钢企超低排放之烧结、球团工艺介绍及相关影响、机会分析
信达期货 张鹏程 盛佳峰 7月5日
主要观点
2018年4月底，河北省关于《钢铁工业大气污染物超低排放标准》征求意见；5月17日，生态环保部公布《钢铁企业超低排放改造工作方案（征求意见稿）》，方案明确提出颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的小时均值排放浓度分别不高于10,35,50毫克/立方米。
在打好“三大攻坚战”的大背景下，钢铁企业实行超低排放标准会对未来钢铁行业发展产生什么影响？本文试图先对钢铁生产过程中的两个重要的污染来源——烧结、球团工艺进行相应介绍，并对其为何成为钢铁生产过程中污染大户的原因进行分析，最后对实行超低排放标准将带来的影响及潜在投资机会进行分析。我们认为：
（1）超低排放标准的实行将显著抬升整体钢企成本曲线的重心，亦将导致钢材期货运行中枢的上移。而分类别来看，民营钢企的成本提升幅度将明显超过国有钢企，二者之间的成本差异将显著缩小。
（2）超低排放标准的实行将接棒之前的去产能任务，加速落后产能的退出，预计未来我国钢铁的供需将双双下滑。
（3）超低排放标准的实行对脱硫效果有更高要求，烧结厂将对原有脱硫设备进行停产改造，烧结能力受限，钢厂不得不采用更多的块矿和球团矿来缓解烧结矿短缺的局面，为块矿和球团矿带来大幅溢价的机会。
（4）超低排放标准的实行将对环保达标的大型国有钢企更加有利，加之对今年板材的看好，在钢铁板块的上市公司中，建议关注板材类龙头。
2018年5月17日，生态环境部办公厅发布了《钢铁企业超低排放改造工作方案（征求意见稿）》。方案提出，钢铁企业所有生产工艺，包括铁矿采选、原料场，烧结，球团，炼焦，炼铁，炼钢，轧钢等以及大宗物料运输都应该达到最低排放标准。力争2020年前完成钢铁产能改造4.8亿吨，2022年底前完成5.8亿吨，2025年底前完成改造9亿吨左右。
众所周知，在钢铁生产的工艺流程中，烧结，球团产生的污染最为严重，而上述方案也提出了烧结机头烟气，球团焙烧烟气在基准含氧量16%的条件下，颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的小时均值排放浓度分别不高于10,35,50毫克/立方米的新标准。那么未来超低排放标准的实行究竟会带来哪些影响？会产生哪些机会？本文将先对烧结、球团的工艺进行介绍，之后结合超低排放方案的内容对其影响进行分析，并试图挖掘相关投资机会。
一、铁前工艺之烧结、球团
通常将高炉炼铁之前的工艺流程称之为铁前工艺，一般包括烧结、球团、焦化等。这里将从采矿、选矿、造块等角度，将铁矿在进入高炉之前的诸多工序做相应介绍。一般铁矿原矿在被开采出来后，通过破碎筛分程序，可得到10-30mm的块矿和1-10mm的粉矿，生产中可以将高品位的块矿直接送入高炉冶炼，在一定程度上代替烧结矿的用量，在环保限烧结的时段常被钢厂使用来缓解烧结矿短缺的局面。而1-10mm的粉矿，将用作烧结粉矿，通过烧结之后得到烧结矿。
而低品位的原矿由于无法直接进行利用，需要经过较为复杂的选矿工艺，最后富集成铁精粉（粒度小于200目占70%以上，目是指每平方英吋筛网上的空眼数目，目数越大表明粒度越细）。铁精粉一般被用于球团，在制成球团矿后用于高炉冶炼，也有一部分会用于烧结配矿。高品位的自然块矿、烧结矿及球团矿将被送入高炉进行冶炼，一般配比在烧结矿70%，球团矿20%，块矿10%，但具体比例也可以根据实际情况进行调节。
图1：铁前工艺之烧结、球团
资料来源：信达期货研发中心
根据我国目前钢铁工业发展的现状，我国10亿多吨的粗钢产能中运用烧结-高炉-转炉的长流程粗钢产能估计在8亿吨左右，这导致我国高炉炉料中占据大比例的仍是烧结矿，因此烧结工艺对我国钢铁生产来说具有举足轻重的地位。相关资料显示，目前我国有烧结机约 900 台，烧结机面积约 11.6 万 m2，其中 90 m2-180 m2烧结机约 500 台，烧结机面积约 5.2 万m2；180 m2以上烧结机约 400 台，烧结机面积约 6.4 万m2。
在环保趋严的当下，污染严重的烧结工艺也一直为人诟病，以至于当重污染天气来临的时候，有关部门首先想到的总是烧结机的停限产。而相关机构的数据统计也验证了这一做法。
数据显示原料制备流程中粉尘的排放占整个钢铁生产流程粉尘排放总量的60%、SO2占整个流程SO2排放总量的93.5%、氮氧化物占整个流程排放总量的73.4%。其中，烧结工序排放比例最高，粉尘排放占35.4%、SO2排放占67%、氮氧化物排放占51.1%。球团工序的污染物排放中粉尘排放占5.2%；SO2排放占20.1%；氮氧化物排放占10.4%。
那么究竟什么是烧结和球团工艺？为何这两个工艺的污染如此严重？接下来，我们将对此进行介绍和分析。
二、烧结工艺简介
近代烧结生产是一种抽风烧结过程，将混合料（铁矿粉、燃料、熔剂及返矿）配以适量的水分，混合、制粒后，铺在带式烧结机的炉篦上，点火后用一定负压抽风，使烧结过程自上而下的进行。当烧结过程完成后，烧结矿将从烧结台车上卸下，经破碎、冷却、整粒筛分，分出成品烧结矿、热返矿和铺底料。
其中10-20mm的热返矿将在混合机中重新混合制粒参与下一次烧结，而小于5mm的冷返矿将用作铺底料返回烧结系统，5-50mm的成品烧结矿将被用于高炉生产。同时我们也看到烧结过程中产生的烧结烟气经过除尘等环保工艺后被直接排放，造成了一定的大气污染。详细的工艺流程见下图。
图2：烧结工艺流程图
资料来源：信达期货研发中心
通过整个烧结的工艺流程图可以看出，烧结的工艺大体可以分为烧结原料的准备、配料、烧结料的混合制粒、布料、点火烧结、破碎筛分、冷却整粒。其中，最重要的工序无疑在点火烧结上，此过程将直接关系到烧结矿的品质（既不能过烧也不能欠烧），但前后各道工序同样是保证整个烧结过程顺利完成的重要环节，比如冷却整粒可以便于得到粒度相对均匀的成品烧结矿，而烧结矿的粒度将直接影响高炉料柱的透气性，影响高炉的顺行。
图3：烧结厂烧结设备布置图
资料来源：信达期货研发中心
图中是一个烧结厂基本的设备配置，实际生产过程中会因为采取的工艺不同而导致设备出现一定差异，但大体相仿。整个烧结工艺从左至右进行，将烧结用原料经过配料后在圆筒混合机中进行混合、制粒、预热，并使用图中7的布料机将铺底料和烧结混合料依次装在烧结台车上，经过点火器8时混合料中的固体燃料被点燃，与此同时，台车下部的真空室开始抽风，使烧结过程自上而下地进行，控制台车速度，保证台车到达机尾时，全部料都已烧结完毕，粉状物料变成块状的烧结矿。
烧结机的生产能力一般按烧结面积计算，Qy=q×A×k×24×365 ，其中Qy为年生产能力，q为利用系数，一般烧结粉矿q=1.3 t/m2•h, A为有效面积,k为作业率，一般取90%，按此公式计算300m2烧结机的生产能力为307万吨/年，基本上1m2可以生产约1万吨/年。
实际生产中运用最多的是连续带式抽风烧结法，其具有劳动生产率高，原料适应性强，机械化程度高，劳动条件好，便于实现大型化和自动化特点。而按照烧结设备和供风方式不同，另外还有鼓风烧结法、烟气烧结法等。从环保的角度来看，由于抽风烧结法便于收集烧结尾气进行集中处理，也是三种烧结法中较为环保的一种工艺。
图4：带式烧结机
资料来源：信达期货研发中心
图5：环式鼓风冷却机
资料来源：信达期货研发中心
三、球团工艺简介
球团工艺是指将准备好的原料（细磨铁精矿或其他含铁粉料、添加剂或粘结剂）按一定比例配料混匀，然后在圆盘造球机（圆筒造球机）中制成生球，再将造好的生球铺到焙烧机上进行焙烧，使其发生一系列物理化学变化，达到生球硬化固结的目的，最后通过筛分将5-8mm的成品球团矿用于高炉生产，8-15mm的球团矿用作带式焙烧机的铺底料，而小于5mm的球团矿经细磨后重新参与配料或被送往烧结车间参与烧结。
图6：球团生产工艺流程图
资料来源：信达期货研发中心
从上图的球团工艺流程可以看出，球团工艺也可以分为原料准备，配料，混合，造球，布料，焙烧，筛分等工序，大体原理与烧结相似。按焙烧方式的不同球团的生产工艺主要有三种，一种是竖炉法，一种是带式焙烧，还有一种是链篦机-回转窑工艺。其中带式焙烧和链篦机-回转窑法更加适合大型生产，投资来看带式焙烧法相对较低，但其运行费用相对较高，与之相对的是链篦机-回转窑法，投资相对较高，但运行费用相对较低，而竖炉法一般单炉生产能力较小，适合于中小型生产，球团质量也相对较差。三种工艺的具体特点归纳如下：
图7：三种球团焙烧方法的比较
资料来源：相关资料整理，信达期货研发中心
目前我国有竖炉及链篦机-回转窑100多台，其中链篦机-回转窑由于其大型化（500万吨/年）、球团质量高、可以用煤做燃料等优点是我国目前球团矿生产的主导工艺。链篦机-回转窑是一种联合机组，包括链篦机、回转窑、冷却机及其附属设备。这种焙烧方法的特点是干燥、预热、焙烧和冷却分别在三台设备上进行，干燥、预热在链篦机上进行，预热后球进入回转窑内经过1250-1350℃高温的焙烧，最后将1200℃左右的球团从回转窑卸到冷却机上进行冷却得到成品球团矿。
图8：链篦机-回转窑工艺流程
资料来源：信达期货研发中心
图9：回转窑
资料来源：信达期货研发中心
而竖炉法由于投资费用较少，结构相对简单被一些中小型矿山广泛采用，近年来在重污染天气的环保停限产中也经常被重点关注。竖炉是一种按逆流原则工作的热交换设备，其特点是在炉顶通过布料设备将生球装入炉内，球以均匀的速度连续下降，南北燃烧室的热气体从喷火口进入炉内，热气体自下而上与自上而下的生球进行热交换。生球经过干燥、预热后进入焙烧区，在焙烧区进行高温固结反应，然后在炉子下部进行冷却和排出，整个过程是在竖炉内一次完成。
图10：中国式竖炉
资料来源：信达期货研发中心
图11：竖炉的人字形烘床
资料来源：信达期货研发中心
四、为何烧结、球团厂成为污染大户
结合上述介绍，烧结、球团作为两种重要的人工造块方式，为高炉提供了优良的炼铁原料，所以其生产好坏对高炉的生产尤为关键。但由于其氧化焙烧的原理也导致烧结、球团工艺在环保趋严的当下，成为钢厂减排的重要一环。根据相关统计平均每生产1吨烧结矿就会产生4000-6000m3的烟气，烧结烟气中主要的污染物有颗粒物、SO2、氮氧化物、CO2、CO、二恶英、氟化物、氯化物及重金属等。其中颗粒物、SO2 是烧结(球团)厂的主要污染物，具体工序中产生的污染物可见下图。那么为何烧结、球团会成为污染大户呢？我们认为有以下几点原因:
1.工序使然，承担脱硫重任。烧结厂不仅承担着为高炉输送精料的任务，而且承担着去除有害杂质的重任。一般的烧结原料——铁矿石、煤粉中含有S、P等有害元素中，而这些有害元素含量的高低将会直接影响钢材的质量，导致其热脆、冷脆，所以在整个钢铁的生产过程中如何降低有害元素的含量是颇为重要的工作，而烧结恰恰承担起了这样的重任。相关资料显示整个烧结过程可除去80%的有害杂质硫、磷、砷等。所以烧结、球团的高污染也是其工序地位决定的，这个“黑锅”只能它来背。
2.环保意识薄弱，环保设备投入较少。我国钢铁工业在前期的粗放式发展过程中盲目追求经济效益，环保的意识较为薄弱，对环保设备的投资相对较少，加上环保本身投资金额较大，对于一些小的民营钢企来说负担较重，导致其前期欠下了较多的“环保债”。另一方面，由于环保设备运行又往往伴随着一定的费用，当钢企经济效益不好的时候，出于节省开支的目的，有时候环保设备也只能被迫停开。在这种情况下，缺少环保处理或者处理效果不佳的烧结尾气直排大气，由此造成了较为严重的大气污染。
3.脱硫工艺相对落后，已无法满足趋严的环保要求。在烧结烟气的处理中，主要以脱硫脱硝、除尘为主，其中脱硫是重中之重。根据目前的脱硫工艺来看，主要有干法、半干法和湿法脱硫三种。在之前装备的烧结厂脱硫设施中主要以湿法脱硫为主，运用较多的是石灰石-石膏法，脱硫效率可以达到90%，但按超低排放SO2不高于35毫克每立方米的标准，脱硫效率应该达到95%以上，因此前期湿法脱硫的设备需要进行改造。
至于干法脱硫和半干法脱硫技术，根据2014年相关的统计数据来看被采用的数量相对较少。河北省发布的《钢铁工业大气污染超低排放标准编制说明》一文中提到三种脱硫脱硝的技术路径——活性焦脱硫脱硝一体化技术、循环流化床脱硫工艺+SCR脱硝技术、循环流化床脱硫工艺+COA脱硝技术，而且上述工艺已经在邯钢、宝钢、首钢京唐、宝钢梅钢等钢铁企业成熟运用,可以达到超低排放标准。
图12：烧结工艺中产生的污染物
资料来源：资料整理，信达期货研发中心
图13：2014年统计的我国钢企脱硫工艺（单位：台）
资料来源：山西冶金，北极星环保网，信达期货研发中心
五、实行超低排放标准带来的影响及潜在机会分析
1.吨钢成本提升：根据2016年环统数据，目前92.2%左右的烧结机机头（含竖炉）烟气目前采用湿法（石灰石、石灰石膏法或氧化镁法）脱硫工艺，未采取脱硝措施，在满足烧结机机头烟气（含竖炉焙烧）排放限值的前提下，需对现有湿法脱硫工艺进行整改才能达到超低排放标准。
根据河北省《钢铁工业大气污染超低排放标准编制说明》一文中披露的相关数据显示，某公司新3号600m2烧结机机头烟气采用活性焦脱硫脱硝一体化设备的投资达到3.2亿元，我们根据烧结矿入炉品位56%，高炉烧结矿配比75%，转炉中铁水配比90%折算，1吨粗钢所需的烧结矿约1.2吨，测算吨钢投资大概在64元/吨左右，运行费用大概在16-17元/吨左右；
若新4号600m2烧结机机头烟气采用循环流化床脱硫+SCR脱硝工艺的总投资约1.9亿（循环流化床0.9亿、SCR约1亿），折算吨钢投资在38元/吨左右，其运行费用约15-16元/吨；而宝钢梅钢3号180m2的烧结机采用干法脱硫除尘+COA脱硝的吨钢环保设备投资为6000万元，折合吨钢投资在40元/吨左右，运行成本大概在9-10元/吨左右。
如果采用完全新建方式预计吨钢投资更高，新兴铸管武安工业区三台烧结机（共380m2）环保投资达到了4.2亿，吨钢投资更是达到132.6元/吨。
综合来看，不管是原有设备的改造还是新上环保设备，对吨钢成本都会有几十到几百不等的提升，对于环保投资比较完善的国企来说成本的提升相对较小，但是对于前期欠下很多“环保债”的民营钢企来说，超低排放标准的实行将显著提升吨钢成本。
2018年以后随着环保的日益趋严，钢企整体成本曲线将显著上移，钢材价格底部抬升，钢材期货价格运行中枢将上移。而就不同类型的钢企来说，民营钢企上移的幅度显著大于国企上移幅度，二者的吨钢成本差将显著缩小。
图14：钢企成本曲线
资料来源：信达期货研发中心
2.超低排放加速落后钢铁产能的退出。去产能自2016年以来，截止2017年已经去除粗钢产能1.15亿吨，而2018年还有约3000万吨，预计到2018年末基本可以完成“十三五”期间去除1.5亿吨粗钢产能的计划。在行政化去产能结束之后，随着环保的不断趋严，动辄几亿的环保投资额也令一些小型民营钢企倍感压力，而如果不改造或者改造不达标又将面临被关停的局面。
《钢铁企业超低排放改造工作方案（征求意见稿）》中也明确要求加快淘汰落后产能和不符合相关强制性标准要求的生产设施。进一步提高落后产能淘汰标准，对经整改仍不符合能耗、环保、质量、安全的要求和列入产能置换方案中的设施，由地方政府予以关停淘汰。逾期未取得排污许可证的，优先予以关停淘汰。加大重点区域钢铁产能压减力度，淘汰130平方米以下烧结机、1000立方米以下高炉。
相关资料显示，目前我国高炉容积在1000立方米以下的高炉数量大概占到40%左右，其中京津冀及周边地区及长三角地区1000立方米以下的高炉产能达到1亿多吨。可以预见的是，环保的趋严将倒逼这些落后产能的退出，开启另一段去产能之路，未来我国钢铁的整体供需将双双回落。
3.块矿、球团溢价的提升。虽然生态环保部发布《钢铁企业超低排放改造工作方案（征求意见稿）》在5月份，但其实很多省市在之前已经发布了相关改造要求，比如上述的河北省。而据我们调研，一些大型央企也已经开始了相关烧结机的改造工作，比如宝钢从2017年6月份即开始对其宝山基地的1、2号烧结机进行了改造，而且改造将维持到2018年底左右(改造完成后将达到超低排放标准）。由于烧结机的停产改造导致其烧结矿产量受到一定影响，宝钢在炉料上选择了更多的块矿、球团矿来缓解烧结能力受限的局面。
从烧结机的生产改造来看，钢企大多选择停产改造，而改造时间一般在一年左右。后面一旦烧结机的改造工作提上日程，很多的钢厂的烧结能力将受到影响，转而不得不采用更多块矿和球团矿，将提升二者的溢价能力。结合块矿、球团的溢价来看，球团的溢价一直处于高位，安全边际稍差，建议贸易商可以在块矿溢价回落至0.05-0.1美金/干吨度的低位积极做多块矿溢价。
图15：球团、块矿溢价
资料来源：wind，信达期货研发中心
4.关注环保达标的大型国有钢铁股。2018年的周期股虽然没有2017年那样的趋势性行情，但是阶段性的反弹机会依然存在。根据上述，前期环保投入完善的大型国有企业未来的吨钢成本提升相对较小，且方案还对大气污染物排放低于标准百分之五十的企业减按百分之五十征收环境保护税，存在一定的政策激励,加之对今年板材的看好，建议关注受环保影响较小的板材类龙头。
重要声明
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