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五矿期货微服务_小讲堂:碳中和背景下电炉替代的研究

由李昂发表于2021-07-16 07:43:06

黑色分析师

李 昂

从业资格号:F3085542



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短流程&长流程炼钢的可替代性研究

长流程炼钢以矿石、焦炭等炉料作为主要原材料,工序可分为高炉炼铁、转炉炼钢以及其后的连铸、轧制等环节。短流程炼钢则是以废钢作为主要原材料,工序为电炉炼钢以及其后的连铸、轧制等环节。所以本质上讲,电炉在长流程中应对标转炉。但因长短流程最终输出的产品均为钢材,所以本文的主旨是对比长、短流程炼钢之间的差异,而非电炉、转炉之间的差异。


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电炉简介

虽然电炉种类繁复,根据加热原理可以分为电弧炉、感应电炉、电渣炉等;但目前全球超过90%的电炉钢是由电弧炉生产的,所以本文将以电弧炉作为比照重点。


电弧炉根据其炉衬碱度可分为碱性炉和酸性炉。碱性炉在造渣工序中使用的碱性材料可以有效去除钢中的硫、磷等有害物质,所以得到了更加广泛的应用—-以钢锭和连铸坯为产品的电炉钢厂普遍使用碱性电弧炉。而酸性电弧炉所产生的酸性炉渣阻止气体穿透的能力强于碱性渣,使钢液升温更快,因此异型铸造车间多数使用酸性电弧炉。


电弧炉根据电能以及电极的不同可以分为三相交流电弧炉、直流电弧炉以及真空自耗电弧炉等。虽然直流炉及自耗炉等均存在自身优势,但因技术限制,我国目前普及最广的是三相交流电弧炉。


综上,本文中的电炉参数将以三相交流碱性电弧炉当作基准。


三相交流碱性电弧炉以三相交流电为能源,利用电流通过石墨电极以及金属原料之间产生电弧的高热,来加热、熔化炉料,其特点是:1)温度高且控温简单,热效率高于转炉;2)可以制造还原性气氛,利于褪硫、磷等有害物质;3)固定投资较少[仅为传统长流程炼钢所需的50%左右];4)产能弹性大,复产周期短;5)促进环保,消化废钢。


电弧炉的缺点也很突出:1)耗电量大[单位产成品能耗约350-400kwh/吨];2)成品钢中氢、氮元素含量偏高;3)碳质电极可能使钢液增碳,低碳钢冶炼困难;4)生产率低于转炉[因电炉需要间歇式生产,而转炉不用]。


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产品比较

炼钢的主要目的是通过高温、氧化等手段减少铁水中的碳含量:当碳含量低于2.11%时,铁水冷却后产成的碳铁合金则为钢。电弧炉原料的选择范围广阔,其主要原材料是废钢,此外可配加合金料以及调整碳含量用的生铁等,也可选择使用直接还原铁或配一部分热铁水。总体而言,除去一些超低碳品种钢,或者必须采用诸如真空处理等特殊手段的品种、特殊合金材料之外,电弧炉可以冶炼几乎大部分钢种。


但同转炉相比,电炉炼钢所产出的钢材内金属元素残留量较高。因此对于大部分需要严格控制钢材内的残留金属含量以达到性能标准的扁平材来说,转炉生产流程较电弧炉具备相对优势。反而长、棒类品种对残留金属含量的限制范围相对宽泛,要求止于不损害产品性能。这便导致在炼制普钢产品时,电炉钢长材的产量要高于板卷类产品[螺纹钢、盘螺以及管材加总约占电炉钢产量的60%,板材类仅占15%左右]。


而在特殊情况下,某些钢种要求含有一定量的易氧化元素。而转炉在喷入氧气[去碳]的过程中会导致这些元素同时被氧化,此时电弧炉相对转炉具备相对优势。所以电炉也常被用来冶炼特种合金钢。


需要注意的是,目前随着炉外精炼[二次精炼]技术的进步,转炉品种钢的生产能力逐渐增强,导致电炉炼钢在特钢领域的市场竞争力持续下降—-国内轴承钢、齿轮钢以及不锈钢等传统特钢产品已基本以转炉钢为主,电炉品种钢的生产优势已被压缩到有限的高合金钢成产领域。氧气转炉炼钢配以RH二次精炼的工序生产优势明显,有着高效的生产速率以及不错的纯净度,主要适用于低碳/超低碳、低残余元素的钢种,尤其是批量大,合金含量低的钢种。


综合而言,电炉与转炉在多个领域同时存在各自的相对优势与可相互替代性,而转炉因生产率较高所以得到了更加广泛的应用。


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原材料的制约

长流程炼钢的炉料来源受制于铁矿石与炼焦煤的进口。但是经过接近20年的磨合,中国钢厂与海外原材料供应商之间已经形成了成熟的交易回路。虽然炉料的供应量依然会受到特殊事件、地缘政治以及季风等外在因素的影响,高炉炉料供应已基本稳定,并能满足国内大部分钢厂的需求。


短流程炼钢同样受制于原材料。电炉可以使用废钢、直接还原铁或铁水作为主要炉料。然而热铁水可同时作为高炉与电炉的主要炉料。更甚,假如使用铁水作为主要炉料,转炉实际上在节能方面相对电炉存在优势:电炉以电力作为主要能源,转炉则依赖炉体本身以及材料温度。因为在炉料中加入过多的热铁水将使得电炉本身的环保优势缩减,所以这里不赘述。

 

废钢


目前电炉广泛使用的废钢根据其来源可大致分为两种。其中普通废钢(社会废钢)来源广泛,产量较高,成分和规格复杂,是电炉炉料的主要来源。而返回废钢多来自钢铁厂的冶炼和加工车间,成分以及规格可控性高,但产量较少。


电炉对其炉料废钢的质量控制大致集中于以下几点要求:表面清洁少锈;不含有铜、铅、锌、锡、锑、砷等有色金属;不混有爆炸物、易燃物、封闭器皿以及有毒物质;明确的化学成分[目前废钢供应所面临的主要难点]以及合适的块度和外形尺寸。


废钢资源目前相对紧缺,尤其与中国钢材产量对比体量较小。根据中国废钢铁应用协会测算,2020年全国废钢铁资源产生总量约为2.5亿吨,其中返回废钢0.5亿吨,社会废钢2亿吨。2020年全国废钢消费量约2.3亿吨。从总量上看,2020年全年粗钢总产量10.5亿吨,其中电炉钢产量0.96亿吨,占比约9.14%。而电炉钢产量与废钢消费量差异接近一倍,是因为并非所有废钢都被用于短流程炼钢,转炉炉料中同样会添加10-20%的废钢作为冷却剂使用。我国历年废钢进口数量较少,过去5年年均废钢进口量不超过300万吨,因此影响较小。虽然目前已经有文件落地针对废钢开放进口,但进展缓慢,预期短期内对废钢供应量不构成冲击。总体而言,我国保有的废钢资源距离能够完全覆盖国内的炼钢需求仍然有很大距离。不过这也意味着废钢产量增加的边际效益较高。在碳中和背景导致长流程炼钢新增产能受限的情况下,假如电炉产能足够,废钢供应量增加一倍可使电炉钢产量增加约三倍以上。换句话说,将电炉钢/粗钢产量占将比从目前的10%提升至30%左右。


社会废钢的供应存在周期性。因为废钢的主要来源是达到使用年限后报废的设备、构件、车辆、钢轨、船舶等中的钢铁成分。因此只有经历过大工业化,粗钢产量已经达到较高水平,才能够形成大规模的钢铁积累量,从而提高废钢的存量以及产量。而废钢的产量周期可以通过两方面测算:宏观模型或是汽车销量[废旧汽车拆解是废钢的重要来源之一]。


对于社会废钢产量目前存在三种数学模型:


1)0.35×20年前的钢产量[翁宇庆,2006,《钢铁生产的发展与废钢应用的前景》];


2)0.32×15年前钢产量+0.6×50年前钢产量[翁宇庆,2006,《钢铁生产的发展与废钢应用的前景》];


3)当年钢铁积蓄量的2%-2.5%[废钢协会]。


模型1与模型2本质上是线性模型,因此实际在预期废钢产量增速将会等于15-20年前中国粗钢产量增速[不考虑50年前因为因子过小,不存在显著影响]。


图1:废钢产量估算


换句话说,2000-2005年间所产的粗钢将有30%左右在最近几年面临折旧。线性比照,则预期近几年的废钢产量将会出现20%左右的年复合增加率(图2)。


图2:粗钢产量增速:同比


模型3相对简单,不过目前对于钢铁积蓄量并不存在统一的统计数据,只能大致估算在2020年末我国钢铁积蓄量约为100-110亿吨之间。对应的社会废钢产量则为2-2.2亿吨/年。


汽车销量模型属于部分样本模型,无法覆盖废钢供应总量。不过废旧汽车拆解作为废钢的主要出产源之一,使得汽车销量依然存在显著前瞻性。汽车的平均报废期约为7-10年左右,而汽车平均钢耗在1.5吨/辆左右,考虑2009年与2010年均为汽车销售大年[年同比增长率分别为45.5%以及32.4%],两年间共销售汽车约3100万辆。假设汽车钢材回收率在90%左右,则代表了在2020年左右出现接近4200万吨的废钢供应增量。


2009年与2010年汽车销量曾出现过“上台阶式”增长[2年时间汽车年销售量接近翻倍],其后则维持10%左右的正增长率直至2017年(图3)。因此可以预期废旧汽车拆解将带来每年2000万吨左右的废钢供应,并维持到至少2030年左右[届时2020年销售的汽车将逐步进入报废拆解阶段]。


图3:汽车销量:同比


除供应不足外,废钢还面临质量良莠不齐、价格难以统一等难题。因社会废钢的主要供应商基本以“回收站”“加工厂”为单位,分散性强、区域广,目前国内废钢市场不存在具备主导地位的大型贸易商或供应商。这导致质量难以把控的同时,废钢的定价区域性特征明显。


总的来说,目前中国还未进入废钢周期,所以废钢的产量暂时未呈现出周期波动。最主要的原因之一可能是中国自改革开放以来一直处于高速发展阶段中,所以粗钢产量的上限依然在不停被刷新。此外,废钢的实际产量也难以被预测,主要因为“折旧”与企业经营状况息息相关[并非账面寿命使用结束后设备、用品等便必须直接报废,而是可以酌情延长使用或提前报废]。因此预测难以准确。


但是与废钢相关,有两点确定性较高的趋势:


1)中国的废钢产量最少在未来的5-10年内会逐年提高,而近几年可能出现跳跃式增长。废钢供应量在未来逐年增加的主要根据来自于过去20年间中国不间断上涨的粗钢产量;而跳跃式增长的出现则来自于2008年“四万亿”财政救市所导致的流动性溢出带来的各部门消费增速的上扬[当时销售的大部分中长期耐用消费品即将到达折旧年限]。


2)中国终将进入钢铁的存量时代,时间长度不确定但“碳中和”可能是一个契机。下游行业对钢铁的需求会随着城镇化放缓逐渐减少,传导至上游的结果则是粗钢产量长期见顶[目前还未发生]。另一个伴生的现象则是废钢使用率的增加[最终实现炼钢原料的自给自足]。而2030碳中和以及相应的节能减排、限产、淘汰落后产能等一系列举措,可能会成为粗钢产量见顶以及电炉钢/粗钢占比提升的导火索。


直接还原铁


除废钢外,电弧炉的另一种固态炉料是直接还原铁(海绵铁)。直接还原法是在反应装置内使用气体或固体还原剂,以低于矿石软化温度将铁矿石还原成金属铁的一种工艺。不过2020年全球直接还原铁产量仅在1.2亿吨左右,而国内的产量更是几近于无,所以预期直接还原铁技术3年内无法在国内实现商业化,因此从电炉炉料供应的角度考虑,其影响不大。直接还原技术无法得到发展的因素主要是成本过高。目前70%以上的还原铁生产为气基,但我国天然气资源有限、价格较高等因素弱化了气基直接还原铁的经济性。煤基还原在技术上可行,但是对原材料及燃料品质要求较高以及设备寿命低等因素同样限制了煤基还原铁的经济性。


综上,虽然直接还原铁可以作为电炉主料进行炼钢,但我国短期内无法实现。可以预见3-5年内我国电炉主要炉料依然会以废钢为主[不排除以直接还原铁作为辅料投入生产的可能]。


小结


原材料供应不足是限制我国电炉发展的主要因素之一,不管是废钢或直接还原铁的产量都导致电炉炼钢短期内无法取代长流程钢厂成为我国钢铁供应的支柱,尤其目前还未考虑原材料质量控制等其他难题。不过因为电炉增产的边际效益相对较高,所以预期可以观测到电炉钢/粗钢产量占比的快速提升[时间不确定]。


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碳排放

炼钢流程的排放可分为两部分理解:内生型及外购型。内生型排放为炼钢过程中直接产生的温室气体排放,例如长流程中的烧结、短流程中的氧化。外购型排放则是间接的,例如电炉耗电所产生的温室气体排放。


从内生型排放的角度,短流程炼钢在环保方面相对长流程存在极大优势。目前我国长流程炼钢的吨钢碳排在1.7吨左右。而短流程炼钢,因为减少了烧结以及高炉炼铁工序,吨钢碳排在0.4吨左右,不到长流程炼钢的四分之一。


长流程炼钢的热源来自其炉料反应或炉身所携带的热,基本不产生外购型碳排。而电炉则不同,能源多来自外购。目前我国电炉吨钢平均耗电量在350-400kwh左右。而每度电(kwh)产生的温室气体排放量约在400g左右[中国相对缺电,因此按照火电大型机组单位碳排放量计算],换算则吨钢耗电所产生的碳排量在160kg左右[0.16吨]。除能源外,电炉所使用的石墨电极同样属于重污染产品。炭材料的石墨化是在2300-3000 ℃高温下进行的,当下工业上只有通过电加热方式才能实现。目前我国功率直流供电石墨化炉每吨焙烧品的耗电量一般为3800kWh左右,换算则约等于1520千克碳排放每吨(1.52吨)。而除用电外,石墨电极生产中所经历的原材料煅烧、混捏、烧培以及浸渍均为高污染环节[具体数据不详,不过其二氧化碳、硫化物、粉尘等排放均在国家重度污染标准]。因此可以预期石墨电极的生产大概率会受到国家环保治理,限产限电的制约。然而因为电极使用量较低[约在吨钢3kg],所以电炉的吨钢碳排放依然远低于高炉-转炉流程。


总体而言,短流程电炉在环保方面相对于长流程钢厂存在极大优势,但并不表明电炉的生产不受到环保政策的制约。电炉环保方面的担忧主要来自于限电。


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成本对比

成本对比


由于市场行情波动,这张成本列表所标识的铁水价格、废钢价格等已经失真。不过进行横向对比,依然可以得出—-电炉流程成本相对高炉-转炉流程较高主要源于三个因素,炉料成本、电耗以及电极消耗。炉料成本来源于废钢价格高于铁水,这取决于铁矿石、焦炭以及废钢等炉料及其上下游供需关系。暂时无法预测。用电成本同样相对较高。目前长三角地区工业用电平均电价为0.7元/千瓦时,约为美国的2倍,对电炉发展不利[不过目前铁矿以及废钢价格高企,电炉炼钢电费/成本占比下降,电费所占权重降低]。总体而言,现阶段电炉钢的成本控制更依赖于压低废钢价格,而非电费。


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建设周期

在建设周期上,电炉效率远高于高炉-转炉流程。目前我国高炉的建设耗时,根据其炉容积,在10-15个月不等。而电炉的建设则只需要4-6个月即可。因此电炉炼钢增产的桎梏在于原材料供应以及产品经济性,而不在于基础建设。


最后附上目前中国电炉钢/粗钢产量占比的图:仍在10%附近震荡,相对全球钢铁行平均水平来说,依然存在很大的上升空间。


图4:电炉钢/粗钢占比



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作者:李昂

公众号:五矿期货微服务

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发布时间:2021-07-16 07:43:06

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