鋼鐵是現代化建設的基石，也是僅次于原油的、全球第二大的大宗商品產業鏈，鋼鐵支撐著人們日常生活的方方面面。隨著全球應對氣候變化和能源轉型的推進，各大關鍵產業紛紛采取行動，加入到緩解氣候變化和脫碳化的行列中，鋼鐵行業將在其中發揮中流砥柱的作用。
鋼鐵行業溫室氣體排放量約占全球排放總量的7%-10%1，在不降低人類未來生活水平的前提下，全球經濟能否實現低碳化轉變，將在很大程度上依賴鋼鐵行業的成功減排。因此，鋼鐵企業應率先減少自身運營所產生的碳排放量。
必和必拓整裝待發，愿與客戶攜手共進脫碳之路。作為全球主要的煉鋼原材料供應商之一，必和必拓始終走在應對氣候變化的前列，我們在2020年度《氣候變化報告》中明確了具體的減排目標和行動計劃，以協助減少范圍三（Scope 3）所涵蓋的產業鏈下游企業在使用必和必拓資源產品時所產生的溫室氣體排放。我們憑借雄厚的技術能力，以及我們在全球主要煉鋼地區與客戶建立起來的長期合作伙伴關系，共同應對此挑戰。
首先，讓我們了解一下現今鋼鐵煉制的過程。
目前全球的鋼鐵生產主要采用兩種工藝路線：
第一種是長流程煉鋼工藝，以高爐/轉爐工藝為主（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，長流程煉鋼是全球鋼鐵生產的主流工藝，其產量約占全球鋼鐵總產量的72%，但不同地區之間也存在差異，取決于長、短煉鋼流程的經濟性，例如廢鋼供應量、燃料成本等因素。在廢鋼供應充裕和/或天然氣價格相對較低的地區，例如北美、中東和北非，電爐煉鋼工藝則在鋼鐵生產中占著較高比例。
接下來，讓我們更詳細地了解一下這些工藝。
在長流程煉鋼過程中，鐵礦石（主要為含鐵氧化物）在高爐內經過“還原”化學反應被轉化為金屬鐵。這種工藝利用冶金煤（焦炭）和噴吹煤作為還原劑，去除鐵礦石中的氧，進而生成金屬鐵。高爐內的最高溫度超過2000°C，因而會使金屬鐵融化成為高碳鐵水，其從高爐出鐵后，被運輸至轉爐，通過使用氧氣等氣體并添加熔劑（例如石灰石和白云石）進行冶煉，通過造渣以脫除碳、硅、磷等雜質，并最終成為鋼水。
鋼鐵企業面臨著兩種選擇：一是讓高爐提前退役，改用低碳冶煉工藝；二是對現有高爐進行定期大修，直至其使用壽命終結。在目前的政策下，鋼鐵企業更偏向于選擇后者。
其原因十分簡單，可通過一組數據對比了解。一套400萬噸產能的長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5000萬到2億美元之間，具體因地區而異。對于近年來高速發展的中國和印度等國家的鋼鐵企業，高爐的實際年齡普遍較短，預計還可以再使用30到40年。而在北美地區，高爐的平均年齡已接近50年（有的可能更久），因此，北美地區的鋼鐵企業有可能會率先決定大規模退出長流程煉鋼工藝。但與此同時，我們也注意到，類似的發達地區譬如歐洲，有些鋼鐵企業仍然在通過技術革新來實現高爐減碳，以延長高爐設備的使用壽命。
電爐煉鋼工藝與長流程煉鋼工藝的區別主要在于，電爐的含鐵爐料，如廢鋼或直接還原鐵（DRI），都已經被“還原”為金屬形態，因此只需要將這些廢鋼/直接還原鐵熔化，即可生產鋼水。
在生產直接還原鐵過程中，塊礦和球團礦被還原為固態金屬鐵，而不是長流程工藝的液態鐵水。目前，全球直接還原鐵的年產量約為1億噸，其中大部分是利用改質天然氣（本質上就是把天然氣分解為氫氣和一氧化碳）來去除鐵礦石中的氧。其生產的直接還原鐵（DRI）或熱壓鐵塊（HBI），是一種多用途原料，既可用于高爐-轉爐工藝，提升利用系數、降低燃耗，也可用于代替電爐中廢鋼使用，降低鋼水雜質含量，從而生產更高品質的鋼材。某些鋼廠因為沒有廢鋼資源或廢鋼價格太高，其電爐會使用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，其鋼材往往品質不高，主要原因是廢鋼中含有銅等雜質，而這些雜質在煉鋼過程中難以去除，進而影響鋼材的機械性能。因此，要想生產性能更優的鋼材，例如汽車板或高級管材，就需要在電爐煉鋼工藝中添加高質量的直接還原鐵（DRI）或生鐵，以便更好地控制鋼材中的雜質。
這兩種主要煉鋼工藝的噸鋼碳排放量大相徑庭。高爐長流程煉鋼工藝，平均噸鋼直接和間接（如來自廠外供電設施）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，在所有商業化煉鋼技術中，基于廢鋼的電爐煉鋼工藝最為環保，其排放系數約為0.4噸二氧化碳/噸鋼，實際排放量因電力排放強度而有所差異。綜合而言，全球鋼鐵企業的平均排放強度約為1.7噸二氧化碳/噸鋼。
在應對脫碳挑戰的過程中，鋼鐵企業為什么不直接增加電爐煉鋼的比例呢？
原因十分簡單，無論是廢鋼還是直接還原鐵，其產量有限，而且從全球范圍來看存在嚴重的供不應求局面。我們預計，未來全球主要鋼鐵產區都會增加廢鋼的使用。但是，其變化速度主要取決于廢鋼的供應量，而廢鋼的供應在很大程度上又取決于報廢的鋼鐵量。在這方面，我們做了非常深入的研究。我們對主要鋼鐵產區在當前和未來的廢鋼/鋼材比率做了估算，并得出如下結論。
基于必和必拓的基準情景分析，至少到2050年，廢鋼都將面臨供不應求的局面，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，假設循環經濟的發展能夠推動廢鋼收集量，到2050年，全球高爐/轉爐（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，其產量亦十分有限，遠遠難以滿足全球鋼材需求。由于二氧化硅、氧化鋁和磷等雜質會嚴重影響電爐煉鋼（EAF）工藝的效率和競爭力，因而必須使用最優質的鐵礦石作為原料生產直接還原鐵，一般其平均鐵含量要達到67%，但此類鐵礦石資源儲量十分有限。如無法通過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原料的苛求性會大大限制其競爭力。
那么鋼鐵行業如何才能降低碳排放強度呢？
簡而言之，鋼鐵行業有三種選擇。我們認為這三種選擇都能在脫碳進程中發揮重要作用：
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。
基于我們對煉鋼工藝的深度了解，同時運用我們開發的廣義預測工具技術擴散規律（Laws of Technological Diffusion），我們建立了一個必和必拓獨家的鋼鐵脫碳技術框架。該框架界定了各鋼鐵產區在脫碳之路上必經的三個階段，并概述了各階段的相關技術。
這三個階段分別是：優化階段、過渡階段以及最終的綠色階段，目前大多數鋼鐵產區在脫碳技術方面仍處于優化階段。
讓我們來詳細了解各個階段應用的技術和戰略。
優化階段
首先，鋼鐵企業可以采用現有的低成本減排技術來降低當前長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，行業領軍企業在這方面已經達到較高水平，隨著先進工藝控制和工業4.0的實施，更多的鋼廠將向行業領軍企業看齊。這有助于進一步減少燃料用量，進而降低相關碳排放。
我們認為，廢鋼也將在優化階段發揮重要作用。我們不僅注意到廢鋼電爐煉鋼工藝在鋼鐵生產中的占比在逐年增長，也發現一些鋼鐵產區的長流程煉鋼廢鋼比逐漸升高。從技術層面講，在轉爐（BOF）煉鋼工藝中，廢鋼在爐料中的占比最高可達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一步提高。即使在高爐（BF）工藝中（即煉鐵環節），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。
由于最具成本競爭力原料（礦石基原料和廢鋼）的供應情況、工廠配置和最終的鋼鐵產品組合不盡相同，各鋼廠的最佳優化技術也存在差異。但總體來說，我們估算以當前的碳排放水平為基線，即約2噸二氧化碳/噸鋼，優化階段可協助鋼鐵企業將長流程煉鋼的碳排放強度減少約20%。
過渡階段
這一階段主要是利用低碳技術改造現有的長流程煉鋼工藝，其可降低噸鋼碳排放強度50%-60%，最高可達80%。我們認為，此階段是在中期實現鋼鐵行業實質性減碳的必經之路。在此之后，隨著技術、經濟和基礎設施的進一步成熟，鋼鐵行業將邁向綠色階段。過渡階段采用的很多技術將提升高爐煉鐵的效率，但同時有可能致使鋼廠無法使用尾氣發電，進而需要從外部電網購買電力。因此，只有實現可再生能源供電，才能充分發揮這些技術的潛力。
碳捕集、利用與封存（CCUS）：必和必拓認為，在過渡階段中，CCUS技術將對鋼鐵行業的脫碳起到至關重要的作用。取決于該技術的應用情況，其最高可降低長流程煉鋼工藝碳排放強度的60%。盡管目前仍存在一些技術和成本的壁壘，CCUS技術尚未被應用到長流程煉鋼工藝中，但我們認為，未來十年這些難題將會被逐漸攻克。碳捕集技術的好處還在于它還可以應用于發電、水泥生產和化工等多個行業。這樣一來，在某些領域取得的突破，以及CCUS技術廣泛應用到各大難以減碳的行業所帶來的規模效益，將降低鋼鐵企業使用該技術的成本。
氧氣高爐：通過采用純氧噴吹，該技術可提升現有高爐的冶煉和操作。較高的氧氣濃度與再循環氣體系統（爐頂煤氣循環）相結合，不僅可以提升高爐冶煉效率，還能減少其整體碳排放強度約15%-20%。氧氣高爐是歐盟超低二氧化碳煉鋼技術研發項目（ULCOS）的技術路線之一3，全球最大的鋼鐵生產企業中國寶武集團也在研制開發氧氣高爐低碳冶煉技術4。這項技術的一個關鍵特征是高爐尾氣中的二氧化碳濃度更高（近40%，而傳統高爐僅為約20%），因此，該技術非常適合與CCUS技術結合應用。
熔融還原：由歐盟ULCOS項目構思并由塔塔鋼鐵歐洲公司開發的Hlsarna工藝是同類研究中最具前景的技術之一。盡管該技術仍然采用煤作為還原劑，但它并不依賴焦炭提供對爐內爐料的支撐。HIsarna工藝尾氣中的CO2濃度極高（約為90%），使其非常適合與CCUS技術結合使用，可將碳排放強度降低高達80%。
高爐富氫噴吹：該技術主要從高爐風口噴吹氫氣，既可以是純氫，也可以是富氫氣體，例如焦爐煤氣（氫含量約為55%）或天然氣。通過風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，安賽樂米塔爾集團（ArcelorMittal）、中國寶武集團和蒂森克虜伯鋼鐵正在研究該項技術。6.7.8盡管該技術有一定的前景，但由于氫氣還原反應吸熱，其噴吹比例受到限制，因此，其最高僅可降低碳排放強度約15%左右。該技術亦是日本國家項目COURSE50（CO2 Ultimate Reduction in Steelmaking Process by Innovative Technology for Cool Earth 50）的技術路線之一。
生物質的使用：生物質作為燃料或還原劑的來源可以貫穿整個長流程鋼過程。在燒結過程中，可以直接替代煤炭或其他燃料；在焦炭生產中，可以充當原料；在高爐內可以直接替代焦炭，也可以替代噴吹煤；還可以在煉鋼過程中充當碳源。來自可再生資源的生物質有望將整個長流程煉鋼的碳排放強度降低達50%，但我們認為10%-20%更加切合實際。由于缺乏可持續的生物質資源以及其它行業對生物質的需求競爭，我們認為生物質或許不是可以廣泛應用的減排手段。
綠色階段
最后，得益于前沿技術的成熟，鋼鐵生產將最終進入綠色階段，即實現零排放或近零排放。為實現這一目標，鋼鐵行業需要獲得具有成本競爭力且可以大規模使用的可再生能源電力，讓各類低碳技術形成競爭，促使鋼廠淘汰現有的高爐設施。目前，我們認為，氫基直接還原鐵（DRI）和電爐煉鋼（EAF）工藝是鋼鐵行業唯一可行且能夠大規模實施的脫碳技術路線。在直接還原鐵（DRI）工藝中使用氫氣并不是一個全新的概念，在當前的天然氣直接還原鐵（DRI）工藝中，氫氣占還原劑總量的60%�，F有的直接還原鐵（DRI）設施，在設計之初就考慮到了未來使用氫氣的需求，并支持向氫氣模式的切換。所以，嚴格來講，氫基直接還原并不是受限于技術環節，而是一道經濟學難題：是否有足夠的、低成本的可再生或者綠色氫氣來滿足整個鋼鐵行業的需求，以及是否有配套的氫氣傳輸和存儲設施。
毫無意外，考慮到配套基礎設施的規模，氫基直接還原鐵（DRI）煉鋼工藝面臨著巨大的經濟上挑戰。據估計，氫氣的生產成本需要降到1-2美元/每千克，再加上高碳稅的助力，氫基直接還原鐵（DRI）煉鋼工藝才能與長流程煉鋼工藝形成競爭。盡管如此，鋼廠對這項技術的興趣日益高漲。近期，作為瑞典技術攻關項目HYBRIT（突破性氫能煉鐵技術）10的一部分，瑞典第一家氫基直接還原鐵（DRI）工廠已經正式啟動。
從長遠來看，我們認為直接電解煉鐵等新興技術也有可能成為技術路線之一。今天，幾乎所有電解鋁和電解銅都是通過電化學工藝生產的，鋼廠采用該技術的挑戰是如何獲得足夠的可再生能源電力來實現規�；a。以鋼鐵年產量約1億噸的日本為例，如采用電解煉鐵技術，所需的可再生能源電力是現有日本全國可再生能源發電總量的兩倍。盡管如此，電解技術的優勢在于可以直接用電還原鐵礦石，無需產生氫氣。因此，我們認為，在氫氣成本無法降低的情況下，可以繼續研發電解技術，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 |
