中國儲能網(wǎng)訊：文 / 百人會氫能中心（張真、杜憲軍）
氫冶金是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的革命性技術(shù)。氫冶金正處于技術(shù)導(dǎo)入期，需要從氫冶金的規(guī)模經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)生態(tài)角度全方面研究了碳中和目標(biāo)下的鋼鐵行業(yè)的減碳路徑與應(yīng)用前景，百人會氫能中心在東北大學(xué)低碳鋼鐵前沿技術(shù)研究院、德國蒂森克虜伯、泰山鋼鐵等科研院所和企業(yè)的支持下，進行了氫冶金研究并發(fā)布報告。預(yù)計到 2030 年，基于綠氫的氫冶金將逐漸擴大在鋼鐵行業(yè)中的規(guī)模化應(yīng)用，到 2050 年，鋼鐵行業(yè)的用氫需求將達到 980 萬噸，氫冶金成為鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要路徑之一。本文內(nèi)容主要分為兩部分，節(jié)選自研報《碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟性研究》及發(fā)表于《價格實踐與理論》的相應(yīng)論文。
01、實現(xiàn)本世紀(jì)末全球平均氣溫上升不超過1.5℃的情景，到2050年中國鋼鐵行業(yè)須減排近100%
鋼鐵行業(yè)是我國工業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，約占全國GDP的5%。2020年全球粗鋼產(chǎn)量為18.64億噸，其中我國粗鋼產(chǎn)量達到10.53億噸，占比57%。2020年，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)碳排放總量約18億噸，占全國碳排放總量的15%左右，占全球鋼鐵行業(yè)碳排放總量的60%以上。碳中和目標(biāo)下，鋼鐵行業(yè)面臨巨大的碳減排壓力。根據(jù)麥肯錫測算，如果要實現(xiàn)本世紀(jì)末全球平均氣溫上升不超過1.5℃的情景，到2050年中國鋼鐵行業(yè)須減排近100%。
從中國的煉鋼方式來看，中國鋼鐵產(chǎn)量大，鐵鋼比高，缺乏足夠的廢鋼煉鐵。目前鋼鐵行業(yè)以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，粗鋼產(chǎn)能約占90%。中國長流程煉鋼噸鋼二氧化碳排放處于較高水平，約2.2噸CO2/噸鋼。未來要實現(xiàn)我國的碳中和承諾，鋼鐵行業(yè)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須加強鋼鐵企業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型。根據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會披露的《鋼鐵行業(yè)碳達峰及降碳行動方案》，2025年前，鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳排放達峰；到2030年，鋼鐵行業(yè)碳排放量較峰值降低30%，預(yù)計將實現(xiàn)碳減排量4.2億噸。我國鋼鐵亟需推動綠色布局、節(jié)能及提升能效、優(yōu)化用能及流程結(jié)構(gòu)、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈、應(yīng)用突破性低碳技術(shù)。鋼鐵行業(yè)最終實現(xiàn)零碳化，更需要推動碳捕集利用與封存、氫冶金等技術(shù)革命。例如利用氫能高能量密度、電化學(xué)活性和還原劑的屬性，在鐵還原環(huán)節(jié)對煤、焦進行規(guī)?；娲?，可以實現(xiàn)深度脫碳目標(biāo)。
■ 圖表1 不同流程煉鋼方式噸鋼碳排放量與耗電量
資料來源：公開資料
02、氫冶金將在鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)中發(fā)揮重要作用
■ 圖表2 不同煉鋼路線的減排效果
資料來源：東吳證券
以焦炭為還原劑的高爐煉鐵是煉鋼中主要的碳排放過程。根據(jù)2020年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，其會員單位的高爐煉鐵入爐焦比為355.19kg/t，煉鐵過程產(chǎn)生的碳排放量為每噸生鐵1.3噸CO2。在高爐煉鐵中，采用技術(shù)工藝優(yōu)化、焦?fàn)t煤氣噴吹等方式可降低焦炭的使用量，從而達到減排的作用。例如用噴吹氫代替10%的焦炭，可減少約5%-10%的碳排放量。
我國現(xiàn)有高爐和轉(zhuǎn)爐路線碳排放量為1.765噸CO2/噸鐵。對于高品位的鐵礦石，可采用直接還原和電弧爐路線。采用以80%的天然氣直接還原鐵和20%的廢鋼生產(chǎn)工藝，天然氣先經(jīng)過裂解或重整，產(chǎn)生C、CO、H2。由于天然氣本身含氫元素，參與還原反應(yīng)的碳比高爐少，碳排放量明顯降低。據(jù)測算，比現(xiàn)有的高爐轉(zhuǎn)爐路線，可降低碳排放量47%。采用以80%的綠色氫氣直接還原鐵和20%的廢鋼生產(chǎn)工藝，可降低75%碳排放。當(dāng)全部采用100%綠色氫氣直接還原鐵和電弧爐路線時，幾乎沒有碳排放。
采用以氫為還原劑的煉鐵方式可起到明顯的減排效果。碳中和目標(biāo)下，鋼鐵行業(yè)面臨嚴(yán)峻的減碳壓力，應(yīng)逐步尋求還原劑從焦炭到氫的替代。利用氫冶金推動鋼鐵行業(yè)碳中和目標(biāo)將成為大勢所趨。
03、氫冶金減碳技術(shù)路線
目前，以碳冶金為本質(zhì)的鋼鐵行業(yè)，碳排放量巨大。長流程高爐煉鐵碳排放量約占整個鋼鐵生產(chǎn)碳排放量的70%。2020年鋼鐵行業(yè)用焦炭量約3億噸，僅焦炭帶來的碳排放就11億噸。鑒于鋼鐵行業(yè)碳中和目標(biāo)的緊迫性，鋼鐵行業(yè)必須采用突破性的低碳煉鐵技術(shù)減少碳排放或通過CCUS技術(shù)實現(xiàn)脫碳。氫冶金減碳技術(shù)路線主要分為兩種：富氫還原高爐和氫氣氣基豎爐直接還原煉鐵。
1. 富氫還原高爐
高爐噴吹焦?fàn)t煤氣是一種新型的低碳富氫還原高爐煉鐵技術(shù)。將來自焦化廠的焦?fàn)t煤氣經(jīng)過凈化處理，通過設(shè)備加壓至高爐封口的壓力，然后利用噴吹設(shè)施，將焦?fàn)t煤氣以一定的溫度通過各個支管噴入高爐，參與爐內(nèi)的還原反應(yīng)。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣可以提供優(yōu)質(zhì)還原劑、提高能量利用率和使用價值、減少高爐碳排放。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣在國內(nèi)外有長期的工業(yè)研究和生產(chǎn)實踐，工藝技術(shù)路線成熟可靠。
■ 圖表3 日本COURSE50高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)路線圖
圖片來源：東北大學(xué)儲滿生教授演講報告
高爐噴吹焦?fàn)t煤氣能為高爐提供更好的還原劑，降低碳排放。噴吹設(shè)備簡單，技術(shù)可靠。實際操作工程中，焦?fàn)t煤氣噴吹量并不是越多越好，過高的焦?fàn)t煤氣噴吹量會帶來爐溫降低等不良影響。噴吹量要綜合考慮經(jīng)濟效應(yīng)、節(jié)焦?jié)摿Α⒏谎跄芰徒範(fàn)t煤氣富余量等因素。目前，噸鐵噴吹量可以達到100-200 m3，與焦炭的置換比約為0.4-0.7 kg/m3，使高爐焦比降低至200 kg/t以下,碳減排可達10%左右。
2. 氫氣氣基豎爐直接還原煉鐵
與傳統(tǒng)的長流程高爐-轉(zhuǎn)爐不同，氣基豎爐短流程技術(shù)是以還原氣體為還原劑，還原高品位球團或塊礦，生產(chǎn)純凈直接還原鐵（DRI），供電爐煉鋼，制造高純鋼制品。氣基豎爐技術(shù)工藝具有流程短、非焦低溫還原、大幅度減排等優(yōu)勢。氫冶金一般是指入爐還原氣含氫大于55%（H2/CO大于1.5）條件下，還原鐵礦石、球團礦生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)DRI的氣基豎爐技術(shù)。根據(jù)還原氣氛氫的含量，可分為富氫冶金和全氫冶金：焦?fàn)t煤氣氣基豎爐直接還原鐵為富氫冶金，全氫冶金為100%氫氣冶金。氫冶金過程中無需反復(fù)增碳脫碳、吹氧脫氧，工藝優(yōu)化，能耗低，減排效果顯著。2017年，我國工業(yè)和信息化部出臺的《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2017年）》將氫氣豎爐直接還原清潔冶煉技術(shù)列為了重點。氫冶金是解決鋼鐵行業(yè)碳排放問題的關(guān)鍵途徑。
■ 圖表4 瑞典HYBRIT全氫豎爐路線圖
圖片來源：東北大學(xué)儲滿生教授演講報告
氣基豎爐煉鐵技術(shù)的減排潛力與還原氫氣的濃度相關(guān)。純氫豎爐煉鐵過程中幾乎沒有引入任何碳元素，碳減排能力可達到98%?，F(xiàn)階段，由于技術(shù)、設(shè)備及工藝上的制約，純氫豎爐方式難以實現(xiàn)。富氫豎爐技術(shù)逐漸成為氫冶金研發(fā)熱點。依據(jù)還原劑氫氣的含量不同，富氫豎爐碳減排潛力可達50%-95%。
04、國內(nèi)外氫冶金發(fā)展現(xiàn)狀
全球氫冶金項目研究主要分三步：（1）2025年之前，建立中試示范項目驗證大規(guī)模氫冶金的可行性；（2）到2030年，利用焦?fàn)t煤氣等副產(chǎn)品中的氫進行氫冶金生產(chǎn)；（3）到2050年，實現(xiàn)綠氫對灰氫的替代，進行氫冶金工業(yè)化生產(chǎn)。
■ 圖表5 國外氫冶金項目
資料來源：公開資料
■ 圖表6 瑞典鋼鐵HYBRIT項目
圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)
國外在氫冶金方面起步較早，早在1955年，HYL公司建成一座有5個反應(yīng)罐的直接還原廠，還原氣含H2 75%、CO 14%、CO2 8%、CH4 3%、H2O 1%、 H2/CO=5.36，后發(fā)展為HYL-III豎爐。20世紀(jì)80年代西歐進行了全氫氣基豎爐工業(yè)探索實踐，入爐H2量均高于3000Nm3/tDRI，驗證了使用100% H2的氣基豎爐直接還原技術(shù)可行。20世紀(jì) 90年代中期，美國的埃德加-湯姆森鋼鐵廠3號高爐噴吹焦?fàn)t煤氣。近年來，日、韓、歐盟、瑞典、德、美等國均有氫冶金規(guī)劃：日本COURSE50富氫還原煉鐵、歐盟ULCOS計劃ULCORED富氫氣基豎爐和氫氣還原煉鋼、奧鋼聯(lián)H2FUTURE、瑞典HYBRIT全氫豎爐、德國蒂森克虜伯高爐噴氫、美國AISI氫氣閃速熔煉、韓國COOLSTAR、美國MIDREX H2、德國薩爾茨吉特鋼鐵SALCOS等項目。
■ 圖表7 氫氣通入蒂森克虜伯9號高爐
圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)
國內(nèi)方面，20世紀(jì)60年代，本鋼高爐、鞍鋼9號高爐分別進行了高爐焦?fàn)t煤氣噴吹試驗。多年來氫冶金進展緩慢。近年，各大鋼鐵企業(yè)提出氫冶金規(guī)劃并積極籌建氫冶金氣基豎爐生產(chǎn)線或示范工程。2021年5月，河鋼集團在河北張家口啟動建設(shè)“全球首例富氫氣體直接還原示范工程”，從改變能源結(jié)構(gòu)入手，推動鋼鐵冶金工藝變革。2021年第三季度，中國寶武將在湛江鋼鐵開工建設(shè)（一期）1座百萬噸級、具備全氫工藝試驗條件的氫基豎爐直接還原示范工程及配套設(shè)施，可按不同比例靈活使用焦?fàn)t煤氣、天然氣和氫氣。不僅龍頭企業(yè)積極發(fā)揮帶頭作用，首鋼、建龍、酒鋼、日照鋼鐵等一批鋼鐵企業(yè)也建立了低碳冶金示范項目。一大批低碳鋼鐵科研機構(gòu)也紛紛成立，如東北大學(xué)組建低碳鋼鐵前沿技術(shù)研究院，河鋼集團與北京科技大學(xué)共同發(fā)起世界鋼鐵發(fā)展研究院，通過產(chǎn)學(xué)研的力量推動中國氫冶金的發(fā)展。
整體來看，全球氫冶金尚無工業(yè)化成熟的技術(shù)。氫冶金技術(shù)領(lǐng)跑的國家如德國、日本也正處于研發(fā)、試驗階段，中國氫冶金方面正強力跟進，蓄勢待發(fā)。中國在關(guān)鍵核心技術(shù)、制氫成本高等難題亟需突破和攻克。未來，隨著對氫冶金技術(shù)的重視和投入，氫冶金技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)重要的減碳方式之一。
