氫能煉鋼：技術(shù)、經(jīng)驗與前景

 

傳統(tǒng)的高爐煉鐵通過焦炭燃燒提供還原反應(yīng)所需要的熱量并產(chǎn)生還原劑一氧化碳，將鐵礦石還原得到鐵，并產(chǎn)生大量的二氧化碳氣體。而氫能煉鋼則利用氫氣替代一氧化碳做還原劑，其還原產(chǎn)物為水，沒有二氧化碳排放，煉鐵過程綠色無污染，是實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過程節(jié)能減排的最佳方案之一。

 

 

基本原理：氫氣替代一氧化碳做還原劑

 

鋼鐵冶煉是指在高溫下，用還原劑將鐵礦石還原得到生鐵，再將生鐵按一定工藝熔煉以控制其含碳量（一般小于2%），最終得到鋼的生產(chǎn)過程。鐵礦石有赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)等。傳統(tǒng)的高爐煉鐵選用焦炭作為原料之一，通過焦炭燃燒提供還原反應(yīng)所需要的熱量并產(chǎn)生還原劑一氧化碳(CO)，在高溫下利用一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來，將鐵礦石還原得到鐵，并產(chǎn)生大量的二氧化碳(CO2)。目前的煉鋼企業(yè)大都采用該技術(shù)，因此鋼鐵行業(yè)碳排放量大，污染嚴重。

 

 

而氫能煉鋼則利用氫氣(H2)替代一氧化碳做還原劑，其還原產(chǎn)物為水(H2O)，沒有二氧化碳排放，因此煉鐵過程綠色無污染。

 

氫氣工藝將會極大地減少碳排放

 

目前氫氣煉鋼已經(jīng)被應(yīng)用到成熟的工業(yè)生產(chǎn)方案中，主要的方案設(shè)計有兩種：部分使用氫氣和完全使用氫氣。在部分使用氫氣的設(shè)計方案中，氫氣占到還原劑的80%，其余氣體原料為天然氣，因此該設(shè)計方案下依然會有部分二氧化碳排出。

 

 

 

完全使用氫氣工藝設(shè)計

 

截至2020年，我國鋼鐵企業(yè)平均噸鋼碳排放量為1765公斤。采用基于天然氣的煉鐵工藝，可以將噸鋼碳排放降至940公斤；而使用80%的氫氣和20%的天然氣則可以降至437公斤；如果完全使用氫氣煉鋼，則可以實現(xiàn)二氧化碳的“零排放”。

 

 

氫氣煉鋼可以實現(xiàn)二氧化碳“零排放”

 

 

國外應(yīng)用較早，在氫氣制備方面基本全部采用電解水的方法制備，因此大多與上游電力公司展開合作，以控制耗電成本。國內(nèi)相關(guān)的研究與設(shè)計剛剛起步。

 

 

① 瑞典鋼鐵HYBRIT

 

項目進展計劃：2016年，項目由瑞典鋼鐵公司、瑞典大瀑布電力公司和瑞典礦業(yè)集團聯(lián)合成立。2016年——2017年為項目預研階段，主要工作內(nèi)容包括評估非化石能源冶煉的潛力，以及二氧化碳的捕集、存儲和利用等。該項目的中試研究階段為2018年——2024年，示范運行階段為2025 年——2035年。在為期10年的示范運行階段主要進行運行測試，以確保到2035年實現(xiàn)商業(yè)化運行。

 

階段效果：2018年初公布的研究結(jié)果表明，按照2017年底的電力、焦炭價格和二氧化碳排放交易價格，HYBRIT項目采用的氫冶金工藝成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝高20%——30%。SSAB采用長流程工藝的噸鋼二氧化碳排放量為1600公斤（歐洲其他國家的水平約為2000——2100公斤），電力消耗為5385千瓦時；采用HYBRIT工藝的噸鋼二氧化碳排放量僅為25公斤，電力消耗為4051千瓦時。

 

基本思路：在高爐生產(chǎn)過程中用氫氣取代傳統(tǒng)工藝的煤和焦炭（氫氣由清潔能源發(fā)電產(chǎn)生的電力電解水產(chǎn)生），氫氣在較低的溫度下對球團礦進行直接還原，產(chǎn)生海綿鐵（直接還原鐵），并從爐頂排出水蒸氣和多余的氫氣，水蒸氣在冷凝和洗滌后實現(xiàn)循環(huán)使用。

 

 

HYBRIT項目工藝流程圖

 

② 薩爾茨吉特SALCOS項目

 

進展計劃：該項目于2019年4月由德國薩爾茨吉特鋼鐵公司啟動。薩爾茨吉特先期策劃實施了薩爾茨吉特風電制氫項目(Wind H2)，項目思路是采用風力發(fā)電，電解水制氫和氧，再將氫氣輸送給冷軋工序作為還原性氣體，將氧氣輸送給高爐使用。2016年4 月正式啟動了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，綠色工業(yè)制氫）項目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產(chǎn)氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲存起來。

 

 

當風能（或其他可再生能源）波動時，電解槽轉(zhuǎn)變成燃料電池，向電網(wǎng)供電，平衡電力需求。2019年1月份，薩爾茨吉特開展了GrInHy2.0項目。GrInHy2.0項目的顯著特點是通過鋼企產(chǎn)生的余熱資源生產(chǎn)水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發(fā)電，然后采用高溫電解水法生產(chǎn)氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產(chǎn)，也可用于鋼鐵生產(chǎn)的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。

 

基本思路：對原有的高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝路線進行逐步改造，把以高爐為基礎(chǔ)的碳密集型煉鋼工藝逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現(xiàn)富余氫氣的多用途利用。

 

 

SALCOS 項目工藝流程圖

 

③ 奧鋼聯(lián)H2FUTURE項目

 

進展計劃：該項目于2017年由奧鋼聯(lián)發(fā)起，聯(lián)合了西門子公司（質(zhì)子交換膜電解槽的技術(shù)提供方，主要負責電解水產(chǎn)氫）、奧地利電網(wǎng)公司（為電解水提供電力支持）和奧地利K1-MET中心組（負責研發(fā)鋼鐵生產(chǎn)過程中氫氣可替代碳或碳基能源的工序）。

 

 

H2FUTURE 項目工藝流程圖

 

 

① 河鋼120w噸氫冶金示范性工程項目

 

2020年11月23日，卡斯特蘭薩—特諾恩與河鋼集團簽訂了合同，建設(shè)氫能源開發(fā)和利用工程，這個具有示范意義的項目包括一座年產(chǎn)60萬噸的ENERGIRON直接還原廠。河鋼集團的直接還原廠將使用含氫量約70%的補充氣源。由于高含量的氫氣，河鋼集團的工廠將以一噸直接還原鐵僅產(chǎn)生250公斤二氧化碳的指標，構(gòu)建全球最綠色的直接還原廠之一。同時，產(chǎn)生的二氧化碳還將進行選擇性回收，并可以在下游工藝進行再利用。因此，一噸產(chǎn)品產(chǎn)生的最終凈排放僅約125公斤二氧化碳。該工廠計劃于2021年底投產(chǎn)。

 

 

除了氫冶金之外，河鋼與中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心、中國鋼研、東北大學四方聯(lián)合共建了“氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心”，并自行建設(shè)加氫站，以配合開展氫能重卡鋼鐵物流運輸示范項目。

 

②寶武集團合作中核集團，開發(fā)“核能制氫”技術(shù)

 

2019年，中國寶武就已與中核集團、清華大學簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將資源共享，共同打造世界領(lǐng)先的核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，此處的核冶金就是利用核能制氫再用氫氣冶金。

 

將核能制氫用于冶金和煤化工，是取代傳統(tǒng)化石能源大量消耗、緩和世界能源危機的一種經(jīng)濟有效的措施。

 

 

③ 酒鋼成立氫冶金研究院，探索“煤基氫冶金理論”

 

酒鋼煤基氫冶金中試基地熱負荷試車及部分中試試驗正在順利進行。酒鋼煤基氫冶金中試基地以高爐瓦斯灰為原料進行了多次試驗。項目團隊分別以酒鋼自產(chǎn)冶金焦丁和褐煤為還原劑，進行了碳冶金和氫冶金的對比試驗，兩種工藝的金屬化率分別為40%左右和85%以上，體現(xiàn)出氫冶金技術(shù)的優(yōu)勢。

 

 

目前市場上主流制氫方法有電解水制氫、水煤氣制氫以及由石油熱裂的合成氣和天然氣制氫，由于全球第四代核電站的推廣，近年來核能制氫也逐漸進入到人們的視野。

 

電解水制氫成本較高，但產(chǎn)品純度大，可直接生產(chǎn)99.7%以上純度的氫氣。這種純度的氫氣常供：電子、儀器、儀表工業(yè)中用的還原劑、保護氣和對坡莫合金的熱處理等，粉末冶金工業(yè)中制鎢、鉬、硬質(zhì)合金等用的還原劑，制取多晶硅、鍺等半導體原材料，油脂氫化，雙氫內(nèi)冷發(fā)電機中的冷卻氣等。

 

水煤氣制氫用無煙煤或焦炭為原料與水蒸氣在高溫時反應(yīng)而得水煤氣（C+H2O→CO+H2—熱）。凈化后再使它與水蒸氣一起通過觸媒令其中的CO轉(zhuǎn)化成CO2(CO+H2O →CO2+H2)可得含氫量在80%以上的氣體，再壓入水中以溶去CO2，再通過含氨蟻酸亞銅（或含氨乙酸亞銅）溶液中除去殘存的CO而得較純氫氣，這種方法制氫成本較低產(chǎn)量很大，設(shè)備較多，在合成氨廠多用此法。有的還把CO與H2合成甲醇，還有少數(shù)地方用80%氫的不太純的氣體供人造液體燃料用。

 

石油熱裂副產(chǎn)的氫氣產(chǎn)量很大，常用于汽油加氫，石油化工和化肥廠所需的氫氣，這種制氫方法在世界上很多國家都采用，在我國的石油化工基地如在慶化肥廠，渤海油田的石油化工基地等都用這方法制氫氣。

 

焦爐煤氣制氫技術(shù)較為成熟，通過變壓吸附(PSA)或催化重整、裂解的方法得到氫氣。現(xiàn)焦煤爐氣多用變壓吸附式技術(shù)(PSA)，成本上也相對低廉，根據(jù)測算，大型變壓吸附制氫成本大約在1元/m3，國內(nèi)寶武集團、鞍鋼、攀鋼等均有應(yīng)用。

 

核能制氫的本質(zhì)是利用核電站所產(chǎn)生的電能及熱能進行制氫，目前仍以電解水和熱化學制氫兩種形式為主，然而前者自身轉(zhuǎn)化能力較低，綜合效率約為30%，所以更多的核電部門以熱化學制氫為主要的研究方向，具有較好的應(yīng)用前景。

 

根據(jù)國際能源署匯總數(shù)據(jù)，在中國生產(chǎn)氫氣各種不同技術(shù)路徑的成本、碳強度如下所示：電網(wǎng)電解水制氫成本最高（約5.5美元/公斤）；可再生能源發(fā)電制氫成本（約3 美元/公斤）；天然氣加碳捕捉與貯存制氫（約2.5美元/公斤）；天然氣制氫（約1.8美元/公斤）；煤制氫（1美元/公斤）；煤加碳捕捉與貯存制氫（1.5美元/公斤）。

 

按照中國目前氫能市場價格，采用氫能煉鐵工藝成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝至少高五倍以上。

 

 

氫的高密度儲存一直是一個世界級的難題。目前儲氫方法主要有低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫及儲氫材料儲氫三種。

 

液態(tài)氫的密度是氣體氫的845倍，體積能量密度比壓縮狀態(tài)下的氫氣高出數(shù)倍，對于儲氫容器的要求異常嚴格，需要耐超低溫、長時間可保持超低溫、抗壓以及嚴格絕熱，對于材料的要求極高，目前只有航空航天領(lǐng)域在使用。

 

 

高壓氣態(tài)儲存是最常見的儲氫方式，依靠壓縮機將氫氣壓縮到儲氫瓶中，然后用集裝格和長管拖車等工具進行運輸，長管拖車運輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在大規(guī)模、長距離儲運技術(shù)上，成本和技術(shù)仍有待進一步改善。

 

 

碳中和是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個人在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實現(xiàn)正負抵消，達到相對“零排放”。2020年9月22日，中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”

 

 

鋼鐵行業(yè)是碳排放的重要領(lǐng)域，鋼鐵行業(yè)低碳減排對全國實現(xiàn)碳達峰的目標至關(guān)重要。目前我國鋼鐵行業(yè)低碳減排政策主要有兩種：

 

一是壓縮鋼鐵產(chǎn)量。工信部要求“進一步促進鋼鐵產(chǎn)量的壓減，逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗總量為依據(jù)的存量約束機制，研究制定相關(guān)工作方案，確保 2021 年全面實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)量同比的下降”。據(jù)此我們推斷，低排放、低能耗的企業(yè)將會獲得更寬松的鋼鐵產(chǎn)量限制。

 

二是實施碳排放權(quán)限額分配制度。工信部和生態(tài)環(huán)境部都表示要將鋼鐵行業(yè)納入碳交易市場中，限額二氧化碳排放。根據(jù)鋼鐵行業(yè)適用的歷史強度限額分配法，在獲配限額一定的條件下，鋼鐵企業(yè)不斷降低產(chǎn)品能耗和碳排放量，將會為企業(yè)帶來更寬松的鋼鐵產(chǎn)量限制。

 

鋼鐵行業(yè)減碳相關(guān)政策事件梳理

 

從上述政策事件中可以看到，不論是減產(chǎn)還是配額，鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)量都和自身的碳排放、污染物排放、能耗總量等指標相關(guān)聯(lián)，因此我們推斷，在未來鋼鐵行業(yè)低碳減排政策不斷落地的嚴監(jiān)管環(huán)境下，較低能耗和較低排放的環(huán)保型鋼鐵企業(yè)將會擁有長足的成長優(yōu)勢。

 

按照發(fā)達國家的經(jīng)驗，隨著環(huán)保政策的不斷收緊，企業(yè)的環(huán)保成本將會不斷上升，以歐盟CER碳排放權(quán)交易價格為例，從2019年年中開始，隨著第三階段的限制逐步收緊，交易價格逐步走高，這標志著企業(yè)在減少碳排放方面將會付出更多成本。

 

鋼鐵行業(yè)是去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型的重點行業(yè)，氫能具備幫助鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排、完成轉(zhuǎn)型的潛力，加之氫能行業(yè)是剛處于起步階段的行業(yè)，鋼鐵企業(yè)為氫能提供了更多的落地應(yīng)用機會，有著良好的示范效應(yīng)和應(yīng)用前景，能夠吸引更多行業(yè)涉足氫能與精品鋼制造。

 

將氫氣加入鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈中，能夠升級傳統(tǒng)鋼鐵制造、擴大氫氣的使用量、有效利用廢鋼以及減少鐵礦石的使用量，將形成產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的雙贏局面。隨著未來環(huán)保成本的不斷上升，氫能煉鋼的環(huán)保效益將會覆蓋其較高的成本，從而使企業(yè)從中獲益。在碳中和的大背景下，氫能煉鋼具有較大的發(fā)展空間與潛力。