转炉长流程炼钢工艺转向目前首选的电弧炉短流程工艺

迄今为止，钢铁行业在脱碳方面取得了重大进展，该行业已将投资从传统的高炉-转炉长流程炼钢工艺转移到目前首选的电弧炉短程炼钢工艺，实现了显着脱碳，使工厂更紧凑，更清洁，消耗更少的能源。虽然 EAF 设施主要使用废钢进行炼钢，但还必须向熔炉中添加额外的铁元素，例如直接还原铁 (DRI)、海绵铁或热压块铁 (HBI)。在电弧炉生产中，作为废钢的替代原料，DRI 是通过用 CO 或 H 2 或两者的混合物还原铁矿石来制备的。传统上，DRI 由合成气生产，合成气由天然气生产，主要由 CO 和 H2 的混合物组成。 DRI 也可以由纯氢气制备，氢气不仅是比 CO 更强的还原剂，而且还提供更好的还原反应动力学。业界普遍认为，使用纯氢生产直接还原铁可以提高产量。

减碳环保成效显着

21 世纪的炼钢工艺正在赢得环境保护之战。电弧炉炼钢为CO2减排奠定了良好的基础。目前在建的钢厂项目多为电弧炉炼钢厂。同时，对高炉或转炉新产能的投资也很少。不仅如此，这些设备也逐渐配备了清洁技术。随着钢铁行业逐渐从高炉和转炉向电弧炉演进，炼钢过程的碳排放量正在从2.25 tCO2/t 粗钢降至1.5 tCO2/t 粗钢以下，下降 30%。

钢铁行业历来以煤和焦炭作为取暖燃料，CO作为还原气作为钢铁生产的强化补剂。在炼钢过程中，每消耗一个碳原子，就会产生 1 个 CO2 分子，因此 1 吨煤或焦炭会产生近 4 吨 CO2。随着生产技术的发展，从高炉转炉到电弧炉，从2011年到2020年炼钢海绵铁价格，每生产一吨粗钢将平均排放约1.85吨CO2。

行业的这种脱碳努力已经进行了一段时间，在许多实际应用中，煤炭燃料逐渐被天然气和电力所取代。绿色炼钢的下一步是将 H2 引入混合物中。可以预见，很快钢铁行业将使用氢气进行电弧炉炼钢，这将使电弧炉进一步降低碳排放成为可能。氢基电弧炉炼钢每吨钢的二氧化碳排放量几乎为零。

在配套基础设施的支持下开发H2炼钢工艺

因此，从长远来看，绿色炼钢过程必然会使用H2作为重要物质，因为H2不仅可以产生绿色电力，还可以替代焦炭、煤炭等燃料。氢基炼钢可以显着减少碳排放。将高炉转炉改造成电弧炉可以减少约 30% 的碳排放，而与传统的高炉转炉炼钢相比炼钢海绵铁价格，氢基炼钢可以减少约 90% 的二氧化碳排放量。不过，要达到这一水平，钢铁制造商还需要以低成本大量生产绿色氢。这需要足够的绿色电力来制造 H2，然后使用绿色氢气直接还原铁矿石生产 DRI，并使用绿色氢气作为燃料来促进无碳 DRI 和废料在电弧炉中的熔化。

但是，配套基础设施尚未完全到位，仍在进行中。以瑞典HYBRIT项目为例，该项目分多个阶段启动，绿色钢铁生产中试工厂已启动。 2021年8月中旬，HYBRIT项目正式向沃尔沃汽车运送了第一批商用级绿色钢材，主要用于汽车制造。值得注意的是，德国梅赛德斯-奔驰也有意成为HYBRIT项目的第二家汽车制造商客户。随着项目的不断推进，更多的客户会选择绿色钢材。

以可行的价格获得 H2

H2 既提供热能，又替代煤炭和天然气，仅产生少量水蒸气，不会产生破坏气候的二氧化碳。在炼钢中使用 H₂ 代替焦炭和煤的好处众所周知，但 H₂ 的生产仍存在一些障碍，这对炼钢过程产生了影响。目前最大的挑战是制备足够的H₂，以环保的方式制备H₂，利用可再生能源制备H₂，根据钢材的市场价格制备H₂，吸引客户投资绿色H₂，购买绿色钢铁。目前可预见的目标是力争到 2025 年实现 H₂ 价格1.$5/kg。这一价格目标将使氢基炼钢工艺与传统化石燃料炼钢工艺相媲美。

水的电解是通过电进行的，这是迄今为止大规模电解水制氢成本的最重要决定因素。此外，降低电解槽的资本支出也很重要，尤其是降低碱性电解槽和质子交换膜（PEM）电解槽的资本支出。目前，PEM仍处于技术生命周期的早期阶段，技术创新围绕材料优化、铂族贵金属催化剂的更高效利用以及先进的部件设计展开。

目前，挪威氢能技术公司 Nel 正在挪威建造碱性电解槽，并在美国建造 PEM 电解槽。在挪威，该公司正在建设一个配备 40 兆瓦电解槽的新工厂后不久将产能大幅扩大至 500 兆瓦，随后通过后续扩建最终达到 2,000 兆瓦。在美国，该公司正在将其 PEM 系统的电解槽容量扩大到 50 兆瓦，并计划随着需求的增加而扩大。毋庸置疑，碱性电解是一项比较成熟的技术，大部分技术创新都已经消化。尽管如此，碱性电解主要在批量采购和设备简化方面降低成本。相比之下，电解槽容量技术相对较新，技术创新空间很大。

电解槽制造商经常将资本成本分析与传统的蒸汽甲烷重整进行比较，以评估扩大实施的时机。为了使这一生产过程更具竞争力，电解水的资本成本应为 500 美元/千瓦，预期目标为 300 美元/千瓦是最优的。 Nel 说，技术创新将降低 PEM 电解的资本支出。

NEL 将电解槽电池组的尺寸和容量扩大了 20 倍，从而提高了单电池组的能量容量，从而实现可靠和高效的氢气生产。该公司还致力于减少其 PEM 电解设备的资本支出，逐步用批量生产的卷对卷 MEA 取代手工制作的含 PGM 的 MEA。

运营方面的考虑会增加成本并创造机会。由于可再生能源是间歇性的，钢铁行业目前正在努力了解间歇性运营期间工厂的资本支出和运营成本。另一个无法回避的问题是 H2 存储何时会变得更具成本效益？汽车燃料、化学中间体、天然气管道等替代氢气输出将发挥什么作用？有一点是肯定的，随着未来几年，这些问题都会得到妥善解决。当钢铁行业做好充分准备，扩大制氢规模时，资本支出和运营支出都将最小化，并与供电系统紧密集成，以实现最低成本。