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直接還原鐵技術(shù)公司Midrex公司統(tǒng)計(jì)顯示，近年來(lái)全球直接還原鐵產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)（圖1），2018年首次突破1億噸。2022年，世界鋼鐵協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)顯示，全球直接還原鐵產(chǎn)量為1.247億噸，同比增長(zhǎng)4.5%，主要直接還原鐵生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)量及增長(zhǎng)率見(jiàn)圖2，其中，印度產(chǎn)量保持最高位，同比增長(zhǎng)7.6%至4200.1萬(wàn)噸；伊朗產(chǎn)量同比增長(zhǎng)4.0%至3289.7萬(wàn)噸；俄羅斯產(chǎn)量同比下降1.6%至767.0萬(wàn)噸；卡塔爾、利比亞、埃及等中東和北非地區(qū)國(guó)家增長(zhǎng)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(guó)產(chǎn)量及增長(zhǎng)率

關(guān)于直接還原鐵用原料，咨詢機(jī)構(gòu)麥肯錫相關(guān)研究顯示，直接還原鐵產(chǎn)量在未來(lái)30年內(nèi)將增加兩倍。除了高品質(zhì)的DR級(jí)球團(tuán)，直接還原鐵行業(yè)對(duì)低品質(zhì)高爐級(jí)球團(tuán)的需求也將大幅增加，預(yù)計(jì)2050年球團(tuán)總需求量將達(dá)5.96億噸，其中高爐級(jí)球團(tuán)占比將達(dá)51%（圖3）。另?yè)?jù)淡水河谷2023年5月3日?qǐng)?bào)道，公司成功測(cè)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(cè)試中的一次為例，新型壓塊的金屬化率優(yōu)于球團(tuán)，達(dá)到約98%，而球團(tuán)的金屬化率為95%；在爆裂性能方面，以其中一次測(cè)試為例，壓塊產(chǎn)生了約7%的細(xì)小顆粒，而球團(tuán)則產(chǎn)生了14%的細(xì)小顆粒。由于爆裂時(shí)出現(xiàn)的細(xì)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?？傊S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(tuán)礦需求預(yù)測(cè)

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(jiǎn)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(dá)到5484萬(wàn)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(shí)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(diǎn)主要與區(qū)域資源稟賦相關(guān)，當(dāng)?shù)靥烊粴鈨?chǔ)量豐富但優(yōu)質(zhì)煉焦煤儲(chǔ)量不足。

圖4  2021年分地區(qū)DRI產(chǎn)量情況

2020年以來(lái)，國(guó)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(wàn)噸（表1），主要集中在MENA及歐洲地區(qū)，生產(chǎn)能力將未來(lái)兩年將逐步釋放。同時(shí)，MENA是全球最具光伏發(fā)電潛力的地區(qū)，據(jù)IHS預(yù)測(cè)，未來(lái)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(yáng)能，這將使風(fēng)能和太陽(yáng)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(shí)代MENA地區(qū)氫基直接還原+電爐短流程工藝將更具全球競(jìng)爭(zhēng)力。

表1 2020年以來(lái)國(guó)外豎爐直接還原工藝投產(chǎn)/在建工業(yè)規(guī)模項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表

圖5  MENA地區(qū)電力市場(chǎng)發(fā)展預(yù)測(cè)

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(xiàng)目（H-DRI）的研發(fā)和投資（表2），多個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃使用天然氣作為過(guò)渡燃料，并計(jì)劃在經(jīng)濟(jì)可用的情況下逐步增加氫的用量。目前，這些項(xiàng)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(jìn)展最快的項(xiàng)目是瑞典HYBRIT，該項(xiàng)目于2021在其中試廠生產(chǎn)出第一批無(wú)化石燃料鋼。同時(shí)注意到，從鋼鐵制造流程角度，大部分項(xiàng)目DRI用于電爐煉鋼或者高爐煉鐵；部分項(xiàng)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(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

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(jì)建造一座年產(chǎn)250萬(wàn)噸氫基直接還原鐵裝置，同時(shí)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(gè)項(xiàng)目計(jì)劃于2026年底建成投產(chǎn)。項(xiàng)目采用Midrex Flex技術(shù)，德國(guó)北萊茵-威斯特法倫州和德國(guó)政府已表示將為項(xiàng)目提供資金支持。

該項(xiàng)目體現(xiàn)一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的概念，即直接還原廠結(jié)合兩個(gè)創(chuàng)新的礦熱爐，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)250萬(wàn)噸直接還原鐵能力。該工廠最初將使用重整天然氣運(yùn)行，進(jìn)入豎爐的還原氣將含有50%或更高比例的氫氣。未來(lái)待氫氣量足夠可用時(shí)（預(yù)計(jì)到2027年），還原設(shè)施將過(guò)渡到高達(dá)100%氫氣運(yùn)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(jìn)行，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有鋼鐵廠相關(guān)設(shè)備設(shè)施的無(wú)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(shí)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(gòu)一座年產(chǎn)210萬(wàn)噸直接還原鐵工廠，以進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)現(xiàn)SALCOS（Salzgitter Low CO2-Steelmaking）。該工廠將基于Energiron技術(shù)，項(xiàng)目目標(biāo)是到2033年分三個(gè)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(gòu)一座電弧爐，出鋼量220噸，鋼水年產(chǎn)量190萬(wàn)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(lè)米塔爾公司

安賽樂(lè)米塔爾公司（簡(jiǎn)稱安米公司）直接還原鐵年產(chǎn)能約900萬(wàn)噸（包括安米日鐵印度公司在內(nèi)可達(dá)1500萬(wàn)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(shí)現(xiàn)碳中性煉鋼的潛力。2021年，安米公司宣布在比利時(shí)、加拿大、法國(guó)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(xiàng)目，四個(gè)項(xiàng)目總投資56億美元；同年計(jì)劃在德國(guó)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(gè)直接還原中試廠和一座電弧爐。

在德國(guó)漢堡，安米公司運(yùn)營(yíng)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(guò)1800萬(wàn)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(bào)道，安米公司擬將還原氣從天然氣改為氫氣，測(cè)試氫氣還原規(guī)?；a(chǎn)直接還原鐵的能力，驗(yàn)證無(wú)碳直接還原鐵在電爐中的反應(yīng)。項(xiàng)目計(jì)劃投資1.1億歐元，德國(guó)政府承諾提供5500萬(wàn)歐元的資金支持。項(xiàng)目目標(biāo)是到2025年實(shí)現(xiàn)技術(shù)的商業(yè)化運(yùn)行，達(dá)到年產(chǎn)10萬(wàn)噸。

2022年10月，安米公司完成收購(gòu)?qiáng)W鋼聯(lián)位于美國(guó)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(yùn)營(yíng)，是世界上最大的同類工廠之一，年產(chǎn)200萬(wàn)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(guò)91%，未來(lái)有潛力過(guò)渡到100%氫氣。2022年10月，安米公司加拿大Dofasco廠年產(chǎn)250萬(wàn)噸氫基直接還原項(xiàng)目動(dòng)工建設(shè)，項(xiàng)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(shí)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(shí)，可以過(guò)渡到使用氫氣。該廠生產(chǎn)的熱DRI球團(tuán)可通過(guò)氣動(dòng)運(yùn)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(dòng)其Heracless（Hydrogen-Era-Carbon-Less）項(xiàng)目。該項(xiàng)目基于Energiron技術(shù)，采用天然氣過(guò)渡，未來(lái)無(wú)需設(shè)備改造即可使用氫氣。該工廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DRI可實(shí)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(kāi)發(fā)一個(gè)低碳直接還原鐵項(xiàng)目。項(xiàng)目采用Midrex工藝，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)500萬(wàn)噸直接還原鐵。該項(xiàng)目暫以天然氣作為還原劑，未來(lái)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(jìn)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(jì)劃于2025年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，年產(chǎn)直接還原鐵210萬(wàn)噸。神戶制鋼將投資H2綠色鋼鐵公司，并已開(kāi)始與H2綠色鋼鐵公司討論未來(lái)收購(gòu)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(gè)項(xiàng)目將只使用綠色電力通過(guò)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(kuò)大對(duì)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(xiàng)目和電力采購(gòu)等三大重點(diǎn)領(lǐng)域。公司未來(lái)將對(duì)制氫和發(fā)電領(lǐng)域加大投資力度，開(kāi)發(fā)氫基直接還原技術(shù)，并將重點(diǎn)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(gè)小型爐（10噸），并于2025財(cái)年開(kāi)始試驗(yàn)；到2050年，解決低品位鐵礦石的利用和氫氣還原等問(wèn)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(wàn)噸，日本制鐵持有該公司40%股權(quán)。

4.7 浦項(xiàng)公司

為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，浦項(xiàng)將電爐工藝作為過(guò)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(xiàng)積極推進(jìn)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(shí)，浦項(xiàng)不斷加強(qiáng)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(guò)程的成本和投資成本、碳減排措施等，以確保未來(lái)HBI穩(wěn)定供應(yīng)。

在未來(lái)碳中和階段，浦項(xiàng)將以HyREX技術(shù)為主。不同于使用高品位球團(tuán)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(jìn)而通過(guò)100%可再生能源利用電爐熔煉。浦項(xiàng)計(jì)劃于2028年在浦項(xiàng)廠建設(shè)年產(chǎn)100萬(wàn)噸的試驗(yàn)設(shè)施，以驗(yàn)證HyREX技術(shù)商業(yè)化的可行性。

全球范圍，在碳達(dá)峰碳中和背景下，直接還原鐵產(chǎn)量仍將保持增產(chǎn)趨勢(shì)，而直接還原用原料消費(fèi)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(lái)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(chǎng)將更具低碳競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。歐盟地區(qū)，鋼鐵企業(yè)積極布局直接還原項(xiàng)目，大多采用天然氣作為過(guò)渡燃料，未來(lái)在經(jīng)濟(jì)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(duì)成熟，并且對(duì)原料條件和還原氣種類均具有較強(qiáng)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(tuán)，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(tuán)，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(duì)于歐洲企業(yè)在直接還原項(xiàng)目上表現(xiàn)略顯“保守”，但基于自身優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)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(chǎng)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(wàn)噸直接還原鐵項(xiàng)目等。浦項(xiàng)高度重視高品質(zhì)HBI的穩(wěn)定供應(yīng)，確保電爐作為過(guò)渡工藝階段可生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品；同時(shí)積極推動(dòng)自有技術(shù)HyREX的研發(fā)，支撐公司實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。