t鋼水）也來(lái)源于用于加熱的天然氣，一小部分來(lái)源于生產(chǎn)原料（范圍3）。

表5列出了CO2排放量，就當前鋼廠(chǎng)運行情況，比較了未來(lái)方案中氫基直接還原工藝碳減排潛力。表明，即使現在已經(jīng)有益的氣基工藝，在提高用氫量及使用中性電能的情況下，能進(jìn)一步把CO2減排量提升86%。

表5 不同路線(xiàn)的減排潛力編輯

7 技術(shù)經(jīng)濟評價(jià)

已對運營(yíng)成本進(jìn)行了計算，采用氫氣價(jià)格1$/kg,二氧化碳排放強度75g/kwh。這些值代表不久將來(lái)綠氫成本的基礎方案 。如分析所示，天然氣價(jià)格是生產(chǎn)競爭的關(guān)鍵因素，然而如圖7所示，假定二氧化碳減少的成本，對運營(yíng)成本影響不大，

圖 7案例1、案例2、案例3直接還原鐵生產(chǎn)運營(yíng)成本 比較編輯

直接還原工廠(chǎng)的DRI通常用于電弧爐煉鋼。除電極、石灰石、燃料（特別是天然氣）和耐火材料外，還需要額外的電能消耗。圖8表示為煉鋼的運營(yíng)成本，考慮假定電弧爐進(jìn)料為80%DRI和20%廢鋼。

圖8 DR-EAF 路線(xiàn)的運營(yíng)成本比較編輯

另一個(gè)很重要方面，不考慮運營(yíng)成本計算，安裝質(zhì)子交換膜電解槽也能用來(lái)增加MIDREX工廠(chǎng)的產(chǎn)能?？梢栽谥苯舆€原豎爐中使用質(zhì)子交換膜電解槽的副產(chǎn)品氧氣，尤其是用于直接還原鐵生產(chǎn)。氧氣可以添加到直接還原工廠(chǎng)的工作氣體中以增加還原氣的溫度，增加HDRI工廠(chǎng)的產(chǎn)量。氧氣也可以用于EAF或用于高爐富氧。這可以增加電解槽的收益，降低整個(gè)運營(yíng)成本。

8 直接還原鐵/熱壓塊在鋼廠(chǎng)的使用

圖9描述了鋼廠(chǎng)使用DRI/HBI的不同的可能情況。

MIDREX 工廠(chǎng)傳統的、最常見(jiàn)的產(chǎn)品是冷態(tài)直接還原鐵（CDRI）。還原后，DRI冷卻至適宜儲存的環(huán)境溫度或者在附近電弧爐中使用，鈍化處理防止再氧化，損失金屬化率。它可以通過(guò)鐵路或海路運輸，但是不推薦。碳含量較低時(shí)反應性甚至會(huì )增加。無(wú)論哪種運輸方式，應該進(jìn)行現場(chǎng)鈍化，并在運輸過(guò)程惰性化?，F在，幾乎所有MIDREX工廠(chǎng)都是熱排放裝置工廠(chǎng)，生產(chǎn)熱DRI（HDRI）或者熱壓快（HBI）.

對于長(cháng)距離海上運輸，HBI(熱壓塊)優(yōu)于直接還原鐵產(chǎn)品。它是由從MIDREX豎爐排出的≥650℃的DRI壓制成枕頭狀壓塊。HBI密度≥5.0g/m 3 ，減小了再氧化率和金屬化損失，減少了破損產(chǎn)出損失。這使HBI的儲存和運輸不需要特殊預防。它可以用于電弧爐、高爐和轉爐。歷史上，DRI或HBI作為電弧爐廢鋼的補充，一般添加10-30%，但是也可以到100%?？梢苑峙蜻B續加料，或者冷態(tài)或者熱態(tài)。HBI在轉爐中用作冷裝料（通常高達15%）補充廢鋼。也可以用于提高高爐的熱鐵水產(chǎn)出，降低焦炭消耗（添加比例通常高達20%）。

熱海綿鐵（HDRI）可以在高達650℃的溫度下運輸至鄰近的電弧爐，以利用顯熱，從而提高鋼鐵制造商的生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。在電弧爐煉鋼中，熱運輸/熱裝是通過(guò)降低電耗和電極消耗，從而降低每噸鋼水成本的積極方式，此外，提高電弧爐的生產(chǎn)效率使得電弧爐熔煉車(chē)間的電力系統縮小變得可能。

從環(huán)境的角度來(lái)看，熱裝海綿鐵的優(yōu)勢是顯著(zhù)的：保持海綿鐵的顯熱而不是冷卻，在爐膛排放之前通過(guò)兩種方式降低排放。首先，降低電耗從而減少每噸鋼的電廠(chǎng)排放；其次，在依賴(lài)添加碳的工廠(chǎng)中，減少電弧爐的熱能需求，可以降低二氧化碳排放。

現在，所有自備直接還原工廠(chǎng)（直接還原工廠(chǎng)具備下游熔煉車(chē)間）會(huì )利用熱運輸系統把DRI喂入電弧爐中。HDRI傳輸有三種方法：熱運輸容器\熱連接（HOTLINK）和熱運輸機。

普瑞特和MIDREX聯(lián)合開(kāi)發(fā)了熱運輸機系統（HTC），用奧蒙德斗式輸送機將DRI裝入電弧爐。當把熱態(tài)還原鐵運輸到距離達200米的電弧爐車(chē)間時(shí)，HTC設計用來(lái)減小溫度損失和預防再氧化。熱態(tài)還原鐵從MIDREX豎爐排出至機械運輸機，它使用特殊設計的鏟斗把HDRI運至熔煉車(chē)間事實(shí)證明，在多個(gè)裝置中成功運行的熱運輸機令人印象深刻。

MIDREX工廠(chǎng)可以設計成在不改變產(chǎn)品流的情況下，從一種DRI產(chǎn)品形態(tài)到另一種形態(tài)—從CDRI到HBI,CDRI到HDRI（熱態(tài)直接還原鐵）或這HBI到HDRI,反之亦然。在任何組合中，任何產(chǎn)品都能同時(shí)產(chǎn)出。

圖 9 DRI在煉鋼廠(chǎng)的使用編輯

9 MIDREX工藝中使用H2的實(shí)際項目

安賽米塔爾歐洲公司致力于2050年實(shí)現CO2中性鋼生產(chǎn)的宏偉目標。方法包括“碳捕獲與儲存”、“循環(huán)碳”和“清潔電力”。該公司脫碳戰略中一個(gè)很重要的角色是基于氫氣。要最終實(shí)現零碳排放，氫氣必須是綠氫（通過(guò)電解生產(chǎn)，并且由可再生電力提供動(dòng)力）。

安賽米塔爾在德國漢堡擁有歐洲唯一的DRI-EAF工廠(chǎng)，這個(gè)工廠(chǎng)正規劃一個(gè)使用氫氣進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的項目，以及在電弧爐中試驗無(wú)碳DRI。該項目包括建設產(chǎn)能10萬(wàn)噸/年DRI的基于純氫的試驗工廠(chǎng)。這個(gè)試驗工廠(chǎng)用氫先從灰氫獲?。◤默F存MIDREX工廠(chǎng)獲?。?。長(cháng)期目標是綠氫。

這個(gè)項目不僅立即實(shí)現積極環(huán)境影響，并且顯著(zhù)改善MIDREX系統裝置在二氧化碳排放方面的技術(shù)水平。它還將為現有系統運行轉換為加氫運行以及為100%使用綠氫的新工廠(chǎng)設計創(chuàng )造知識。

圖 10 位于德國漢堡的安賽米塔爾MIDREX直接還原工廠(chǎng)編輯

2021年2月，普銳特技術(shù)和Midrex技術(shù)與Mikhailovsky HBI 簽署協(xié)議,在俄羅斯的Zheleznogorsk建設世界上最大的HBI工廠(chǎng)。新工廠(chǎng)設計基于無(wú)碳冶金原理，未來(lái)有望完全過(guò)度到使用綠氫做為還原劑，以減少碳排放。該項目為進(jìn)一步發(fā)展綠色煉鋼及積極實(shí)施鋼鐵生產(chǎn)生態(tài)化技術(shù)奠定了堅實(shí)基礎。

10 結論

冶煉行業(yè)的直接還原鐵行業(yè)經(jīng)歷了快速增長(cháng)，從而運行綠色煉鋼可有多種選擇。特別是由于人們對綠色技術(shù)的濃厚興趣，使MIDREX H2技術(shù)使用的氫基直接還原贏(yíng)得了支持。

天然氣基MIDREX工廠(chǎng)在添加少量設備情況下，可以分階段轉換成MIDREX H2工廠(chǎng)，當可獲得低碳低成本氫時(shí)，可以使鋼鐵制造上立即減少碳排放。新工廠(chǎng)的建設處于“過(guò)度準備”，以減少由于日趨嚴格的減排政策資產(chǎn)擱淺的風(fēng)險。

氫基直接還原工藝的減排潛力，通過(guò)三個(gè)案例進(jìn)行了分析—一個(gè)是天然氣基案例，第二個(gè)是基于氫基的案例，氫氣實(shí)現30%和100%的還原。由于氫生產(chǎn)用電由質(zhì)子交換膜電解工廠(chǎng)生產(chǎn)，這樣的直接還原工廠(chǎng)的碳排放很大程度上依賴(lài)于電網(wǎng)的二氧化碳強度。近期目標二氧化碳負荷數（如2030年歐盟目標），已經(jīng)允許比天然氣路線(xiàn)還低的碳排放。

另外，電弧爐被認為能將直接還原路線(xiàn)與傳統冶煉（高爐—轉爐，COREX—直接還原—電弧爐）進(jìn)行比較時(shí)能得出類(lèi)似結果。眾所周知，直接還原路線(xiàn)低二氧化碳排放是可見(jiàn)的，基于天然氣和氫氣路線(xiàn)的盈虧平衡點(diǎn)，可在更低的電網(wǎng)碳排放率下實(shí)現。

近期情景的運營(yíng)成本計算（合理的氫成本和電力二氧化碳負荷）顯示出對天然氣價(jià)格的強烈依賴(lài)，而二氧化碳減排成本（基于二氧化碳電網(wǎng)強度75g/kwh）沒(méi)有大量改變結果。減少二氧化碳電網(wǎng)強度，結合高二氧化碳減排成本，將有利于直接減排的H2的使用。

智能工廠(chǎng)設計可進(jìn)一步提高二氧化碳排放效率。避免熱損失是減排的重要因素。熱直接還原鐵技術(shù)，比如由米德雷克思和普銳特聯(lián)合開(kāi)發(fā)的熱輸送機，允許保持DRI顯熱，減少電弧爐電耗，從而減少工廠(chǎng)整體的二氧化碳排放。氫基工廠(chǎng)是全世界都感興趣的，當前正在進(jìn)行幾個(gè)試驗規?；蚬I(yè)規模項目。安賽米塔爾漢堡正在建設基于100%氫氣生產(chǎn)直接還原鐵的試驗工廠(chǎng)。最新的工業(yè)規模的項目是Mikhailovsky HBI的基于無(wú)碳冶金原料的新熱壓塊工廠(chǎng)。新工廠(chǎng)建設為天然氣生產(chǎn)完全過(guò)渡到綠氫做好“過(guò)渡準備”。由此減少由于日趨嚴格的減排政策導致資產(chǎn)擱淺的風(fēng)險。

參考文獻：

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7. https://m.metalloinvest.com/en/news/522035/

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作者：Robert Millner 1 , Johannes Rothberger 1 , Barbara Rammer 1 , Christian Boehm1 , Wolfgang Sterrer1 , Hanspeter Ofner1 , Vincent Chevrier2

1Primetals Technologies Austria GmbH

2Midrex Technologies Inc

老鐵注：

單位換算：1mmBTU=0.252Gcal

范圍1是直接排放，范圍2是間接排放，