這篇文章主要是以位于北美的MIDREX直接還原工廠的單位成本為基礎(chǔ)（案例1），另外設(shè)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(yùn)營成本分析，比較了直接還原技術(shù)與傳統(tǒng)煉鋼路線減排潛力，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價。講述了直接還原鐵/熱壓塊在鋼廠的使用。歡迎大家分享交流，翻譯表述不準(zhǔn)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30年內(nèi)大幅減少二氧化碳排放量。歐盟的目標(biāo)是到2050年將二氧化碳排放量減少80%，這只能通過改變鋼鐵生產(chǎn)工藝來實現(xiàn)。對某些質(zhì)量等級鋼可以采用廢鋼電 弧爐工藝路線，對高等級鋼可以采用氫基直接還原-電弧爐工藝路線。在現(xiàn)有BF-BOF工藝路線中使用氫源只能有助于少量減少CO2排放，但不足以實現(xiàn)CO2減排目標(biāo)。為了為未來做好準(zhǔn)備，許多鋼鐵生產(chǎn)商在其戰(zhàn)略規(guī)劃在現(xiàn)有鋼鐵廠中整合一個直接還原廠。
2 MIDREX 直接還原工藝
當(dāng)前，超過90%的鐵生產(chǎn)采用BF路線，自1970年直接還原商業(yè)化以來也不斷增長：1990年，DRI產(chǎn)品僅占整個鐵產(chǎn)量的3%，2000年增長到6%，到2019年增長到8%。全球直接還原鐵產(chǎn)量2019年比2018年增長了8%，達(dá)到1.08億噸，連續(xù)4年創(chuàng)下直接還原鐵產(chǎn)量記錄（見圖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(dāng)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?xì)饣苯舆€原是成熟的技術(shù)，運(yùn)營數(shù)十年，2019年產(chǎn)量接近8200萬噸。有兩個主要的氣基直接還原工藝，一個是MIDREX在2019年占據(jù)了80%是市場份額，另一個是特諾恩希爾HYL(見圖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?xì)膺\(yùn)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(guī)模上使用天燃?xì)?、合成氣（通過煤氣化獲得）、焦?fàn)t氣、COREX氣及其他混合氣。一個標(biāo)準(zhǔn)的天燃?xì)饣S還原氣比例（H2：CO）典型范圍時1.5-1.7（相當(dāng)于還原氣中H2含量55%），然而有工業(yè)化MIDREX工廠也提高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路線與BF-BOF路線相比，已經(jīng)能減少40%-60%的CO2排放。
MIDREX 直接還原工廠主要由還原爐、頂部氣體洗滌器、重整器、工藝氣體壓縮機(jī)和熱回收系統(tǒng)構(gòu)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，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工廠轉(zhuǎn)換
圖 3: MIDREX®氫基工藝編輯作為高度靈活的技術(shù)，MIDREX工廠可以使用0-100%的氫氣生產(chǎn)。使用氫氣的MIDREX工藝流程見圖3。氫氣可以從外部供應(yīng)或者現(xiàn)場生產(chǎn)（如，通過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(lán)氫）或電解槽中的再生能源制氫（綠氫）。
隨著低碳?xì)錃獾暮线m成本供應(yīng)，天燃?xì)釳IDREX NG 工廠可以分階段改造成MIDREX H2工廠，鋼鐵制造商可以快速減少CO2排放，并且無需大量額外投資的情況下在將來進(jìn)一步減少CO2排放（見圖4）。這樣的方法為鋼鐵制造商提供了很大的靈活性，可以為新建工廠做好過度準(zhǔn)備，可以在減排政策越來越嚴(yán)格的情況下減少資產(chǎn)擱淺的風(fēng)險。
圖4通過直接還原路線逐步減少CO2排放的方法編輯4 氫氣直接還原工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
本節(jié)根據(jù)位于北美（美國）工廠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(yùn)營成本的影響。具體運(yùn)營成本因具體項目細(xì)節(jié)而異。
計算基礎(chǔ)定義
隨后提供的計算基礎(chǔ)是一個的MIDREX直接還原工廠，假定DRI/HBI產(chǎn)量是100萬噸/年。在比較過程中，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(jié)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，以此為基礎(chǔ)（案例1）
表 1 案例1的主要單位成本和典型消耗數(shù)據(jù)編輯用氧化球團(tuán)生產(chǎn)DRI/HBI 保守估算需要?dú)錃?50Nm3(或58kg)/t DRI（見表2）?；诠S配置，這些數(shù)據(jù)還可以降低。此工藝氫氣的純度需要99.8%，可以通過多種技術(shù)獲得，包括氣體合成和電解。作為參考，用于電動汽車燃料電池的氫氣純度要達(dá)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，還需要熱能來加熱還原氣體。在傳統(tǒng)的直接還原過程中，該熱能來自Midrex豎爐頂部的部分氣體流。也可以使用來自氫基Midrex工廠的頂部氣體進(jìn)行加熱，然而，通常氫氣應(yīng)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。這會導(dǎo)致二氧化碳排放，未來可能會被生物質(zhì)或電加熱器所取代，但這需要進(jìn)行更詳細(xì)的研究。
所有計算的基礎(chǔ)是范圍1-3接近[2,3]，范圍3的比例相當(dāng)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(tǒng)路線，定義了以下案例（表3）。案例1是基于天然氣的傳統(tǒng)DR工廠（基礎(chǔ)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(yùn)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(jié)了輸入的氫含量及能量，以及產(chǎn)品中預(yù)期碳含量。
結(jié)果強(qiáng)烈依賴于電網(wǎng)的CO2濃度。為了進(jìn)行比較，使用了4種使用不同CO2強(qiáng)度電網(wǎng)電力的情景（數(shù)值在417 g/kWh到0 g/kWh之間變化）（表4）。2030年歐盟目標(biāo)值代表了一個指示性的強(qiáng)度水平，這將使歐盟到2030年實現(xiàn)溫室氣體凈排放量比1990年減少55%。
表3 直接還原工廠運(yùn)行案例編輯圖5列示了CO2排放量的計算結(jié)果。它描述了每噸直接還原鐵產(chǎn)生的排放量，根據(jù)表4中定義的電網(wǎng)系數(shù)，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(biāo)值還是歐盟目標(biāo)值，案例1（天然氣基直接還原工廠）具有最低的溫室氣體排放量。其碳足跡僅僅依賴于電網(wǎng)的CO2濃度。隨著添加氫氣，制氫過程中耗電產(chǎn)生的CO2排放量急劇增加，案例3達(dá)到最高，還原工作全部由氫氣完成。
由于添加氫氣導(dǎo)致強(qiáng)烈依賴于電網(wǎng)的CO2濃度，通過在電網(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(biāo)。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。100%氫氣還原可以實現(xiàn)最大的節(jié)約和最高的生態(tài)效益。
6 直接還原技術(shù)與傳統(tǒng)煉鋼路線減排潛力的比較
建立一個模型用于直接還原技術(shù)與傳統(tǒng)煉鋼技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。建立相同基準(zhǔn)，最終產(chǎn)品設(shè)定為鋼水。對于直接還原路線，可以通過80%DRI和20%廢鋼加入電弧爐中實現(xiàn)。
比較方案如圖6所示，高爐+BOF,COREX+DR工廠和EAF，產(chǎn)品為冷態(tài)或熱態(tài)DRI的天然氣DR工廠或前面設(shè)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(jié)果差異，在于所有基于電弧爐情況，對高耗電電弧爐運(yùn)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組合。這樣的COREX/DR 組合展現(xiàn)出煤基工藝中最低的碳排放量。
圖 6 不同電網(wǎng)強(qiáng)度下，煉鋼路線CO2排放比較編輯直接還原案例的結(jié)果與圖5所示類似。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（見第5節(jié)）。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）也來源于用于加熱的天然氣，一小部分來源于生產(chǎn)原料（范圍3）。
表5列出了CO2排放量，就當(dāng)前鋼廠運(yùn)行情況，比較了未來方案中氫基直接還原工藝碳減排潛力。表明，即使現(xiàn)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 不同路線的減排潛力編輯7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價
已對運(yùn)營成本進(jìn)行了計算，采用氫氣價格1$/kg,二氧化碳排放強(qiáng)度75g/kwh。這些值代表不久將來綠氫成本的基礎(chǔ)方案 。如分析所示，天然氣價格是生產(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(yùn)營成本影響不大，
圖 7案例1、案例2、案例3直接還原鐵生產(chǎn)運(yùn)營成本 比較編輯直接還原工廠的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(yùn)營成本，考慮假定電弧爐進(jìn)料為80%DRI和20%廢鋼。
圖8 DR-EAF 路線的運(yùn)營成本比較編輯另一個很重要方面，不考慮運(yùn)營成本計算，安裝質(zhì)子交換膜電解槽也能用來增加MIDREX工廠的產(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的工作氣體中以增加還原氣的溫度，增加HDRI工廠的產(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，降低整個運(yùn)營成本。
8 直接還原鐵/熱壓塊在鋼廠的使用
圖9描述了鋼廠使用DRI/HBI的不同的可能情況。
MIDREX 工廠傳統(tǒng)的、最常見的產(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。它可以通過鐵路或海路運(yùn)輸，但是不推薦。碳含量較低時反應(yīng)性甚至?xí)黾?。無論哪種運(yùn)輸方式，應(yīng)該進(jìn)行現(xiàn)場鈍化，并在運(yùn)輸過程惰性化?，F(xiàn)在，幾乎所有MIDREX工廠都是熱排放裝置工廠，生產(chǎn)熱DRI（HDRI）或者熱壓快（HBI）.
對于長距離海上運(yùn)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(yùn)輸不需要特殊預(yù)防。它可以用于電弧爐、高爐和轉(zhuǎn)爐。歷史上，DRI或HBI作為電弧爐廢鋼的補(bǔ)充，一般添加10-30%，但是也可以到100%。可以分批或連續(xù)加料，或者冷態(tài)或者熱態(tài)。HBI在轉(zhuǎn)爐中用作冷裝料（通常高達(dá)15%）補(bǔ)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(dá)20%）。
熱海綿鐵（HDRI）可以在高達(dá)650℃的溫度下運(yùn)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(yùn)輸/熱裝是通過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間的電力系統(tǒng)縮小變得可能。
從環(huán)境的角度來看，熱裝海綿鐵的優(yōu)勢是顯著的：保持海綿鐵的顯熱而不是冷卻，在爐膛排放之前通過兩種方式降低排放。首先，降低電耗從而減少每噸鋼的電廠排放；其次，在依賴添加碳的工廠中，減少電弧爐的熱能需求，可以降低二氧化碳排放。
現(xiàn)在，所有自備直接還原工廠（直接還原工廠具備下游熔煉車間）會利用熱運(yùn)輸系統(tǒng)把DRI喂入電弧爐中。HDRI傳輸有三種方法：熱運(yùn)輸容器\熱連接（HOTLINK）和熱運(yùn)輸機(jī)。
普瑞特和MIDREX聯(lián)合開發(fā)了熱運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)（HTC），用奧蒙德斗式輸送機(jī)將DRI裝入電弧爐。當(dāng)把熱態(tài)還原鐵運(yùn)輸?shù)骄嚯x達(dá)200米的電弧爐車間時，HTC設(shè)計用來減小溫度損失和預(yù)防再氧化。熱態(tài)還原鐵從MIDREX豎爐排出至機(jī)械運(yùn)輸機(jī)，它使用特殊設(shè)計的鏟斗把HDRI運(yùn)至熔煉車間事實證明，在多個裝置中成功運(yùn)行的熱運(yùn)輸機(jī)令人印象深刻。
MIDREX工廠可以設(shè)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)品都能同時產(chǎn)出。
圖 9 DRI在煉鋼廠的使用編輯9 MIDREX工藝中使用H2的實際項目
安賽米塔爾歐洲公司致力于2050年實現(xiàn)CO2中性鋼生產(chǎn)的宏偉目標(biāo)。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(zhàn)略中一個很重要的角色是基于氫氣。要最終實現(xiàn)零碳排放，氫氣必須是綠氫（通過電解生產(chǎn)，并且由可再生電力提供動力）。
安賽米塔爾在德國漢堡擁有歐洲唯一的DRI-EAF工廠，這個工廠正規(guī)劃一個使用氫氣進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的項目，以及在電弧爐中試驗無碳DRI。該項目包括建設(shè)產(chǎn)能10萬噸/年DRI的基于純氫的試驗工廠。這個試驗工廠用氫先從灰氫獲取（從現(xiàn)存MIDREX工廠獲?。?。長期目標(biāo)是綠氫。
這個項目不僅立即實現(xiàn)積極環(huán)境影響，并且顯著改善MIDREX系統(tǒng)裝置在二氧化碳排放方面的技術(shù)水平。它還將為現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為加氫運(yùn)行以及為100%使用綠氫的新工廠設(shè)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(shè)世界上最大的HBI工廠。新工廠設(shè)計基于無碳冶金原理，未來有望完全過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施鋼鐵生產(chǎn)生態(tài)化技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)。
10 結(jié)論
冶煉行業(yè)的直接還原鐵行業(yè)經(jīng)歷了快速增長，從而運(yùn)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得了支持。
天然氣基MIDREX工廠在添加少量設(shè)備情況下，可以分階段轉(zhuǎn)換成MIDREX H2工廠，當(dāng)可獲得低碳低成本氫時，可以使鋼鐵制造上立即減少碳排放。新工廠的建設(shè)處于“過度準(zhǔn)備”，以減少由于日趨嚴(yán)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，通過三個案例進(jìn)行了分析—一個是天然氣基案例，第二個是基于氫基的案例，氫氣實現(xiàn)30%和100%的還原。由于氫生產(chǎn)用電由質(zhì)子交換膜電解工廠生產(chǎn)，這樣的直接還原工廠的碳排放很大程度上依賴于電網(wǎng)的二氧化碳強(qiáng)度。近期目標(biāo)二氧化碳負(fù)荷數(shù)（如2030年歐盟目標(biāo)），已經(jīng)允許比天然氣路線還低的碳排放。
另外，電弧爐被認(rèn)為能將直接還原路線與傳統(tǒng)冶煉（高爐—轉(zhuǎn)爐，COREX—直接還原—電弧爐）進(jìn)行比較時能得出類似結(jié)果。眾所周知，直接還原路線低二氧化碳排放是可見的，基于天然氣和氫氣路線的盈虧平衡點(diǎn)，可在更低的電網(wǎng)碳排放率下實現(xiàn)。
近期情景的運(yùn)營成本計算（合理的氫成本和電力二氧化碳負(fù)荷）顯示出對天然氣價格的強(qiáng)烈依賴，而二氧化碳減排成本（基于二氧化碳電網(wǎng)強(qiáng)度75g/kwh）沒有大量改變結(jié)果。減少二氧化碳電網(wǎng)強(qiáng)度，結(jié)合高二氧化碳減排成本，將有利于直接減排的H2的使用。
智能工廠設(shè)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)合開發(fā)的熱輸送機(jī)，允許保持DRI顯熱，減少電弧爐電耗，從而減少工廠整體的二氧化碳排放。氫基工廠是全世界都感興趣的，當(dāng)前正在進(jìn)行幾個試驗規(guī)模或工業(yè)規(guī)模項目。安賽米塔爾漢堡正在建設(shè)基于100%氫氣生產(chǎn)直接還原鐵的試驗工廠。最新的工業(yè)規(guī)模的項目是Mikhailovsky HBI的基于無碳冶金原料的新熱壓塊工廠。新工廠建設(shè)為天然氣生產(chǎn)完全過渡到綠氫做好“過渡準(zhǔn)備”。由此減少由于日趨嚴(yán)格的減排政策導(dǎo)致資產(chǎn)擱淺的風(fēng)險。
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估計和假設(shè)必須根據(jù)情況具體分析，并且可能因進(jìn)一步的產(chǎn)品開發(fā)而發(fā)生變化。
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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，
