5月1日，寶鋼股份與沙特阿拉伯國家石油公司、沙特公共投資基金簽約，共同在沙特阿拉伯建設(shè)全球首家綠色低碳全流程厚板工廠，其中包括設(shè)計產(chǎn)能250萬噸直接還原鐵項目；2022年11月，中晉冶金公司氫基直接還原鐵工業(yè)化試驗裝置，再次實現(xiàn)了全流程順利試產(chǎn)；2022年12 月 16 日，河鋼集團張宣科技120 萬噸氫冶金示范工程一期全線貫通。寶鋼股份海外首個全流程生產(chǎn)基地為何落戶中東？全球直接還原鐵市場如何？筆者重點梳理總結(jié)了全球直接還原鐵市場，特別是中東、歐盟等重點地區(qū)及鋼鐵企業(yè)直接還原鐵項目及技術(shù)路線情況，供業(yè)內(nèi)參考。

冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院 任江濤

在碳達峰碳中和背景下，全球直接還原鐵（DRI，含HBI）產(chǎn)量持續(xù)增長，DRI+電爐短流程煉鋼工藝受到鋼鐵行業(yè)高度重視。其中，以氫氣或富氫氣體為還原氣的球團豎爐直接還原工藝尤為注目，近年來全球主要鋼鐵企業(yè)紛紛加大相關(guān)技術(shù)研發(fā)和項目投資，同時在技術(shù)路線上又略有差別。

直接還原鐵技術(shù)公司Midrex公司統(tǒng)計顯示，近年來全球直接還原鐵產(chǎn)量持續(xù)增長（圖1），2018年首次突破1億噸。2022年，世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計顯示，全球直接還原鐵產(chǎn)量為1.247億噸，同比增長4.5%，主要直接還原鐵生產(chǎn)國產(chǎn)量及增長率見圖2，其中，印度產(chǎn)量保持最高位，同比增長7.6%至4200.1萬噸；伊朗產(chǎn)量同比增長4.0%至3289.7萬噸；俄羅斯產(chǎn)量同比下降1.6%至767.0萬噸；卡塔爾、利比亞、埃及等中東和北非地區(qū)國家增長率較高。

圖1  全球直接還原鐵產(chǎn)量變化情況

圖2  2022年主要直接還原鐵生產(chǎn)國產(chǎn)量及增長率

關(guān)于直接還原鐵用原料，咨詢機構(gòu)麥肯錫相關(guān)研究顯示，直接還原鐵產(chǎn)量在未來30年內(nèi)將增加兩倍。除了高品質(zhì)的DR級球團，直接還原鐵行業(yè)對低品質(zhì)高爐級球團的需求也將大幅增加，預(yù)計2050年球團總需求量將達5.96億噸，其中高爐級球團占比將達51%（圖3）。另據(jù)淡水河谷2023年5月3日報道，公司成功測試了一種適用于直接還原路線的新型鐵礦石壓塊。在金屬化率方面，以已完成的7次測試中的一次為例，新型壓塊的金屬化率優(yōu)于球團，達到約98%，而球團的金屬化率為95%；在爆裂性能方面，以其中一次測試為例，壓塊產(chǎn)生了約7%的細小顆粒，而球團則產(chǎn)生了14%的細小顆粒。由于爆裂時出現(xiàn)的細小顆粒更少，使用壓塊更有利于透氣性，可以提高生產(chǎn)效率，減少燃料消耗。總之，隨著直接還原鐵行業(yè)的發(fā)展，其原料結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。

圖3  全球DRI用球團礦需求預(yù)測

2021年全球分地區(qū)直接還原鐵產(chǎn)量如圖4所示，其中中東和北非地區(qū)（簡稱MENA地區(qū)，本文指阿爾及利亞、巴林、埃及、伊朗、利比亞、阿曼、卡塔爾、沙特阿拉伯和阿聯(lián)酋）產(chǎn)量最高，達到5484萬噸。2021年該地區(qū)粗鋼產(chǎn)量5800左右，僅占全球產(chǎn)量19.58億噸的2.97%，但該地區(qū)直接還原鐵產(chǎn)量占全球的46%，同時該地區(qū)電爐短流程工藝粗鋼產(chǎn)量占比接近95%。MENA地區(qū)鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)特點主要與區(qū)域資源稟賦相關(guān)，當(dāng)?shù)靥烊粴鈨α控S富但優(yōu)質(zhì)煉焦煤儲量不足。

圖4  2021年分地區(qū)DRI產(chǎn)量情況

2020年以來，國外新建或在建工業(yè)規(guī)模豎爐直接還原鐵產(chǎn)能超3000萬噸（表1），主要集中在MENA及歐洲地區(qū)，生產(chǎn)能力將未來兩年將逐步釋放。同時，MENA是全球最具光伏發(fā)電潛力的地區(qū)，據(jù)IHS預(yù)測，未來新的可再生能源將改變MENA地區(qū)電力結(jié)構(gòu)，到2050年將增加83GW的風(fēng)能和334GW的太陽能，這將使風(fēng)能和太陽能的份額分別從1 %和2 %提高到9 %和24 % (圖5 )?；谪S富的天然氣資源和可再生能源，隨著氫基直接還原工藝技術(shù)的不斷發(fā)展完善，碳約束時代MENA地區(qū)氫基直接還原+電爐短流程工藝將更具全球競爭力。

表1 2020年以來國外豎爐直接還原工藝投產(chǎn)/在建工業(yè)規(guī)模項目統(tǒng)計表

圖5  MENA地區(qū)電力市場發(fā)展預(yù)測

在直接還原鐵領(lǐng)域，歐盟地區(qū)鋼鐵企業(yè)更加重視氫基直接還原項目（H-DRI）的研發(fā)和投資（表2），多個項目計劃使用天然氣作為過渡燃料，并計劃在經(jīng)濟可用的情況下逐步增加氫的用量。目前，這些項目處于不同的研發(fā)階段，采用100%可再生氫基直接還原鐵的進展最快的項目是瑞典HYBRIT，該項目于2021在其中試廠生產(chǎn)出第一批無化石燃料鋼。同時注意到，從鋼鐵制造流程角度，大部分項目DRI用于電爐煉鋼或者高爐煉鐵；部分項目探索采用DRI與礦熱爐相結(jié)合，然后與現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐設(shè)施相銜接的技術(shù)路線。

表2  歐盟地區(qū)氫基直接還原鐵項目統(tǒng)計

4.1 蒂森克虜伯鋼鐵公司

2023年3月，蒂森克虜伯鋼鐵公司宣布在杜伊斯堡設(shè)計建造一座年產(chǎn)250萬噸氫基直接還原鐵裝置，同時建設(shè)兩座創(chuàng)新型的熔煉爐以及渣處理、水處理等輔助設(shè)施，整個項目計劃于2026年底建成投產(chǎn)。項目采用Midrex Flex技術(shù)，德國北萊茵-威斯特法倫州和德國政府已表示將為項目提供資金支持。

該項目體現(xiàn)一個開創(chuàng)性的概念，即直接還原廠結(jié)合兩個創(chuàng)新的礦熱爐，實現(xiàn)年產(chǎn)250萬噸直接還原鐵能力。該工廠最初將使用重整天然氣運行，進入豎爐的還原氣將含有50%或更高比例的氫氣。未來待氫氣量足夠可用時（預(yù)計到2027年），還原設(shè)施將過渡到高達100%氫氣運行。直接還原工廠毗鄰兩座創(chuàng)新的礦熱爐，便于更加高效地將直接還原鐵送入熔化以獲得鐵水。后續(xù)處理將在蒂森克虜伯現(xiàn)有的煉鋼和軋鋼設(shè)備上進行，實現(xiàn)與現(xiàn)有鋼鐵廠相關(guān)設(shè)備設(shè)施的無縫銜接，從而保留現(xiàn)有煉鋼之后的工藝裝備并獲得有效利用，并實現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的延續(xù)。

4.2 薩爾茨吉特公司

2022年3月，薩爾茨吉特訂購一座年產(chǎn)210萬噸直接還原鐵工廠，以進一步推動實現(xiàn)SALCOS（Salzgitter Low CO2-Steelmaking）。該工廠將基于Energiron技術(shù)，項目目標(biāo)是到2033年分三個階段將現(xiàn)有聯(lián)合鋼廠轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)綠鋼。作為轉(zhuǎn)型的一部分，該公司將建造兩套直接還原設(shè)備和三座電弧爐，并將用它們相繼取代現(xiàn)有的高爐和轉(zhuǎn)爐。2022年9月，薩爾茨吉特訂購一座電弧爐，出鋼量220噸，鋼水年產(chǎn)量190萬噸。擁有高品位鐵礦石是生產(chǎn)綠色鋼鐵的先決條件，加拿大Baffinland鐵礦具有優(yōu)越的化學(xué)性質(zhì)和一流的冶金性能，2023年2月，Baffinland鐵礦公司和薩爾茨吉特簽署備忘錄，研究高品位鐵礦石在低碳鋼生產(chǎn)中的使用。

4.3 安賽樂米塔爾公司

安賽樂米塔爾公司（簡稱安米公司）直接還原鐵年產(chǎn)能約900萬噸（包括安米日鐵印度公司在內(nèi)可達1500萬噸）。使用綠氫生產(chǎn)直接還原鐵，該技術(shù)路線是安米公司創(chuàng)新的直接還原鐵煉鋼路徑核心，具有實現(xiàn)碳中性煉鋼的潛力。2021年，安米公司宣布在比利時、加拿大、法國和西班牙的業(yè)務(wù)建設(shè)額外的直接還原鐵和電弧爐項目，四個項目總投資56億美元；同年計劃在德國不萊梅廠建造一座工業(yè)規(guī)模的直接還原鐵和電弧爐煉鋼廠，并在Eisenhüttenstadt建設(shè)一個直接還原中試廠和一座電弧爐。

在德國漢堡，安米公司運營著一座DRI-EAF廠。該廠于1971年投產(chǎn)，采用Midrex技術(shù)，以天然氣為還原氣，截至目前已生產(chǎn)超過1800萬噸DRI。直接還原鐵與廢鋼一同裝入電爐，平均裝入量在45%左右。據(jù)公司2021年報道，安米公司擬將還原氣從天然氣改為氫氣，測試氫氣還原規(guī)?；a(chǎn)直接還原鐵的能力，驗證無碳直接還原鐵在電爐中的反應(yīng)。項目計劃投資1.1億歐元，德國政府承諾提供5500萬歐元的資金支持。項目目標(biāo)是到2025年實現(xiàn)技術(shù)的商業(yè)化運行，達到年產(chǎn)10萬噸。

2022年10月，安米公司完成收購奧鋼聯(lián)位于美國得克薩斯州HBI工廠80%的股份，奧鋼聯(lián)保留剩余的20%。該工廠于2016年10月投入運營，是世界上最大的同類工廠之一，年產(chǎn)200萬噸HBI。該工廠采用Midrex技術(shù)，采用天然氣，HBI產(chǎn)品中鐵含量超過91%，未來有潛力過渡到100%氫氣。2022年10月，安米公司加拿大Dofasco廠年產(chǎn)250萬噸氫基直接還原項目動工建設(shè)，項目總投資為18億加元，采用ENERGIRON ZR工藝方案，最初使用天然氣，同時可適應(yīng)氫氣。當(dāng)有足夠的、具有成本效益的綠色氫供應(yīng)時，可以過渡到使用氫氣。該廠生產(chǎn)的熱DRI球團可通過氣動運輸系統(tǒng)輸送至附近的電弧爐。

4.4 塔塔鋼鐵荷蘭公司

2022年8月，塔塔鋼鐵荷蘭公司宣布擬在Ijmuiden建設(shè)直接還原廠，推動其Heracless（Hydrogen-Era-Carbon-Less）項目。該項目基于Energiron技術(shù)，采用天然氣過渡，未來無需設(shè)備改造即可使用氫氣。該工廠設(shè)計生產(chǎn)的DRI可實現(xiàn)金屬化率96%和可變碳含量，在大量使用氫氣的情況下，碳含量大約為0.5%；在使用100%天然氣的情況下，碳含量為4.5%左右。

4.5 神戶制鋼

神戶制鋼全資子公司Midrex技術(shù)公司擁有Midrex工藝技術(shù)。

2023年4月，日本神戶制鋼協(xié)同三井物產(chǎn)與阿曼簽署備忘錄，擬在阿曼合作開發(fā)一個低碳直接還原鐵項目。項目采用Midrex工藝，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)500萬噸直接還原鐵。該項目暫以天然氣作為還原劑，未來將考慮以氫氣替代天然氣，并結(jié)合碳捕集、利用與封存技術(shù)，進一步減少二氧化碳排放。

2022年10月，神戶制鋼Midrex技術(shù)公司、Paul Wurth公司與瑞典H2綠色鋼鐵公司簽署協(xié)議，為世界上第一家商業(yè)100%氫直接還原鐵工廠提供Midrex H2技術(shù)。該工廠計劃于2025年開始運營，年產(chǎn)直接還原鐵210萬噸。神戶制鋼將投資H2綠色鋼鐵公司，并已開始與H2綠色鋼鐵公司討論未來收購綠色HBI的可能性。H2綠色鋼鐵公司成立于2021年，目標(biāo)是利用綠色氫加速鋼鐵行業(yè)的脫碳。目前，H2綠色鋼鐵公司正在瑞典北部的博登建造一座綠色鋼鐵廠。這個項目將只使用綠色電力通過電解生產(chǎn)氫氣。

4.6 日本制鐵

日本制鐵公司2022年底宣布，將擴大對鋼鐵原料和能源的投資。其中在原料業(yè)務(wù)方面，日本制鐵基本確定了鐵礦石、制氫項目和電力采購等三大重點領(lǐng)域。公司未來將對制氫和發(fā)電領(lǐng)域加大投資力度，開發(fā)氫基直接還原技術(shù)，并將重點關(guān)注低品位鐵礦石利用。根據(jù)戰(zhàn)略，公司擬在Hasaki研發(fā)中心建造一個小型爐（10噸），并于2025財年開始試驗；到2050年，解決低品位鐵礦石的利用和氫氣還原等問題。

在印度，安米日鐵印度公司擁有Midrex直接還原鐵產(chǎn)能670萬噸，日本制鐵持有該公司40%股權(quán)。

4.7 浦項公司

為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，浦項將電爐工藝作為過渡措施，確保電爐生產(chǎn)高質(zhì)量鋼材，而高品質(zhì)熱壓塊鐵（HBI）的穩(wěn)定供應(yīng)至關(guān)重要。目前，浦項積極推進在澳大利亞西澳州地區(qū)建設(shè)HBI工廠有關(guān)事宜，已于 2022年12月底獲得在西澳洲地區(qū)建設(shè)HBI工程的土地租賃許可。同時，浦項不斷加強與淡水河谷在HBI方面的合作，聯(lián)合研究HBI潛在投資區(qū)域、生產(chǎn)過程的成本和投資成本、碳減排措施等，以確保未來HBI穩(wěn)定供應(yīng)。

在未來碳中和階段，浦項將以HyREX技術(shù)為主。不同于使用高品位球團作為原料的豎爐直接還原工藝，HyREX可以直接利用鐵礦粉，在流態(tài)化還原爐中生產(chǎn)直接還原鐵，進而通過100%可再生能源利用電爐熔煉。浦項計劃于2028年在浦項廠建設(shè)年產(chǎn)100萬噸的試驗設(shè)施，以驗證HyREX技術(shù)商業(yè)化的可行性。

全球范圍，在碳達峰碳中和背景下，直接還原鐵產(chǎn)量仍將保持增產(chǎn)趨勢，而直接還原用原料消費結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化。中東和北非地區(qū)，受益于天然氣資源以及未來可再生能源發(fā)展，該地區(qū)短流程鋼鐵工業(yè)在全球市場將更具低碳競爭優(yōu)勢。歐盟地區(qū)，鋼鐵企業(yè)積極布局直接還原項目，大多采用天然氣作為過渡燃料，未來在經(jīng)濟可用的情況下將逐步增加氫的用量。

關(guān)于直接還原技術(shù)，Midrex和Energiron兩種技術(shù)相對成熟，并且對原料條件和還原氣種類均具有較強的適應(yīng)能力。關(guān)于短流程煉鋼工藝路線，以薩爾茨吉特SALCOS為例，基于高品質(zhì)球團，采取H-DRI+EAF工藝路線；而以蒂森克虜伯為典型，采用低品位球團，不斷探索H-DRI+礦熱爐+傳統(tǒng)BOF工藝路線。

關(guān)于日韓鋼鐵企業(yè)，相對于歐洲企業(yè)在直接還原項目上表現(xiàn)略顯“保守”，但基于自身優(yōu)勢和特點均有清晰的發(fā)展戰(zhàn)略。神戶制鋼作為Midrex技術(shù)持有者，是全球直接還原鐵市場的重要力量，并直接參與投資了瑞典H2綠色鋼鐵公司、阿曼500萬噸直接還原鐵項目等。浦項高度重視高品質(zhì)HBI的穩(wěn)定供應(yīng)，確保電爐作為過渡工藝階段可生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品；同時積極推動自有技術(shù)HyREX的研發(fā)，支撐公司實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。