【专家观点】国外钢企直接还原铁项目及其技术路线分析

  5月1日，宝钢股份与沙特阿拉伯国家石油公司、沙特公共互助基金签约，共同在沙特阿拉伯建设全球首家绿色低碳全流程厚板工厂，这中间还包括设计产能250万吨直接还原铁项目；2022年11月，中晋冶金公司氢基直接还原铁工业化试验装置，再次实现了全流程顺利试产；2022年12 月 16 日，河钢集团张宣科技120 万吨氢冶金示范工程一期全线贯通。宝钢股份海外首个全流程生产基地为何落户中东？全球直接还原铁市场如何？笔者重点梳理总结了全球直接还原铁市场，特别是中东、欧盟等重点地区及钢铁企业直接还原铁项目及技术路线情况，供业内参考。

  金工业信息标准研究院 任江涛在碳达峰碳中和背景下，全球直接还原铁（DRI，含HBI）产量持续增长，DRI+电炉短流程炼钢工艺受到钢铁行业格外的重视。其中，以氢气或富氢气体为还原气的球团竖炉直接还原工艺尤为注目，近年来全球主要钢铁企业纷纷加大有关技术研发和项目投资，同时在技术路线

  直接还原铁技术公司Midrex公司统计显示，近年来全球直接还原铁产量持续增长（图1），2018年首次突破1亿吨。2022年，世界钢铁协会统计显示，全球直接还原铁产量为1.247亿吨，同比增长4.5%，主要直接还原铁生产国产量及增长率见图2，其中，印度产量保持最高位，同比增长7.6%至4200.1万吨；伊朗产量同比增长4.0%至3289.7万吨；俄罗斯产量同比下降1.6%至767.0万吨；卡塔尔、利比亚、埃及等中东和北非地区国家增长率较高。

  关于直接还原铁用原料，咨询机构麦肯锡相关研究显示，直接还原铁产量在未来30年内将增加两倍。除了高品质的DR级球团，直接还原铁行业对低品质高炉级球团的需求也将大幅度的增加，预计2050年球团总需求量将达5.96亿吨，其中高炉级球团占比将达51%（图3）。另据淡水河谷2023年5月3日报道，公司成功测试了一种适用于直接还原路线的新型铁矿石压块。在金属化率方面，以已完成的7次测试中的一次为例，新型压块的金属化率优于球团，达到约98%，而球团的金属化率为95%；在爆裂性能方面，以其中一次测试为例，压块产生了约7%的细小颗粒，而球团则产生了14%的细小颗粒。由于爆裂时出现的细小颗粒更少，使用压块更加有助于透气性，能大大的提升生产效率，减少燃料消耗。总之，随着直接还原铁行业的发展，其原料结构将发生变化。

  2021年全球分地区直接还原铁产量如图4所示，其中中东和北非地区（简称MENA地区，本文指阿尔及利亚、巴林、埃及、伊朗、利比亚、阿曼、卡塔尔、沙特阿拉伯和阿联酋）产量最高，达到5484万吨。2021年该地区粗钢产量5800左右，仅占全球产量19.58亿吨的2.97%，但该地区直接还原铁产量占全球的46%，同时该地区电炉短流程工艺粗钢产量占比接近95%。MENA地区钢铁工业结构特点主要与区域资源禀赋相关，当地天然气储量丰富但优质炼焦煤储量不足。

  2020年以来，国外新建或在建工业规模竖炉直接还原铁产能超3000万吨（表1），大多分布在在MENA及欧洲地区，生产能力将未来两年将逐步释放。同时，MENA是全球最具光伏发电潜力的地区，据IHS预测，未来新的可再次生产的能源将改变MENA地区电力结构，到2050年将增加83GW的风能和334GW的太阳能，这将使风能和太阳能的份额分别从1 %和2 %提高到9 %和24 % (图5 )。基于丰富的天然气资源和可再次生产的能源，随着氢基直接还原工艺技术的持续不断的发展完善，碳约束时代MENA地区氢基直接还原+电炉短流程工艺将更具全球竞争力。

  在直接还原铁领域，欧盟地区钢铁企业更加重视氢基直接还原项目（H-DRI）的研发和投资（表2），多个项目计划使用天然气作为过渡燃料，并计划在经济可用的情况下逐步增加氢的用量。目前，这些项目处于不同的研发阶段，采用100 %可再生氢基直接还原铁的进展最快的项目是瑞典HYBRIT，该项目于2021在其中试厂生产出第一批无化石燃料钢。同时注意到，从钢铁制造流程角度，大部分项目DRI用于电炉炼钢或者高炉炼铁；部分项目探索采用DRI与矿热炉相结合，然后与现有转炉设施相衔接的技术路线 欧盟地区氢基直接还原铁项目统计

  该项目体现一个开创性的概念，即直接还原厂结合两个创新的矿热炉，实现年产250万吨直接还原铁能力。该工厂最初将使用重整天然气运行，进入竖炉的还原气将含有50%或更高比例的氢气。未来待氢气量足够可用时（预计到2027年），还原设施将过渡到高达100%氢气运行。直接还原工厂毗邻两座创新的矿热炉，便于更高效地将直接还原铁送入熔化以获得铁水。后续处理将在蒂森克虏伯现有的炼钢和轧钢设备上进行，实现与现有钢铁厂相关设备设施的无缝衔接，从而保留现有炼钢之后的工艺装备并获得有效利用，并实现现有产品结构的延续。

  安赛乐米塔尔公司（简称安米公司）直接还原铁年产能约900万吨（包括安米日铁印度公司在内可达1500万吨）。使用绿氢生产直接还原铁，该技术路线是安米公司创新的直接还原铁炼钢路径核心，具有实现碳中性炼钢的潜力。2021年，安米公司宣布在比利时、加拿大、法国和西班牙的业务建设额外的直接还原铁和电弧炉项目，四个项目总投资56亿美元；同年计划在德国不莱梅厂建造一座工业规模的直接还原铁和电弧炉炼钢厂，并在Eisenhüttenstadt建设一个直接还原中试厂和一座电弧炉。在德国汉堡，安米公司运营着一座DRI-EAF厂。该厂于1971年投产，采用Midrex技术，以天然气为还原气，截至目前已生产超过1800万吨DRI。直接还原铁与废钢一同装入电炉，平均装入量在45%左右。据公司2021年报道，安米公司拟将还原气从天然气改为氢气，测试氢气还原规模化生产直接还原铁的能力，验证无碳直接还原铁在电炉中的反应。项目计划投资1.1亿欧元，德国政府承诺提供5500万欧元的资金支持。项目目标是到2025年实现技术的商业化运行，达到年产10万吨。

  2022年10月，安米公司完成收购奥钢联位于美国得克萨斯州HBI工厂80%的股份，奥钢联保留剩余的20%。该工厂于2016年10月投入运营，是世界上最大的同类工厂之一，年产200万吨HBI。该工厂采用Midrex技术，采用天然气，HBI产品中铁含量超过91%，未来有潜力过渡到100%氢气。2022年10月，安米公司加拿大Dofasco厂年产250万吨氢基直接还原项目动工建设，项目总投资为18亿加元，采用ENERGIRON ZR工艺方案，最初使用天然气，同时可适应氢气。当有足够的、具有成本效益的绿色氢供应时，可以过渡到使用氢气。该厂生产的热DRI球团可通过气动运输系统输送至附近的电弧炉。

  2022年8月，塔塔钢铁荷兰公司宣布拟在Ijmuiden建设直接还原厂，推动其Heracless（Hydrogen-Era-Carbon-Less）项目。该项目基于Energiron技术，采用天然气过渡，未来无需设备改造就可以使用氢气。该工厂设计生产的DRI可实现金属化率96%和可变碳含量，在大量使用氢气的情况下，碳含量大约为0.5%；在使用100%天然气的情况下，碳含量为4.5%左右。

  2022年10月，神户制钢Midrex技术公司、Paul Wurth公司与瑞典H2绿色钢铁公司签署协议，为世界上第一家商业100%氢直接还原铁工厂提供Midrex H2技术。该工厂计划于2025年开始运营，年产直接还原铁210万吨。神户制钢将投资H2绿色钢铁公司，并已开始与H2绿色钢铁公司讨论未来收购绿色HBI的可能性。H2绿色钢铁公司成立于2021年，目标是利用绿色氢加速钢铁行业的脱碳。目前，H2绿色钢铁公司正在瑞典北部的博登建造一座绿色钢铁厂。这一个项目将只使用绿色电力通过电解生产氢气。

  日本制铁公司2022年底宣布，将扩大对钢铁原料和能源的投资。其中在原料业务方面，日本制铁基本确定了铁矿石、制氢项目和电力采购等三大重点领域。公司未来将对制氢和发电领域加大投资力度，开发氢基直接还原技术，并将着重关注低品位铁矿石利用。根据战略，公司拟在Hasaki研发中心建造一个小型炉（10吨），并于2025财年开始试验；到2050年，解决低品位铁矿石的利用和氢气还原等问题。

  为实现碳中和目标，浦项将电炉工艺作为过渡措施，确保电炉生产高质量钢材，而高品质热压块铁（HBI）的稳定供应至关重要。目前，浦项积极地推进在澳大利亚西澳州地区建设HBI工厂有关事宜，已于 2022年12月底获得在西澳洲地区建设HBI工程的土地租赁许可。同时，浦项慢慢地增加与淡水河谷在HBI方面的合作，联合研究HBI潜在投资区域、生产的全部过程的成本和投资所需成本、碳减排措施等，以确保未来HBI稳定供应。

  在未来碳中和阶段，浦项将以HyREX技术为主。不同于使用高品位球团作为原料的竖炉直接还原工艺，HyREX可以直接利用铁矿粉，在流态化还原炉中生产直接还原铁，进而通过100%可再次生产的能源利用电炉熔炼。浦项计划于2028年在浦项厂建设年产100万吨的试验设施，以验证HyREX技术商业化的可行性。

  全球范围，在碳达峰碳中和背景下，直接还原铁产量仍将保持增产趋势，而直接还原用原料消费结构也将发生明显的变化。中东和北非地区，受益于天然气资源以及未来可再次生产的能源发展，该地区短流程钢铁工业在全球市场将更具低碳竞争优势。欧盟地区，钢铁企业积极布局直接还原项目，大多采用天然气作为过渡燃料，未来在经济可用的情况下将逐步增加氢的用量。

  关于直接还原技术，Midrex和Energiron两种技术相对成熟，并且对原料条件和还原气种类均具有较强的适应能力。关于短流程炼钢工艺路线，以萨尔茨吉特SALCOS为例，基于高品质球团，采取H-DRI+EAF工艺路线；而以蒂森克虏伯为典型，采用低品位球团，不断探索H-DRI+矿热炉+传统BOF工艺路线。

  关于日韩钢铁企业，相对于欧洲企业在直接还原项目上表现略显“保守”，但基于自身优势和特点均有清晰的发展的策略。神户制钢作为Midrex技术持有者，是全球直接还原铁市场的重要力量，并直接参与投资了瑞典H2绿色钢铁公司、阿曼500万吨直接还原铁项目等。浦项格外的重视高品质HBI的稳定供应，确保电炉作为过渡工艺阶段可生产高质量产品；同时积极推动自有技术HyREX的研发，支撑公司实现碳中和目标。

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