钢铁行业专题研究报告:中国钢企低碳之路

2022-02-18 09:24:41 江苏省企业技术改造协会 54

1 低碳炼钢,对钢企有何影响?

2020 年 9 月,我国提出二氧化碳排放力争 2030 年碳达峰、2060 年碳中和的目标。钢铁工业碳排放量约占全国碳排放总量的 15%左右,是排碳量最高的制造业行业。钢铁行业是落实减碳目标的重要主体,低碳炼钢是我国钢企必须迎接的挑战。

钢铁碳中和下,我国钢企肩负巨大的减碳压力。横向对比美国从碳达峰到减碳 25%花费 13 年时间,欧盟从碳达峰到减碳 30%花费 40年时间,如何按时完成减碳目标是对钢企 的巨大考验。

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2 低碳炼钢,哪种工艺更胜一筹?

碳达峰碳中和背景下,钢企如何完成减碳目标?众多冶炼工艺之间差异如何?又会在钢企未来绿色冶金路线中起到怎样的作用?本文通过介绍当前我国主要炼钢工艺的特点, 分析各工艺未来发展前景,以此推演出我国钢企低碳炼钢的潜在实现路径。

当下主流——高炉-转炉工艺:排碳量高,亟需替代

传统长流程炼钢的过程,本质上讲,是一个以碳为还原剂对铁的氧化物进行还原反应的过程。铁矿石依靠焦炭和煤还原成铁水,铁水中的碳是转炉炼钢过程升温及能量平衡的 保证。因此传统长流程炼钢是以碳还原、碳氧化、碳添加为主线的生产过程,二氧化碳 的排放量巨大。

一吨钢,两吨碳,高炉冶铁产生了绝大部分的碳排放。长流程炼钢的流程中,吨钢二氧 化碳排放量约为 1.8-2.4 吨,其中 94%的碳排放来自于化石燃料的燃烧。仅在高炉炼铁 这一工序,焦炭和煤的燃烧产生的碳排放就占总排放的 60%-70%。减少碳排放的工艺 多具有以下特征:1)使用清洁能源替代焦炭和煤;2)对碳产生的还原气循环利用;3) 对碳产生的温室气体分离、利用或封存。

中国高炉-转炉工艺产钢量约占总产量的 88.4%,高于 71.5%的世界平均水平;在全球 前十大钢铁生产国家中,中国短流程占比最低。如果对高炉工艺加以改进或使用更低碳 的工艺替代,或将释放巨大的减排空间。

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作为中国钢企龙头,中国宝武率先提出了碳中和目标下的冶金路线图,宝武低碳炼钢的 发展路径将对其他钢企具有示范效应。我们认为,未来高炉富氢、短流程炼钢和氢基直接还原铁等工艺或将在不同的阶段承担起钢企减碳的重任;金属化微波烧结,炉顶煤气 循环技术(TGR),CO2 的分离、储存、资源化利用技术(CCUS),以及清洁能源发电 制氢技术的发展将有助于钢企实现低碳炼钢。

从中国宝武制定的减碳目标看,2020 到 2035年仍以高炉长流程炼钢为主,通过对传统 高炉工艺加以技术改造,实现减碳目标;2035 年到 2050年将大力发展氢基竖炉,辅以 CCUS 技术的发展,最终在 2050 年达到碳中和。

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未来式——高炉富氢碳循环:以氢代碳,循环用碳

可以预见的是,目前以及未来相当长的时间内,高炉-转炉工艺都是我国钢铁冶炼的主流 工艺,而基于高炉加以改进、减少高炉冶铁过程中的碳排放量,则是我国钢企短期减碳 较合理的发展方向,其中高炉富氢工艺发展较为成熟。

高炉富氢通过在高炉中喷吹高浓度的焦炉煤气(其中富含高浓度的 H2 和 CH4),用还原 气替代传统高炉中焦炭和煤的作用;辅以炉顶煤气循环技术(TGR)和碳捕集、封存、 利用技术(CCUS),将高炉煤气中的 CO、H2 循环再利用,CO2 捕集、封存地下、或用 于工艺生产,从而减少高炉冶铁流程中的碳排放。

短期卓有成效,长期能力有限

向高炉中喷吹焦炉煤气的浓度决定了该工艺经济效益和减碳效果。浓度越高,生产效率 越高,减碳效果越好。一方面,H2 具有还原性,焦炉煤气浓度增加时,炉内还原气浓度 上升,炉料还原加速,从而提高生铁生产效率,H2 参与还原越多,对焦炭的消耗越少; 另一方面,H2 参与还原反应时,炉内需要喷吹更多的富氧进行热补偿,富氧浓度的增加 强化了回旋区碳的燃烧,有利于炉料的快速下降。

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但是,焦炉煤气浓度提高时,H2的利用率下降,对还原气利用率的提升边际递减。考虑 到焦炉煤气和富氧的成本,喷吹焦炉煤气在吨铁 50m3 时具有最高的经济效益。

尽管焦炉煤气减碳能力随着浓度得提升而增强,但是焦炉煤气对焦炭的替代作用有限: 1)从热源上看,高炉冶炼中 70%-80%的热源是碳燃烧提供,H2 还原铁是吸热反应,反 应时需要不断提供热量;2)从还原率看,H2 的密度小,在高炉中停留的时间短,相比 于焦炭对铁的还原率更低,使生产效率下降;3)从骨架作用上看,氢的密度和分子结构 决定了氢无法像碳一样在高炉中起到支撑骨架的作用,使得还原气和炉料的接触不充分。

减碳效率的边际下降也掣肘了该工艺的减排能力。根据梅钢 2 号高炉实验,喷吹焦炉煤 气的浓度为吨铁 50 m3 时,吨钢可以减少 45.7kg 焦炭的使用量;100 m3 时,减少 64.1kg 焦炭的使用量;注入焦炉煤气浓度上升时,H2 利用率下降,还原气利用率增量边际递减 也印证了这一点。从目前技术上看,高炉富氢可减少约 10%的碳排放。

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高炉富氢+碳循环+CCUS:完美互补,合力减排

发展炉顶煤气循环技术(TGR)对低碳炼铁有重要意义。从经济性看,高炉煤气由 N2、 CO、CO2、H2 组成,其中 CO 和 H2 可用于还原铁;由于冶炼过程对还原气的利用率有 限,可将未利用的还原气循环使用,降低成本、减少能耗;从环保性看,高炉煤气中的 CO2 是整个炼钢过程碳排放最主要的来源,炉顶煤气循环技术将 CO2 和还原气分离,结 合 CCUS 技术可以减少碳排放。

欧盟开发的超低 CO2 炼钢项目(ULCOS)实现了高炉富氢和 TGR 技术的结合:1)用 低温纯氧代替热风从炉缸风口吹入,去除高炉煤气中不必要的 N2;2)使用来自于焦炭和 喷吹煤中的低碳燃料;3)利用真空变压吸附技术(VPSA),将 CO2 从高炉煤气中分离, 从而实现对还原气体的循环利用+对温室气体的处置。目前这一技术已在小型高炉中实 现,据测算,高炉富氢和 TGR 技术的结合可减少约 30%的碳排放。

捕集 CO2后,通过碳捕集、利用、封存技术(CCUS)将其低成本、无害化处置以减少 碳排放是这一工艺的长期发展方向。CCUS 技术可将 CO2 用于工业材料(如水泥、甲醇 燃料)生产,或将 CO2 液化后泵入咸水层、油气层封存,从而达到减少碳排放的目的。 目前这一工艺仍在实验阶段,处置成本较高,而随着 CCUS 技术的成熟,高炉富氢碳循 环工艺将具有更大的减排潜力。

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我们预期,短期内,高炉富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放可行的方案:1)我国 钢铁生产近 90%左右基于高炉-转炉流程,高炉富氢技术基于现有的高炉设备,改造成 本较低;2)钢厂绝大部分资产是基于长流程炼钢,如果不能延续,资产保值带来压力; 3)富氢技术经过多年研发,技术比较成熟,且在海外已有应用;4)该技术具有良好的 减碳效果,高炉富氢和 TGR 技术的结合预计可减少 30%碳排放,和 CCUS 技术结合可 减少 30%-50%碳排放,能够满足国内钢厂短期减碳目标。

2030-2035 年之间,钢厂普遍有减少 30%碳排放的目标,这一目标的实现或依赖于富氢 碳循环技术在高炉上的大规模应用。因此我们预计,2030 年左右,高炉或将迎来改造 的高峰期。

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中国宝武 vs 日本制铁:龙头企业的减碳科技

作为钢铁龙头,中国宝武具有顶尖的研发实力,旗下八一钢铁在高炉富氢技术的研发在 国内处于领先地位。2020 年,八钢将 430m3 的高炉改造为富氢高炉,开始我国低碳冶 金首个工业化实验,截止 2021 年 7 月,八钢已实现了 10%-15%的碳减排。

高炉富氢项目在中国宝武的减排战略中具有重要作用,八钢预计高炉富氢碳循环技术和 CCUS 技术的结合可减少约 30%-50%的碳排放,和中国宝武 2035 年的减碳计划对应。 我们认为,类比日本钢铁龙头日本制铁,中国宝武在高炉富氢项目的研发上具备优势。

日本钢铁冶炼业和中国有很多相似之处。由于电力资源匮乏,以及二战后钢铁需求高速 增长时废钢资源的缺乏,日本钢铁冶炼也是以高炉-转炉工艺的长流程为主,产量占比约 70%,吨钢碳排放量大;2020 年,日本提出“绿色增长策略”,提出 2050 年实现零碳 排放的目标,日本钢企也面临巨大的减排压力。

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作为日本第一,世界第三的钢铁龙头企业,日本制铁在高炉富氢项目上有明显的先发优 势。日本制铁的高炉富氢项目 COURSE 50 启动于 2008 年,在全球范围内领先;2014 年-2016 年,日本制铁在 12m3的试验高炉中,实现了减碳排放 10%的目标;目前,日 本制铁正在 4000-5000m3 的高炉中进行试验,计划能在 2030 年前实现 30%减碳的目 标。

总结日本制铁在高炉富氢项目的发展,我们认为规模优势带来的雄厚的研发资金投入、 全球领先的研发能力以及先发优势使日本制铁在该项目始终保持领先。横向对比,中国 宝武同样具有强劲的研发能力、巨大的规模,以及在高炉富氢项目上的领先优势。我们 预计,类似中国宝武的钢企龙头,且在低碳冶金领域已有布局的企业,或将在钢铁碳中 和的发展中保持技术领先,率先完成减碳任务。(报告来源:未来智库)

未来式——电弧炉废钢冶炼:以短代长,变废为宝

短流程电弧炉炼钢以废钢、铁水为原料,在电弧炉中将原料加热到 3000℃以上,实现 熔炼金属、去除杂质的目的。由于省去了传统高炉-转炉中排碳量最大的高炉冶铁这一步 骤,短流程冶炼的碳排放明显低于长流程;据世界金属导报测算,100%废钢投入的短 流程炼钢吨钢 CO2 排放量约为 0.9 吨,相比长流程冶炼减碳效果显著。

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当前我国短流程炼钢的发展落后于世界平均水平,具备较大的替代空间。2021 年,我 国电弧炉钢产量仅占总体产量的 11.5%左右,低于全球 28%的平均水平。

成本一直是掣肘我国短流程冶炼的重要因素。过去十年内,由于废钢、电费等综合原因, 我国短流程冶炼的成本大多数时间高于长流程。考虑从建设电弧炉到实现量产需要一年 左右的时间,我国电炉钢产量占比与滞后一年的短流程与长流程冶炼的成本差呈现明显 的负向关系,表明成本制约了短流程冶炼产能建设。

现状:废钢供不应求,掣肘电炉发展

在传统高炉-转炉工艺中,铁矿石、焦煤的成本占铁水成本的绝大部分,而在炼钢过程中, 加入铁水和废钢的比例约为 7:1,铁矿石、焦煤等原材料价格变动决定了长流程炼钢成 本;在短流程工艺中,铁水和废钢的投入比例约为 1:4,废钢价格占短流程炼钢成本绝 大部分;除废钢外,电费和石墨电极也在成本中占一定比例。

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复盘近几年长短流程吨钢的成本变化,在上游材料普涨的大趋势下,长短流程成本交错 上行,上游材料的价格变化决定了哪一种工艺更受钢厂青睐。

2017 年受供给侧结构改革影响,华北地区大量石墨电极厂商关停,石墨电极产量减半, 价格大幅上涨,短流程炼钢的吨钢成本一度比长流程多 700 元/吨。短流程的成本劣势 一直持续到 2019 年末,阻碍了 2017-2019 年我国短流程冶炼的发展;三年来短流程产 量占比一直在 10%左右水平。

2020 年受新冠疫情影响,铁矿石、焦炭、废钢等原材料价格普涨,钢铁冶炼成本上升。 铁矿石相对更高的上涨幅度收敛了长短流程成本的差距;随着 2021 年上半年铁矿石上 涨幅度前所未有,短流程成本比长流程更低。

2021 年末,随着铁矿石价格的回落以及废钢价格持续居于高位,长短流程成本再度反 转。但由于短流程炼钢降本潜能初显、叠加低碳炼钢的政策导向,短流程炼钢对长流程 的替代已经初露端倪,2021 年电炉钢产量占总产量的 11.45%,已达到近十年内的最高 水平。

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当前我国废钢市场,需求高速增长,供给难以匹配,废钢价格持续维持高位。需求端上, 长期以来我国钢铁冶炼的废钢投入量落后全球平均水平。废钢既可以用于长流程也可用 于短流程,减碳压力之下,长流程钢厂的废钢需求更加旺盛;废钢短缺之下,短流程钢 厂的废钢投入率只有 70%,炼钢过程需加入部分铁水,没有实现全部的减碳潜力;据上 海钢联测算,2021 年我国钢厂综合废钢比约为 21.7%,远低于其他国家 48%的平均水 平;据 Mysteel 测算,我国每年的废钢缺口约为 1500 万吨;近年来我国废钢供不应求 的局面一直延续。

供给端上,当前我国废钢加工行业体系建设不完善。废钢来源较分散,社会废钢来自于 居民、个体商户、非经营性企事业单位及经营性工矿企业,使废钢回收具有难度;废钢 加工企业规模较小,不利于加工成本和质量控制,制约废钢产量增长和稳定供应。

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发展:废钢供需齐升,加速替代进程

需求:碳中和下,减排需求促进废钢需求旺盛

据中国废钢铁应用协会估计,在钢铁冶炼过程中多投入 1 吨废钢可减少 1.6 吨铁精粉、 0.35 吨标准煤的投入,减少 1.6 吨 CO2 的排放和 3 吨固体废弃物的排放。废钢应用, 关乎原料保障和绿色发展。

在碳中和背景下,我国钢铁行业协会建议 2025 年短流程炼钢占比 15%,废钢比 30%, 准入企业加工能力 2 亿吨的目标;在政策导向上,加强对废钢行业标准的规范,短流程 钢厂可以实现等量置换,给予废钢加工准入企业更多的税收优惠等。

碳中和背景下,碳税也成为钢厂评估工艺成本时需要考虑的因素。由于全废钢投入下短 流程的吨钢碳排放量比高炉-转炉工艺少约 1.2 吨,如果考虑碳排放超过配额需要付出 的排碳成本,短流程工艺或更受青睐。当前上海市碳排放配额的交易价格为 42.9 元/吨, 短流程可以节省减排成本 51.48 元/吨;而根据国际货币基金组织首席环境财政政策专 家 Ian Parry 的测算,中国实现碳中和减排承诺所需的碳价约 47 美元/吨,基于此假设, 短流程冶炼可以节省 355.32 元/吨的减排成本。

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供给:钢铁折旧周期来临,保障废钢供给稳步增长

如之前分析,成本是钢厂选择冶炼工艺的重要因素。短流程冶炼的成本很大程度受到废 钢价格的影响。我们认为钢铁折旧潮的到来以及国家对废钢加工行业的支持下,废钢的 价格中枢或将逐步下行,短流程冶炼相较于长流程在成本上将更受青睐。

废钢主要来源于社会折旧废钢、钢企废钢,工矿企业加工废钢和进口废钢,社会折旧废 钢是废钢最主要的来源;2020 年,我国社会折旧废钢回收量约为 1.5-1.6 亿吨,约占总 回收量的 60%左右。社会废钢回收量与钢铁积蓄量正相关,钢铁积蓄量越大时,可供回 收的优质废钢原料供应越多;此外,废钢供应还需要相应回收、拆解、加工、配送、应 用一体化的产业链的配套。

一般认为建筑物折旧年限约 30 年,设备折旧一般 10-15 年,综合来看,钢铁折旧年限 平均在 20-30 年。回顾美国短流程冶炼的发展历程,短流程发展的高峰期也是废钢回收 的高峰期,这一时期约在粗钢生产高峰期 20 年之后。

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二战后,美国钢铁需求旺盛。1953 年,美国粗钢产量首次突破 10 亿吨,在之后的二十 多年内,美国粗钢生产量和消费量一直维持在高水平;1973-1983 年,50 年代初生产的 粗钢陆续进入回收期,美国的废钢回收量达到高峰;美国短流程炼钢也在这一时期增速 最快,电炉钢占比从 1975 年的 20%左右上升到 1982 年的 30%。

中国自 1996 年粗钢产量突破 1 亿吨后,到 2020 年已突破 10 亿吨。2002 年左右开始, 我国钢铁生产进入快速发展期,在产量和增幅上前所未有,假设产品 20 年左右的折旧 期,这一时期生产的钢材将在 2025 年左右迎来回收高峰期,从而产生大量优质的废钢 资源,或可缓解废钢紧供给的局面,引导废钢价格中枢下行。

据《我国废钢发展前景分析》预测,未来 10 年,我国钢铁积蓄量仍将以年均 6 亿吨左 右的增速增长,预计到 2025 年,我国钢铁积蓄将近 140 亿吨左右,2030 年将达到 160 亿吨左右,雄厚的钢铁积蓄资源将有效支撑废钢产量持续增长。

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节奏:高炉替换加速,电炉周期来临

除成本外,影响短流程替代进程的另一重要因素是高炉的建设周期。我国钢铁冶炼基于 高炉-转炉冶炼,高炉、转炉建设周期长,投入成本高,钢厂资产很大比例是高炉、转炉, 在高炉、转炉使用寿命到期之前,钢厂将其提前替换的成本较高。

传统上,我国中小型高炉的设计寿命一般在 10 年左右;从经济性的角度,体积越大的 高炉寿命越长越好。我国宝钢、武钢、包钢、首钢等部分高炉的寿命已经达到了 15 年 以上,而日本制铁的部分高炉已经设计了 30 年左右的目标寿命。通过精修、自动化检 测和控制,尽量延长高炉的使用寿命,已经成为国内钢厂发展趋势。

我国钢企的投资周期,经历了 2007-2008、2010-2012、2018 至今三个投资高峰。2007 到 2008 年,在宽松货币政策下,房地产、制造业需求旺盛;2010 到 2012 年,在四万 亿财政刺激下,基建需求旺盛;2018 年至今,在减排号召下,钢厂增加了设备改造投 入、环保投入,以达到减排要求。

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前两次投资高峰都伴随着大量高炉的建设和产能的扩张,第一次投资高峰后,我国后两 年的粗钢产量大幅增长;第二次投资高峰后,我国钢企产能增速大于需求,出现了产能 过剩的情况;第三次投资高峰基于严控产能的背景,后几年的产能利用率逐渐回升。假 设高炉平均使用寿命为 15 年,那么前两次高峰建设的高炉或在 2025 年左右达到预期 使用寿命,释放巨大的替代空间。

当前,我国钢厂已经加快短流程冶炼设备的建设,根据 Mysteel 对我国钢企 2021 年产 能置换的整理,限产压力下,我国电炉钢产能不降反增,新旧产能比为 154%;而新增 高炉产能比退出高炉产能减少了 22%,新增转炉产能比退出转炉产能减少了 31%。

平均而言,电炉的产能小于高炉、转炉,新建电炉平均年产 68.46 万吨钢,小于新建转 炉年产 120.95 万吨钢和高炉的 134.75 万吨铁;由于大型设备使用寿命更长,生产成本 更低,短流程冶炼要实现更大程度的替代,需要进一步提高电炉炼钢的效率。

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空间:替代前景良好,仍存制约因素

在废钢资源量和废钢消耗量快速增长的发展趋势下,预测我国 2025、2030 年废钢产出 资源量能够和 15%、25%的电炉钢占比相匹配。废钢或更多的从长流程流向短流程,短 流程冶炼有望随着占比的提升和投入废钢比率的增加而发挥更大的减碳潜能。

本文做出预测基于以下依据或假设:

1)“碳达峰、碳中和”下,钢企严控产能大概率会持续,假设预测 2025、2030 年我国 粗钢生产量为 10 亿吨、9 亿吨。

2)根据工业和信息化部发布的《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见》(征求意见 稿)提出的“2025 年我国电炉钢产量占粗钢总产量的比例提升至 15%以上,力争达到 20%”,保守预测 2025 年我国电炉钢产量占比达到 15%,结合前文对废钢供应和高炉 折旧周期的分析,预测 2030 年电炉钢产量或大幅提升,占比达到 25%。

3)根据《指导意见》提出的 2025 年废钢比达到 30%,结合《我国废钢发展前景分析》 预测 2025、2030 年我国废钢资源产生量分别为 3.2 亿吨、4 亿吨,预测 2025、2030 年废钢比达到 30%、40%。

4)我国当前短流程废钢比为 70%,尚未完全实现短流程减碳潜力,预测在 2025、2030 年我国短流程冶炼废钢比大幅提升,达到 90%、95%。

钢铁作为制造业的基础,国家的骨骼,保证钢铁生产稳定高效的进行具有重要意义。尽 管电炉冶炼具有优异的减碳能力,但电炉工艺短期内不可能完全替代高炉在我国钢铁冶 炼中的作用。一方面,电炉冶钢受到废钢原材料和电能因素的制约;另一方面,高炉生 产的产量和质量的稳定性高于电炉:

1)长流程冶炼的原材料铁矿石具有稳定的标准、质量可控,而废钢的质量很难控制;

2)据测算,短流程冶炼 1 吨钢,需要消耗 450 度电,如果短流程占比增加 10%,钢铁 行业需要额外增加 450 亿度电的供应,在当前钢厂供电已经趋于紧张的局面下,能否稳 定的供电是一个巨大的挑战;

3)从目前置换的设备来看,新建高炉-转炉的单炉产能高于电弧炉产能,由于炼钢设备 容积越大,能耗越低,劳动生产率更高,单位炉容投资更经济,电弧炉占比进一步的提 升有待于单炉产能的提升。

未来式——氢基直接还原铁:氢能时代,拥抱未来

低碳冶炼的最终目标是零碳排放。高炉富氢碳循环工艺长期减碳能力有限,而短流程工 艺不可能完全替代长流程工艺,而同属长流程工艺的氢基直接还原铁技术具有较大的发 展潜力;全氢还原下,可实现钢铁冶炼的零碳排放。

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直接还原铁技术的原材料为铁矿石,不受废钢资源量的限制;氢是主要的还原气,电能 是主要的能量来源。反应前,氢气需要在加热装置中加热到 1000℃以上,然后在反应 竖炉中将铁矿石还原成直接还原铁(DRI),直接还原铁需在电弧炉中进一步冶炼成钢。 相比于废钢,直接还原铁化学成分稳定,有害杂质少,有利于高质量钢材的冶炼,是废 钢资源的良好替代。

根据还原气中氢气的浓度占比,可以将这一工艺分为富氢还原阶段和全氢还原阶段。富 氢还原阶段中,氢气一般是“灰氢”、“蓝氢”和“青氢”,来自于天然气、焦炉煤气、重 整气等,在制氢的过程中会产生 CO2;另外,加热氢气的电能主要来自于化石能源,制 电的过程也产生碳排放。

全氢还原阶段中,氢气是“绿氢”,全部来自于电解水;电解水的电能和加热氢气的热能 全部来自于清洁能源制电,整个冶炼流程中无碳足迹,可实现真正的零碳排放。

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富氢直接还原:受制资源,有待发展

目前的直接还原工艺可分为气基还原和煤基还原。气基还原利用裂解天然气制氢,在天 然气资源丰富国家有快速发展,如美国的 Midrex 公司、墨西哥的 HYL-SA 公司研发的 工艺是目前主流的气基还原工艺。气基直接还原工艺有较好的减碳能力,2020 年,河 钢集团和特诺恩合作,建立一座年产 60 万吨的 ENERGIRON 直接还原厂,还原气中氢 气的占比达到 70%,据估计能够实现减碳 40%-60%,将是世界上最清洁的炼铁厂。

煤基还原工艺通过“煤制气”,利用气化煤对铁矿石还原,常见的工艺有回转窑、隧道 窑、转底炉工艺。煤基还原工艺在天然气资源相对缺乏,煤资源相对丰富的国家多有应 用。比如印度作为全球直接还原铁最大生产国,工艺以煤基回转窑为主。

长期以来,我国直接还原铁产量仅几十万吨左右,和我国钢铁大国的地位极不匹配。煤 基还原工艺上,由于煤基生产具有高能耗、单炉产能低,产品的金属率低的特点,极少 被大规模钢企采用,仅因其较低的投资成本被部分小规模钢企应用。

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天然气高价格是制约我国气基直接还原铁生产的重要因素,据测算,天然气价格为 2.5 元/立方米时,天然气制氢的成本约为 12.83 元/kg1;还原一吨铁需要 340kg 焦炭或 89kg 氢气2,对应吨铁还原成本为 1142 元;当前我国焦炭价格约 3000 元/吨,还原吨铁还原 成本约 1020 元;而我国部分地区天然气的到厂价格已经达到 4 元/m3,还原吨铁还原成 本约 1645 元。天然气制氢还原铁的成本明显高于焦炭还原,而在气基还原广泛发展的 国家,如美国、墨西哥、中东地区,天然气价格仅为中国的 1/3。

在天然气长期稀缺的情况下,富氢直接还原铁在我国的生产或始终受成本制约,但这一 技术仍具有较大发展空间:1)可在我国天然气资源丰富的地区开展冶炼,这些地区天 然气价格相对较低;2)随着钢企减碳压力的增大,碳税可能持续上涨,弥补富氢直接还 原成本上的劣势;3)富氢直接还原技术是全氢直接还原技术的基础,即使成本上暂不 具优势,全氢直接还原零碳排放的巨大潜能也激励钢企投入这项技术的研发。

直接还原技术的大规模应用还需足够的电弧炉产能匹配。直接还原铁需经过电弧炉进一 步冶炼成优良钢材,电弧炉产能不足时,直接还原铁还可用于高炉替代部分焦炭,但高 炉对直接还原铁的需求有限。 如前文分析,电弧炉产能经过 2025 年高炉替代高峰后,或有明显增长;碳税价格随着 碳中和的深入进行,或逐步提高;我们预计 2030 年左右,我国将在天然气资源较丰富 的地区形成一定规模的直接还原铁产能,而直接还原-电弧炉工艺成为主要的冶炼方式 有待于全氢直接还原技术的实现。

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全氢直接还原:绿色冶金,举重若“氢”

氢的氧化产物是水,还原铁时不生成任何有害物质、无温室气体排放,全氢还原的美好 愿景激励着全球钢企正积极开展对这一技术的研究:瑞典的 HYBRIT 项目计划用可再生 电力生产氢,如顺利,可能在 2035 年实现工业化;中国宝武与中核集团、清华大学签 订核能制氢合作项目,目前进展顺利。

全氢直接还原铁的设计思路是通过电解水制氢,工艺绿色环保、生产灵活、产生的氢气 纯度高,通过光电、风电、核电等清洁能源制电,整个工艺流程无碳足迹。

全氢直接还原技术目前面临两大难点:氢冶金技术上,如何在更大容积的的竖炉中开展 全氢还原技术,实现规模化、高效率的生产有待攻克;能源上,如何降低清洁能源制电 的成本,使这一技术在成本上更具竞争力有待于能源技术的发展。

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当火电价格为 0.3 元/度时,制氢成本为 21.7-23.9 元/kg3,还原吨铁成本为 1931-2127 元,是焦炉的两倍;产生碳排放 51.5kg,还原吨铁产生碳排放 4.58 吨,是高炉炼铁的 三倍;火电制氢直接还原在成本和环保上都落后于现存的高炉工艺。 如使用光电、风电、核电可解决环保问题,但当前新能源制电的成本比火电更高,很难 应用于钢铁的大规模冶炼;且新能源发电存在发电波动大、电站位置偏远等问题,还依 赖于储电、送电技术的发展,比如锂电储能、化学储能技术、高压输电技术等。

随着能源技术的发展,清洁能源制氢的成本或将降低,根据 IRENA 和 Hydrogen Council 的预测,2050 年,制氢的成本将下降到 1 美元/kg,对应吨铁的还原成本为 560.7 元, 仅是目前焦炭还原成本的一半;由于 2050 年左右,钢企普遍有碳中和的目标,我们认 为全氢直接还原铁技术或将在 2050 年前具备技术和经济上的可行性。

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总结:钢企碳达峰,轻舟能过万重山

碳中和下,尽管钢企面临较大的减排压力,但前方减碳的路径比较清晰。短期来看,对 现有高炉进行改造将是钢企的主节奏;中期来看,短流程占比的提升和 CCUS 技术的 进步将承接起减碳的重任;长期来看,直接还原技术具有零碳炼钢的美好愿景。(报告来源:未来智库)

3 低碳炼钢,哪些受益领域的公司值得期待?

在钢铁碳中和的宏伟发展蓝图下,有哪些行业会获得机遇?哪些公司将会受益?根据上 文我们推断的低碳发展节奏,我们认为以下行业和公司值得期待。

钢铁:青山依旧,强者恒强

碳中和下,钢企面临巨大的减排压力,具有的先进研发能力、雄厚的资金实力以及先发 优势的钢企龙头,或能更快的研发出减碳工艺并投产使用,从而能够率先完成减碳目标, 进一步提升市场份额;规模较小的钢企由于缺乏技术、缺乏资金改造设备,达到减碳目 标,只能逐步退出市场,钢铁行业强者恒强的局面延续。

从目前钢企公布的投资情况看,高炉富氢、氢基还原等技术具有投资周期长、投资成本 高的特点,仅在试验高炉阶段的投资已是数亿级,后续大规模的设备改造、替换需要更 高成本的投入。

CCUS 对钢企减碳具有关键的作用,根据生态环境部的预测,2025 年,富氧燃烧(高 炉富氢环境)的碳捕集成本 300-480 元/吨,到 2030 年为 160-390 元/吨,而到 2050 年 才会降为较低的 80-130 元/吨,加上碳的运输、封存的成本,缺乏融资渠道的情况下, 小规模钢企很难承担起改造设备,应用减碳技术的成本。

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电弧炉产业:炼钢材料,需求旺盛

从 2021 年钢企产能置换中,已可看到短流程工艺对传统高炉-转炉工艺的替代之势,根 据前文对废钢社会资源量、高炉建设周期的分析,我们认为电弧炉替代的高峰约在 2025 年左右,届时,我们认为废钢加工产业和石墨电极产业或有较大增长空间。

废钢价格占短流程成本的绝大部分,当前废钢持续维持高价使短流程冶炼缺乏经济性; 随着社会废钢资源供应量的提升、减排压力下碳税的提高,预期废钢行业将呈现供需两 旺的局面。

我国废钢加工企业呈现多而杂的特点,基本上分布在城市周边,单体规模较小,生产效 率不高,地域性较强,影响废钢的稳定供应。废钢加工企业规范化,集中化将是未来的 发展趋势。2021 年 11 月,工信部公布了第九批《废钢铁加工行业准入条件》,已有 594 家企业获得了准入条件,准入企业的年加工能力达 1.3-1.4 亿吨,十四五末期计划准入 企业年加工能力达到 2 亿吨;行业逐步规范化将有利于行业集中度的提升。

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在短流程占比提升下,石墨电极或将迎来景气。石墨电极在钢铁冶炼中属易耗品,电弧 炉冶炼 1 吨钢平均消耗 3.8kg 石墨电极,假设钢铁总产量 10 亿吨,短流程冶炼占比从 10%提升到 15%,将增加 19 万吨的石墨电极需求;如提升到 20%,将增加 38 万吨需 求;以当前石墨电极加权平均价格 25775 元/吨计算,对应每年 49 亿元、98 亿元的增 长空间。

我们认为在石墨电极需求景气下,方大炭素的业绩增长值得期待:1)方大炭素是国内 石墨电极龙头,产品市占率在 20%以上,龙头优势显著;2)公司超高功率石墨电极产 品跨入世界一流行业,具有高技术壁垒;3)从新建电弧炉产能来看,电弧炉单炉产能有 提升趋势,未来市场或对高功率、超高功率石墨电极有更大需求,这些产品正是公司的 优势产品;4)公司产能、在建产能高于产量,供给富有弹性;在国家“坚决遏制两高项 目盲目发展”的政策导向下,未来石墨电极产能的扩张将会受到更严格的限制,公司提 前布局,产能受到限制较少。


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