欧洲钢铁工业要到2050年实现具有竞争力的低碳经济路线图

欧盟委员会理事会于2011年决定了到2050年实现具有竞争力的低碳经济的路线图。根据数字，欧洲工业到2050年必须将二氧化碳排放量比1990年的水平减少80%至95%。 2018年11月28日，欧盟委员会在巴黎签署联合国气候协议之际，发布了到2050年实现气候中和经济的长期战略愿景。 2019年12月，欧盟委员会发布《欧洲绿色新政》，提出到2050年实现碳中和，明确了欧洲走向气候中和循环经济的行动路线和政策框架。 欧洲理事会、欧洲议会和欧盟委员会于2021年4月21日在“三部曲”背景下宣布达成初步协议。 即在气候保护法的框架内，到2030年温室气体排放量将比1990年减少至少55%。为了实现这一目标，欧盟委员会提出了名为“Fit for 55”的一揽子气候计划。 ”，包括能源、工业、交通、建筑等领域的一系列举措。欧盟于2021年7月提出了《欧洲气候法》。

欧洲钢铁行业还必须在2050年实现温室气体中和目标，并在2030年大幅减少二氧化碳排放。这种全面脱碳对欧洲钢铁行业来说将是一个巨大的挑战。 为了实现这一目标，需要及时了解政策的边界条件，并对无二氧化碳炼钢技术提供必要的投资。

欧洲粗钢产量

近十年来，欧盟28国粗钢产量从未恢复到2008-2009年金融危机前的峰值水平，年产量稳定在160-1.7亿吨左右。 然而，2020年COVID-19疫情期间，欧盟28国粗钢产量回落至近十年来的最低水平，年产量仅为1.39亿吨。 2021年产量小幅回升，达到1.6亿吨左右。

2020 年，德国、意大利、法国、西班牙和波兰是欧盟或欧盟 28 国最大的钢铁生产国。

在欧盟内部，过去四十年来，通过氧气炼钢或高炉-氧气转炉（BF-BOF）路线进行粗钢生产占据主导地位。 2021年，这一份额占总产量的57.3%。 氧气转炉炼钢预计在短期内（即本十年）仍将是主要生产路线。 欧盟有12个国家的BF-BOF路线钢产量份额超过60%。 它们是德国、法国、奥地利、荷兰、英国、捷克共和国、比利时、斯洛伐克、瑞典、芬兰、罗马尼亚和匈牙利。

另一方面，在意大利和西班牙等国家，废钢电炉炼钢工艺（通过电弧炉EAF）是最主要的钢铁生产工艺； 具体而言，葡萄牙和卢森堡的电炉钢产量比例达到100%。

欧洲炼钢生产路线的二氧化碳排放

高炉-转炉路线，又称一体化炼钢路线，1880kg/t粗钢的二氧化碳排放量直接产生于焦化厂、烧结厂、高炉、转炉及后续铸轧工艺步骤以及利用上游工艺副产品气体在下游发电厂运行。 该路线CO2主要来自高炉。 高炉的含铁金属炉料为烧结矿、球团矿和块矿。 烧结厂在综合钢铁厂内运营，而球团矿主要在铁矿石供应商所在地生产。 在欧洲，只有塔塔钢铁公司位于荷兰艾默伊登的综合钢铁厂运营着球团厂。

在高炉中使用C或CO还原铁矿石将不可避免地产生CO2。 含CO和CO2的高炉煤气经过能量转换/利用，以及含C铁水的处理后，高炉过程中使用的C将以CO2的形式排放到大气中。 在一体化高炉转炉路线中，高炉生产1500℃的铁水，铁水通过液态炉渣，主要铁矿石脉石矿物从中分离出来。 产生的高炉矿渣主要经造粒后用于水泥生产，替代硅酸盐水泥熟料，从而大幅减少二氧化碳排放。 由于物理原因，高炉没有焦炭就无法运行。 焦炭主要起还原铁矿石和骨架的作用。 通过向高炉风口喷入煤粉，减少焦炭消耗。

高炉-转炉工艺固体燃料/还原剂能耗为15.8GJ/t粗钢，电耗为161kWh/t粗钢。 焦化厂、高炉、转炉炼钢车间的副产煤气主要用于电厂发电。 气体中的CO燃烧后氧化成CO2，与发电厂废气一起排放到大气中。 发电量约为410kWh/t粗钢。 这条路线不仅可以完全通过自产电力满足其电力需求，还可以从其工艺气体中输出电力。

在基于废料的电弧炉工艺中，只有一部分二氧化碳排放是由工艺本身产生的。 排放的二氧化碳主要来自工艺购买的电力产生的二氧化碳，因为电弧炉路线不产生可用于发电的副产气体。 电耗527kWh/t粗钢。 当CO2排放量为300g/kWh时，该工艺CO2排放量为410kg/t粗钢。 燃料能耗为0.6GJ/t粗钢。

铁矿石还原的直接还原工艺是作为高炉工艺的替代方案而开发的，以避免使用焦炭，从而避免使用焦化厂。 自20世纪70年代初以来，富氢天然气在工业直接还原技术领域被用作还原剂来还原铁矿石。 例如，竖炉工艺用于生产直接还原铁（DRI）。 在这个过程中，铁矿石中的大部分氧被脱除，从而产生DRI，但DRI是固体，仍然含有各种铁矿石脉石矿物。 这意味着不会发生液相和渣冶金。 在电弧炉中，直接还原铁通过熔炼和矿渣冶金加工成粗钢。 以天然气为还原剂，直接还原电弧炉（DR-EAF）工艺路线CO2排放量为990kg/t粗钢。 工业直接还原竖炉吹入的还原气含有60%-80%的氢气。 电弧炉装料80%DRI和20%废钢时，燃料/还原剂能耗为9.2GJ/t粗钢，电耗为740kWh/t粗钢。

2015年与1990年欧盟28国钢铁行业CO2排放对比

本研究分别计算了1990年和2015年欧盟28国钢铁行业的具体二氧化碳排放量和总排放量，前者是为了获得基准年的正确数据，后者是为了突出过去25年的二氧化碳减排量年。 。

欧洲钢铁行业CO2排放计算体系的边界已达成一致，即各工艺步骤的CO2排放作为直接排放纳入余额（范围I）。 在提供电力的一体化工艺路线中，利用副产气体能源产生的二氧化碳排放量在各个工艺步骤中得到了平衡。 以废钢和直接还原铁为原料的电弧炉路线，不产生任何用于发电的高能副产气体，外部供电产生的CO2排放作为间接排放纳入平衡表（范围二）。 为了便于比较，在某些情况下，来自采购材料（例如铁矿球团或 DRI）的二氧化碳排放量在当地被纳入平衡（范围 III）中。

价值链上产生的副产气体用于发电和供热，所产生的电力足以满足综合工厂的电力需求（假设自给自足）。 因此，CO2 平衡中不考虑这种补偿。 粒状高炉矿渣用于水泥生产，可减少二氧化碳排放。 为了避免重复计算，本研究没有对粒化高炉矿渣作为CO2补偿进行进一步的研究。

1990年至2015年的评估显示，钢铁行业二氧化碳排放总量从2.98亿吨下降到2.16亿吨，下降了28%（表1）。 同期，欧盟粗钢产量从1.97亿吨下降至2015年的1.66亿吨，降幅达16%。 吨粗钢二氧化碳排放量从1.5吨下降到1.3吨，下降14%。 2015年，电炉炼钢占炼钢总量的比重从28%提高到39%。同时，电炉炼钢外购电力CO2排放量从585gCO2/kWh下降到300gCO2/kWh。

事实上，欧洲钢铁产量的下降贡献了近一半的二氧化碳排放量绝对减少量（28%）。

到 2050 年实现二氧化碳减排目标的替代方案

欧盟钢铁行业减少二氧化碳排放的主要方案可概括为两种方法：智能碳利用（SCU）和直接碳排放避免（CDA）。

SCU 包括在传统高炉转炉路线中添加的一些措施，以在集成工艺以减少碳使用时减少二氧化碳排放。 还可能包括所谓的生产线末端技术，例如 CCS 和 CCU。 此类CDA涉及基于废钢和无CO2电力的EAF工艺路线以及基于天然气、H2CO2电力的DRI-EAF路线。

从一体化碳基高炉/转炉路线转向 DR-EAF 路线将消除对焦炭和烧结矿的需求，并将被更多的天然气、氢气和球团矿需求所取代。 这项研究的一个关键假设是欧洲钢铁行业不会发生碳泄漏。 这意味着该工艺所需的所有铁矿石球团炉料均应在欧洲境内生产并作为直接排放处理。

智能碳利用（SCU）

现有钢厂的新措施具有CO2减排效果，但如果不采用CCS和CCU就无法实现大规模的CO2减排。 目前现有高炉采取的增量措施是通过高炉风口喷入富氢气体或纯氢气和/或预热炉体下部第二喷层以替代煤粉和/或焦炭。 仅就高炉工艺而言，二氧化碳排放量就可减少高达 20%。

使用 CCS 的项目包括炉顶煤气回收或氧气高炉（此处未详细介绍）和 HIsarna 熔炼还原炼铁工艺。

铁水采用基于熔池反应器技术的 HIsarna 熔炼还原工艺，由精矿和细煤粉生产。 不需要像高炉那样的焦化厂、烧结厂、球团厂的造粒工艺。 两段炉使用旋风分离器进行精矿的预还原和熔化，并使用浴式反应器进行矿石的最终还原。 煤脱气产生的热量用于在工艺外的反应器中完成煤的热解。 该过程使用纯氧。 生产氧气所需的能量是通过回收冶炼厂的废热来提供的。 该工厂预计将产生高浓度二氧化碳废气，可直接封存。 如果不采用CCS，预计每吨热轧卷的二氧化碳排放量可减少20%，而采用CCS后，二氧化碳排放量可减少80%。 2010年，在荷兰艾默伊登建成中试装置，设计铁水生产能力为8t/h，并于2011年5月生产出第一批铁水。随后几年的高炉运行也取得了可喜的成绩。 根据首次测算结果，生产过程相关CO2排放量为1770kg/t粗钢。 HIsarna 铁水在碱氧转炉中精炼成粗钢。 2021年秋季，塔塔钢铁欧洲公司宣布将不再使用艾默伊登作为继续遵循这一流程的替代方案。

使用 CCU 的项目包括 IGARSteelanol 和 Carbon2Chem。 Steelanol利用微生物将高炉煤气中的CO和H2转化为乙醇。 通过这种方式，原本会被焚烧成CO2的C被转化为化学物质（CCU）。 Steelanol 留下的是富含 CO2 的气流，可​​直接用于 IGAR 技术，在等离子炬中转化天然气，以获得由 CO 和 H2 组成的热还原气体。

该还原性气体通过风口吹入高炉。 等离子气体处理将使用低碳电力。 由于该工艺仅依靠氧气（无热空气）进行操作，因此含碳固体废物（例如固体生物质和塑料）与热还原气体的高注入率可最大限度地降低高炉焦炭率。

蒂森克虏伯的Carbon2 Chem计划旨在利用综合钢铁厂的副产气体（如焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气）作为化工产品的原料，从而避免这些气体在发电厂燃烧生成二氧化碳时排放二氧化碳。电。 。 因此，该项目为气候保护和能源转型做出了重要贡献。 另一方面，用于生产化学产品的大量天然气不再用于生产综合钢铁厂所需的电力。 缺失的电能需要由外部来源提供，而这些外部来源必须不含二氧化碳。

Carbon2Chem 需要从绿色能源中获取更多氢气，用于生产氨和甲醇的化学过程。 由于所有碳都得到最大程度的回收或转化为化学品，因此该工艺组合还说明了如何回收碳和二氧化碳。

就SCU途径中的CCU项目IGAR/Steelanol和Carbon2 Chem而言，向大气排放的CO2可减少至600kgCO2/t粗钢以下。 但必须注意的是，C在CCU产品中仍然存在。

目前欧盟减少炼钢过程中二氧化碳排放的项目

表 4 总结了欧盟目前正在实施的钢铁生产二氧化碳减排项目。 在碳基途径SCU方面，安赛乐米塔尔的IGAR/Steelanol项目和蒂森克虏伯的Carbon2Chem项目正在开发中。 通过这些项目，二氧化碳排放量可降低至600公斤/吨粗钢以下。 必须记住，综合钢铁厂副产气体中的 C 仍保留在 CCU 化学品中。 塔塔钢铁欧洲公司的 Imsden HIsarna 工艺路线与氧气转炉相结合。 只有应用CCS，才能实现低于600kgCO2/t粗钢的排放水平。

CDA路线方面，目前有很多项目正在进行中。 安赛乐米塔尔、迪林根钢铁公司、德国汉堡、不来梅和艾森赫滕施塔特的 Salzgitter Flat Steel GmbH、杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢铁欧洲有限公司、荷兰艾默伊登的塔塔钢铁欧洲公司和奥地利的奥钢联都在开发氢基 DR-EAF 路线。 该工艺路线CO2排放量可达到339kg/t粗钢或更低。

所有这些过程成功应用的先决条件是可获得大量无二氧化碳的氢气和无二氧化碳的电能。