在全球低碳甚至零碳轉(zhuǎn)型背景下，直接還原鐵（DRI）生產(chǎn)技術(shù)作為鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)的一種重要技術(shù)，越來越引起各國的重視。直接還原鐵技術(shù)主要通過使用天然氣或氫氣、煤基還原劑等作為還原劑，直接還原鐵礦石生產(chǎn)固態(tài)金屬鐵。直接還原鐵工藝相比傳統(tǒng)的高爐—轉(zhuǎn)爐流程，具有碳排放更低、靈活性更高和原料適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其在以氫氣作為還原劑時，幾乎可以實(shí)現(xiàn)零碳排放。
世界上直接還原鐵的生產(chǎn)始于1969年，2018年以來，隨著多座大型設(shè)備的投產(chǎn)，直接還原鐵的產(chǎn)量快速增長。據(jù)世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2023年全球直接還原鐵產(chǎn)量達(dá)13650萬噸，同比增長9.5%。其中，印度增長最快，產(chǎn)量高達(dá)4933萬噸，同比增長16.7%，占全球總產(chǎn)量的36%；其次是伊朗，產(chǎn)量為3345萬噸，同比增長1.7%，占全球總產(chǎn)量24.7%；俄羅斯產(chǎn)量為778萬噸，同比增長0.9%；沙特阿拉伯產(chǎn)量為681.2萬噸，同比增長1.5%。全球直接還原鐵產(chǎn)量增長最快的為印度和伊朗，這兩個國家的直接還原鐵產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的一半以上。
直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)
當(dāng)前直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)主要有氣基（天然氣或氫氣）直接還原煉鐵法、煤基直接還原法。
氣基直接還原煉鐵法的生產(chǎn)能力和實(shí)際產(chǎn)量占主導(dǎo)地位，例如米德萊克斯（Midrex）法、希爾（Hyl）法、Energiron法等，其中前兩種占絕對優(yōu)勢，前兩種占全球DRI產(chǎn)量的75%以上，如果采用天然氣為原料，和傳統(tǒng)高爐—轉(zhuǎn)爐煉鋼流程相比，二氧化碳排放量可降低50%～70%。氣基工藝主要應(yīng)用于中東、伊朗、俄羅斯等天然氣資源豐富的地區(qū)。例如，2023年伊朗采用Midrex工藝生產(chǎn)了3014萬噸DRI，占其總產(chǎn)量的90%。在碳中和背景下，氣基DRI搭配電爐（EAF）被視為生產(chǎn)“綠色鋼鐵”的重要路徑。
煤基工藝（煤還原）占比約為25%，該工藝以塊礦或球團(tuán)礦為原料，在高溫（950攝氏度～1100攝氏度）下還原，產(chǎn)品含碳低（0.05%～0.3%），但受限于原料高品位要求（鐵含量大于66%），主要集中在高品位鐵礦資源豐富的國家。盡管印度推動煤基DRI發(fā)展，但其高能耗和高排放問題與全球減碳趨勢存在沖突，未來可能面臨轉(zhuǎn)型壓力。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年使用Midrex工藝生產(chǎn)的直接還原鐵占據(jù)了全球直接還原鐵產(chǎn)量的57.8%，Hyl和Energiron工藝占比為14.3%，回轉(zhuǎn)窯工藝占比為27.9%。
隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，氫基直接還原技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要路徑之一，例如歐洲、中國、印度等地都有多個氫基直接還原項(xiàng)目正在規(guī)劃或建設(shè)中。
全球直接還原鐵主要項(xiàng)目
直接還原鐵的生產(chǎn)過程相對傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝更加環(huán)保，能夠有效降低能源消耗和二氧化碳排放，這就促使更多鋼鐵企業(yè)新建直接還原鐵項(xiàng)目。
美國奧鋼聯(lián)在得克薩斯州科珀斯克里斯蒂投資7.4億美元，建設(shè)了采用Midrex技術(shù)的直接還原鐵廠，2016年已建成投產(chǎn)，每年可生產(chǎn)200萬噸高質(zhì)量的熱壓塊鐵（HBI），計(jì)劃后期改為氫還原，進(jìn)一步減少二氧化碳排放。
中國寶武寶鋼股份湛江鋼鐵在2023年12月23日投產(chǎn)的年產(chǎn)100萬噸氫基豎爐，直接還原鐵金屬化率為94%，平均含鐵量達(dá)86.5%，采用全球首創(chuàng)“氫冶金電熔煉工藝（HyRESP）,是中國首套采用氫氣生產(chǎn)的最大零重整豎爐。
河鋼集團(tuán)張宣科技年產(chǎn)120萬噸的全球首例富氫氣體（焦?fàn)t煤氣）零重整豎爐直接還原氫冶金示范工程自2023年5月份順利連續(xù)生產(chǎn)綠色DRI產(chǎn)品后，2024年9月份成功應(yīng)用綠氫作為還原氣體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，直接還原鐵金屬化率超94%，驗(yàn)證了綠電—綠氫—綠鋼工藝的可行性。
安賽樂米塔爾西班牙公司正在希洪基地建造230萬噸/年的綠色氫基DRI廠（后面配套110萬噸電爐），計(jì)劃2025年投產(chǎn)。該項(xiàng)目是安賽樂米塔爾歐洲公司到2030年將二氧化碳排放量減少35%計(jì)劃的一部分。
加拿大安賽樂米塔爾在多法斯科廠投資18億加元新建的250萬噸產(chǎn)能DRI爐采用直接還原鐵—電弧爐煉鋼模式，最初將使用天然氣運(yùn)行，具備“氫冶金”能力，可在綠色氫供應(yīng)充足且成本效益可行時轉(zhuǎn)換使用。
德國安賽樂米塔爾計(jì)劃在不來梅建造1座DRI工廠，向不來梅的電弧爐及艾森許滕施塔特的2座新電弧爐供應(yīng)DRI，預(yù)計(jì)2026年開始運(yùn)營，新裝置每年將生產(chǎn)380萬噸粗鋼。
比利時安賽樂米塔爾根特投資11億歐元，建設(shè)1座年產(chǎn)250萬噸的直接還原鐵工廠和2座電弧爐，項(xiàng)目實(shí)施后將逐步淘汰現(xiàn)有A高爐，預(yù)計(jì)每年可減少300萬噸二氧化碳排放。
美國安賽樂米塔爾計(jì)劃在阿拉巴馬州卡爾弗特建設(shè)1座采用氫基直接還原鐵工藝的高端無取向電工鋼智能工廠，預(yù)計(jì)2027年投產(chǎn)，年產(chǎn)15萬噸高端無取向電工鋼，可使每噸鋼材的碳排放較傳統(tǒng)工藝降低62%。
法國安賽樂米塔爾計(jì)劃投資17億歐元用于敦刻爾克和濱海福斯工廠的低碳轉(zhuǎn)型，在敦刻爾克將建設(shè)1座年產(chǎn)250萬噸的氫直接還原鐵爐和兩座電弧爐，建成后取代目前正在運(yùn)行的2座高爐。預(yù)計(jì)該項(xiàng)目在2027年投產(chǎn)，2030年可使該公司的二氧化碳排放量減少近40%，即每年減少780萬噸。
德國薩爾茨吉特鋼鐵公司為了從傳統(tǒng)煉鋼向電爐煉鋼轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)2033年零碳排放的鋼鐵生產(chǎn)計(jì)劃，在Flachstahl工廠建造一座210萬噸/年的DRI廠，使用氫氣和天然氣作為還原劑，計(jì)劃2026年7月份投產(chǎn)。投產(chǎn)后將能大量生產(chǎn)綠色鋼材，為歐洲難減排行業(yè)的降碳起到示范作用。
德國迪林根鋼鐵公司在迪林根工廠建造一座250萬噸/年的DRI工廠和一座電弧爐，將于2027年投產(chǎn)，屆時該公司將關(guān)閉該廠的高爐和轉(zhuǎn)爐。
為了生產(chǎn)碳中和鋼材，荷蘭塔塔鋼鐵公司在艾默伊登建設(shè)DRI廠，到2030年用1套DRI設(shè)備（250萬噸/年）和1座電弧爐（300萬噸/年）取代2座焦化廠（共260萬噸/年）中的1座和7號熱風(fēng)爐（350萬噸/年）。DRI廠最初以天然氣為燃料，計(jì)劃后期將氫還原引入工藝中。
瑞典LKAB計(jì)劃在瑞典北部耶利瓦勒的HYBRIT開發(fā)項(xiàng)目中建造1座135萬噸/年的DRI示范工廠，到2030年從球團(tuán)礦供應(yīng)商轉(zhuǎn)型為海綿鐵供應(yīng)商，產(chǎn)能達(dá)到540萬噸/年的水平。該示范工廠將為瑞典鋼鐵公司（SSAB）生產(chǎn)無化石燃料鋼材提供原料。
瑞典Stegra公司（前身為H2GreenSteel）在瑞典北部博登廠區(qū)建造1座基于Midrex技術(shù)的210萬噸/年的DRI廠，用100%綠氫生產(chǎn)直接還原鐵，配備1座電解制氫廠、1座電弧爐煉鋼車間、1套CSPNexus裝置、1套冷軋?jiān)O(shè)備和1套加工綜合設(shè)施。計(jì)劃2025年投產(chǎn)，2030年從球團(tuán)礦供應(yīng)商轉(zhuǎn)型為海綿鐵供應(yīng)商，產(chǎn)能達(dá)540萬噸/年。
2023年4月份，日本神戶制鋼協(xié)同三井物產(chǎn)擬在阿曼合作開發(fā)低碳直接還原鐵項(xiàng)目，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)500萬噸，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(jìn)一步減少二氧化碳排放。
韓國浦項(xiàng)制鐵計(jì)劃在2025年第1季度動工建設(shè)氫還原（HyREX）鋼廠，預(yù)計(jì)2027年完工，屆時直接還原鐵的產(chǎn)能為每小時36噸。計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)HyREX技術(shù)商業(yè)化生產(chǎn)，2040年直接還原鐵產(chǎn)能增加至250萬噸/年，到2050年，其HyREX氫還原煉鐵技術(shù)全面應(yīng)用于生產(chǎn)。
直接還原鐵發(fā)展預(yù)測
根據(jù)國際能源署可持續(xù)發(fā)展情境中的直接還原鐵產(chǎn)量數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的直接還原鐵的產(chǎn)量將保持正增長至2040年，但其后隨著氫基直接還原鐵和帶有碳捕獲、利用和儲存（CCUS）工藝的成熟，傳統(tǒng)直接還原鐵產(chǎn)量將下降，以氫氣為還原劑的直接還原鐵產(chǎn)量可能會逐漸增加。預(yù)計(jì)2050年全球直接還原鐵總產(chǎn)量為4.11億噸，與2023年的13650萬噸相比，將增長201%，高爐鐵產(chǎn)量將從2023年的12.87億噸降至2050年的6.65億噸。
我國直接還原鐵產(chǎn)業(yè)起步較晚，因天然氣資源條件有限和高爐工藝成熟，發(fā)展相對緩慢，在“雙碳”背景下，隨著電爐煉鋼工藝的持續(xù)增加，以及市場對高品質(zhì)鋼材的需求增長，尤其在汽車制造（輕量化部件）、高端鋼材（如不銹鋼、高強(qiáng)鋼）領(lǐng)域需求顯著，預(yù)計(jì)未來5年我國直接還原鐵需求年均增速將超過10%。
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