碳中和背景下的钢铁行业系列4---氢气炼钢能实现多少减排

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昨天和大家分享了碳中和背景下的钢铁行业系列的第三部分：钢铁行业之氢气炼钢

今天和大家分享第四部分：氢气炼钢能实现多少减排

1、目前钢铁主流工艺可分为长流程、还原铁-电弧炉短流程和废钢-电弧炉短流程 

钢铁行业的碳排放机理较为复杂，但大体可以分为三类：

一是焦炭作为生产原料，参与化学反应所产生的碳排放，如烧结、炼焦、石灰焙烧、钢铁冶炼和钢材酸洗，其中碳排放主要是炼铁工序中还原反应所产生。

二是化石能源作为燃料，燃烧所产生的碳排放，如炼钢焦炉、高炉和转炉中的燃料燃烧。

三是化石能源作为发电来源，钢铁生产中电力消耗所引起的间接碳排放。

不同的工艺路线对应的碳排放量级不一，目前世界上主要的工艺路线有三种：

①采用高炉、转炉和焦炉的长流程。

②废钢和电弧炉的短流程。

③直接还原铁（DRI）和电弧炉流程。

长流程是最常见的工艺，也是国内主流生产路线，根据Mysteel数据显示，2019年长流程路线占全球钢铁产量比例约 63%，剩余37%全球钢铁产量是通过电弧炉生产。电弧炉的原料可为废钢，也可为DRI，实际生产中一般是DRI和废钢的混合物。

由于目前我国是长流程和废钢+电弧炉的短流程为主导，直接还原炼铁工艺由于在国内应用有限，不太为人熟知，在此进行简单介绍。

直接还原炼铁工艺是以非焦煤为原料，在低于矿石熔化温度以下进行还原，获得固态金属铁的工艺，所得的产品称为直接还原铁（Direct Reduction Iron，简称DRI， 也称海绵铁）。

直接还原铁是短流程的重要原料，可以替代废钢，解决废钢资源不足的问题，一般 采用气基竖炉，还原气体主要来源于天然气。气基竖炉直接还原铁工艺主要在伊朗、 印度、俄罗斯、沙特、阿联酋等中东国家，除了印度，大部分为富气国家和地区。

2 、钢铁行业碳排放主要来自炼铁，炼铁碳排放主要来自碳还原

1）采用高炉、转炉的长流程（100%生铁，无废钢）单吨碳排放约2.05吨。

根据Alisha Giglio等在美国 《钢铁技术》于2021年3月期刊发表的《Recent Sustainability Developments in the Iron and Steel Industry》，三条工艺路线每吨热轧卷板(HRC)的二氧化碳排放量，传统的高炉和转炉的长流程路线，100%直接还原铁和100%废钢冶炼的电弧炉短流程路线。

其在计算长流程二氧化碳排放量时，对长流程的原材料、成材率、技术指标做如下假设：

基于以上假设，长流程碳排放约为2.05吨CO2/吨HRC，其中炼铁排放包含热风炉和发电厂1.45吨， 占长流程整体碳排放量的71%。

2）废钢+EAF吨钢碳排放约0.26吨。

电弧炉炼钢需要大量电力，计算出的每吨热轧带卷HRC排放量取决于电弧炉运行的地区(及其各自的电网电力排放系数)。在法国，电网电力排放因子低至 0.08kgCO2 /kWh，日本国家电网0.47kgCO2 /kWh，而在中国和印度，电网电力排放因子均大于 1.0kgCO2/kWh。Hatch采用日本国家电网0.47kgCO2/kWh的电力排放因子，则100%废钢吨钢的二氧化碳排放量为0.26吨。 

3）DRI+EAF吨钢碳排放约0.96吨。

目前气基竖炉主要是以天然气为还原剂生产DRI，同样采用日本国家电网0.47kgCO2/kWh的电力排放因子，则生产一吨HRC二氧化碳排放量约0.96吨，其中炼铁环节排放为0.49吨，电弧炉、烧结和轧钢环节碳排放分别为0.26、0.15和0.063吨。

4）典型的电炉既使用DRI，也使用部分废钢，其排放值介于100%DRI和100%废钢路线之间。

比如安塞乐米塔尔汉堡有限公司的短流程工艺装置中，DRI和废钢入料比为55%/45%，CO2总排放量为82.3 万吨/年，年产量约为100万吨小方坯，相当于吨钢的二氧化碳排放量为0.82吨。

汉堡公司的生产过程和每个步骤中CO2直接及间接排放量：

可以看出，电炉炼钢工艺，特别是使用废钢情况下，其排放明显低于传统高炉和转炉长流程工艺。这主要是由于相对于长流程，短流程可以部分或全部取消高炉、烧结、焦化这三个工序，而全部采用废钢的短流程更是在此之上又取消了炼铁环节，因此碳排放最低。

按照上述测算，长流程和100%的DRI 短流程的碳排放分别为 100%废钢碳排放的 8 倍和 4 倍。

碳中和背景下的钢铁行业系列的第四部分的内容就分享到这里，明天和大家分享第五部分的内容：氢气炼钢的减排原理

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