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利益与风险并存 全球炼钢工艺脱碳战略探讨
发表于:2022-9-14 13:47:40  

惠誉评级近日发布的报告《炼钢脱碳战略》指出,全球炼钢工艺的脱碳战略将为钢铁行业带来长期利益,但风险也与之相随。目前全球大多数钢铁生产商的目标是生产低碳钢材,此举将有利于这些公司的长期竞争力。不过,由于技术、监管框架和资金的不确定性,脱碳战略可能会出现执行风险。

炼钢工艺碳排放对比

钢铁行业二氧化碳排放量约占全球排放总量的7%。钢铁生产属高度碳密集型,因为采用冶金煤还原铁矿石,并且大部分生产设施所用电力来自燃煤发电。

钢材是完全可回收材料,但由于废钢供应有限,难以充分满足钢铁生产的需求,加之废钢的杂质含量高,会对初级炼钢工序产生不良影响。

目前钢材采用两条主要工艺路线生产,最常用的是高炉-转炉(BF-BOF)长流程工艺,利用铁水炼钢,并使用冶金煤作为还原剂。高炉-转炉工艺吨钢二氧化碳排放量平均为1.8-2.8吨。另外一条路线是电炉短流程工艺,利用废钢或直接还原铁(DRI)炼钢,吨钢二氧化碳排放量为0.2-1.5吨,电炉工艺更容易实现脱碳。在全球范围内,上述两大工艺流程的吨钢二氧化碳排放量平均为1.85吨。

炼钢工艺的区域性差别

目前,高炉-转炉长流程占全球粗钢总产量的70%左右,其余30%主要通过电炉生产。

在欧洲(不包括土耳其),电炉与转炉钢的产量比例相对均衡。不过,土耳其转炉钢产量只占到三分之一。当前欧盟钢铁企业正计划向DRI-电炉工艺路线转型,取代现有的高炉-转炉工艺。

在北美,由于废钢和能源资源储备丰富,电炉短流程工艺一直占据主导地位。从长远来看,钢铁企业的投资计划将进一步提高DRI-电炉工艺的比重。

长期以来,中国严重依赖高炉-转炉长流程工艺,在过去15年里,已经新增了5亿吨以上的产能。预计中国钢铁生产商的排放量将在2025年达到峰值,随即下降。在印度,长流程工艺占粗钢总产量的一半左右,设备平均使用期不足20年。目前,中印两国已经相继提出了碳中和目标,其中,中国承诺到2060年前实现碳中和,印度承诺到2070年实现碳中和。由此可见,亚洲地区向碳中和炼钢转型可能需要更长时间,这主要归因于新增电炉产能有限、对煤炭的高度依赖以及废钢利用率的限制。

炼钢脱碳路径

要想真正实现碳中和炼钢,需要在技术上进行重大变革。目前有两大主要脱碳路径:一是更多地使用DRI-电炉工艺,二是采用碳捕集和封存(CCS)技术,见图1。

电炉炼钢的二氧化碳排放量在很大程度上取决于为炉体供电的电源和炼钢过程使用的还原剂。无化石的电炉将取决于可再生能源,如果可行,将大力采用氢气进行还原。

采用联合国负责任投资原则(UNPRI)的预测政策情景作为气候的基线情景,对不同工艺路线进行评分。假定传统高炉-转炉工艺将被氢气还原DRI-电炉工艺所取代,这一全新的工艺路线将会在2030年后缓慢扩张,同时带有CCS的高炉-转炉工艺也将受到一定程度的限制。

目前,业界正在为高炉-转炉工艺开发各种替代性的减排途径,主要包括熔融氧化物电解、铁矿石精矿的闪速冶炼和生物质的使用。此外,在向氢基DRI转型期间,一些欧洲生产商计划在高炉-转炉工艺中使用氢气作为辅助还原剂。通过使用优质原料(铁矿石球团)、粉煤喷吹或天然气喷吹、更高的废钢比以及提高能源效率等途径,也可以减少高达30%的二氧化碳排放。

钢企的脱碳策略

大多数钢铁生产商的目标是到2050年实现碳中和,详见表1。不过,企业中期目标和战略的推进取决于其设备的组成、当前排放水平、运营地区、监管框架和脱碳激励措施等。

瑞典钢铁公司(SSAB)计划在2030年左右达到碳中和。该公司计划利用瑞典国内广泛使用的无化石电力取代煤炭,并在电炉中使用氢气还原,从而真正取代现有的高炉-转炉工艺,进而消除钢铁价值链中的排放。2021年,SSAB从其中试项目中交付了第一批无化石钢材,其商业化的示范工厂预计在2025年前准备就绪。

安米和塔塔钢铁欧洲公司的目标与欧盟委员会排放政策“Fitfor55”基本一致:2030年前欧洲地区减排30%,到2050年实现碳中和。蒂森克虏伯预计未来五年内实现碳中和。从长远来看,这些企业将主要利用氢基DRI-电炉工艺生产碳中和钢材。

土耳其埃雷利钢铁公司(Erdemir)正在考虑选择不同的方案,但尚未对外公布其脱碳计划。由于土耳其国内排放监管尚不严格,该公司更专注于国内市场动向。

在美国,钢铁生产商在能源转型上的优势更为明显,这是因为该国企业主要采用废钢或DRI-电炉工艺生产,因而已经实现了低排放。美国钢铁公司和克利夫兰-克利夫斯公司主要采用高炉工艺,而纽柯则更专注于采用电炉生产。美国钢铁企业的临时减排目标是通过CCS进一步提高效率,以及更多使用DRI和无碳能源。

盖尔道钢铁公司在巴西和美国的钢铁业务都是以电炉工艺路线为主,与全球同行相比,其排放量低于平均水平。巴西国家黑色冶金公司(CSN)拥有包括采矿和水泥生产在内的综合业务,计划通过其价值链中的协同效应减少排放。DRI-电炉工艺需要高品质的铁矿石,因此,还需要对原料端进行优化控制。CSN计划通过利用氢气还原冶炼,在2044年前实现碳中和。

中国宝武宣布,相比2020年,2035年减排30%,到2050年力争实现碳中和。该公司专注于富氢碳循环高炉,扩大废钢、CCS和其他路线的有效应用。河钢集团计划在2050年实现碳中和。

印度钢铁生产商也致力于向可再生能源转型,将氢气作为脱碳的手段。在韩国,浦项控股计划到2030年减排10%,到2040年减排50%,2050年实现碳中和。为此,该公司计划将氢还原的碳中和技术应用于电炉和流化床还原炉。

高额且不确定的转型成本

考虑到技术路径、巨大的潜在成本,以及无碳炼钢工艺路线所需投资,炼钢工艺领域仍存在诸多不确定性。尽管已经有相当一部分项目正处于中试阶段,但氢气和CCS技术的使用还涉及风险和不确定性。

可以预计,为了实现绿色转型,钢铁生产商将需要政府层面的直接投资和监管框架的调整。这是因为钢铁行业是周期性的,企业的现金流在经济周期中会有很大波动。

欧洲钢铁协会(Eurofer)估计,如果欧盟境内的55个低碳项目全部开工,2030年前将消除高达三分之一的直接和间接排放,同时也需要310亿欧元资本支出。

安赛乐米塔尔宣布,为了实现其2030年的全球排放削减25%的目标,需要投资100亿美元,其中35%的资本支出将在2025年完成部署,而剩余部分将在十年内完成。该公司预计,政府将承担其中一半的资本成本,其中涵盖了法国的17亿欧元脱碳项目,以及加拿大18亿加元的项目计划。在欧盟,低碳项目的部分资金将来自于欧盟创新基金,该基金则是来自欧盟碳排放权交易体系(EU-ETS)框架下的资金支持。到2030年,该基金预计将投入高达100亿欧元。

据国际能源署估计,绿色钢材的额外生产成本在10%-50%之间,这一成本增加可能会严重削减生产商的利润率。不过,受益于持续的运营改进,预计成本将持续下降。此外,向新设备转型将会降低维护成本。由此推测,绿色钢材的定价也将高于普通碳钢产品,从而缓解成本压力。

高能源价格有利于转型

能源价格的飙升将支持脱碳方案的可行性,并在可行的情况下加速向低碳生产转型。研究机构估计,目前较高的能源价格意味着全球碳价格约为70美元/吨二氧化碳。碳价水平是推动向低碳生产转型的因素之一。

相关数据显示,与化石燃料相比,低碳技术成本具有竞争力的碳价将分别为:基于CCS技术的为152欧元/吨二氧化碳;从高炉-转炉工艺向氢还原工艺转型的为213欧元/吨二氧化碳。

不过,在目前能源价格偏高的环境下,使用氢基DRI生产可以降本150欧元/吨二氧化碳。

企业财务状况将承压

向碳中和炼钢的转型可能会对企业财务状况带来挑战。业务全面转型所需的大量投资(特别是在高炉-转炉工艺路线的情况下)可能会对财务杠杆产生长期压力,这取决于资金结构。不过,拥有更高灵活性的、杠杆保守的钢铁生产商更有能力承担这些额外成本。鉴于美国钢铁企业的生产高度依赖于废钢或基于DRI的电炉工艺,其优势更为明显。

今后,碳成本上升或全球碳成本的引入,以及高能耗成本将增加脱碳的需求。因此,为了巩固企业长期竞争力,在长期成本曲线上实现更可持续发展,向可再生能源和低碳转型也将是必要条件。

随着2026年欧盟开始引入碳边境调节机制(CBAM),欧洲钢铁生产商可能会面临来自逐步取消免费配额的巨大压力。与此同时,欧洲地区的能源成本预计将持续处于较高水平。

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