氢能炼钢：技术、经验与前景
氢能炼钢：技术、经验与前景
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以下内容来源：氢能俱乐部
钢铁生产是温室气体及其它污染物排放的一个主要来源，在铁矿石资源衰减、钢铁价格波动及环保压力增大等多重因素制约下，亟需对钢铁生产行业进行转型升级。而氢气冶金或将实现二氧化碳“零排放”。
传统的高炉炼铁通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳气体。 而氢能炼钢则利用氢气替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水，没有二氧化碳排放，炼铁过程绿色无污染，是实现钢铁生产过程节能减排的最佳方案之一。
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氢气冶金：或将实现二氧化碳“零排放”
基本原理：氢气替代一氧化碳做还原剂
钢铁冶炼是指在高温下，用还原剂将铁矿石还原得到生铁，再将生铁按一定工艺熔炼以控制其含碳量（一般小于2%），最终得到钢的生产过程。铁矿石有赤铁矿(Fe 2 O 3 )和磁铁矿(Fe 3 O 4 )等。传统的高炉炼铁选用焦炭作为原料之一，通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳(CO)，在高温下利用一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳(CO 2 )。目前的炼钢企业大都采用该技术，因此钢铁行业碳排放量大，污染严重。
而氢能炼钢则利用氢气(H 2 )替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水(H 2 O)，没有二氧化碳排放，因此炼铁过程绿色无污染。
氢气工艺将会极大地减少碳排放
目前氢气炼钢已经被应用到成熟的工业生产方案中，主要的方案设计有两种：部分使用氢气和完全使用氢气。在部分使用氢气的设计方案中，氢气占到还原剂的80%，其余气体原料为天然气，因此该设计方案下依然会有部分二氧化碳排出。
完全使用氢气工艺设计
截至2020年，我国钢铁企业平均吨钢碳排放量为1765公斤。采用基于天然气的炼铁工艺，可以将吨钢碳排放降至940公斤；而使用80%的氢气和20%的天然气则可以降至437公斤；如果完全使用氢气炼钢，则可以实现二氧化碳的“零排放”。
氢气炼钢可以实现二氧化碳“零排放”
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应用案例
国外应用较早，在氢气制备方面基本全部采用电解水的方法制备，因此大多与上游电力公司展开合作，以控制耗电成本。国内相关的研究与设计刚刚起步。
国外应用案例
① 瑞典钢铁HYBRIT
项目进展计划：2016年，项目由瑞典钢铁公司、瑞典大瀑布电力公司和瑞典矿业集团联合成立。2016年~2017年为项目预研阶段，主要工作内容包括评估非化石能源冶炼的潜力，以及二氧化碳的捕集、存储和利用等。该项目的中试研究阶段为2018年~2024年，示范运行阶段为2025 年~2035年。在为期10年的示范运行阶段主要进行运行测试，以确保到2035年实现商业化运行。
基本思路：在高炉生产过程中用氢气取代传统工艺的煤和焦炭（氢气由清洁能源发电产生的电力电解水产生），氢气在较低的温度下对球团矿进行直接还原，产生海绵铁（直接还原铁），并从炉顶排出水蒸气和多余的氢气，水蒸气在冷凝和洗涤后实现循环使用。
HYBRIT项目工艺流程图
② 萨尔茨吉特SALCOS项目
进展计划：该项目于2019年4月由德国萨尔茨吉特钢铁公司启动。萨尔茨吉特先期策划实施了萨尔茨吉特风电制氢项目(Wind H 2 )， 项目思路是采用风力发电，电解水制氢和氧，再将氢气输送给冷轧工序作为还原性气体，将氧气输送给高炉使用。 2016年4 月正式启动了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，绿色工业制氢）项目，采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，并将多余的氢气储存起来。
当风能（或其他可再生能源）波动时，电解槽转变成燃料电池，向电网供电，平衡电力需求。2019年1月份，萨尔茨吉特开展了GrInHy2.0项目。GrInHy2.0项目的显著特点是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气，用水蒸气与绿色再生能源发电，然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产，也可用于钢铁生产的后道工序，如作为冷轧退火的还原气体。
基本思路：对原有的高炉-转炉炼钢工艺路线进行逐步改造，把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线，同时实现富余氢气的多用途利用。
SALCOS 项目工艺流程图
③ 奥钢联H2FUTURE项目
进展计划：该项目于2017年由奥钢联发起，联合了西门子公司（质子交换膜电解槽的技术提供方，主要负责电解水产氢）、奥地利电网公司（为电解水提供电力支持）和奥地利K1-MET中心组（负责研发钢铁生产过程中氢气可替代碳或碳基能源的工序）。
H2FUTURE 项目工艺流程图
国内应用案例
① 河钢120w吨氢冶金示范性工程项目
2020年11月23日，卡斯特兰萨—特诺恩与河钢集团签订了合同，建设氢能源开发和利用工程，这个具有示范意义的项目包括一座年产60万吨的ENERGIRON直接还原厂。河钢集团的直接还原厂将使用含氢量约70%的补充气源。 由于高含量的氢气，河钢集团的工厂将以一吨直接还原铁仅产生250公斤二氧化碳的指标，构建全球最绿色的直接还原厂之一。同时，产生的二氧化碳还将进行选择性回收，并可以在下游工艺进行再利用。 因此，一吨产品产生的最终净排放仅约125公斤二氧化碳。该工厂计划于2021年底投产。
除了氢冶金之外，河钢与中国工程院战略咨询中心、中国钢研、东北大学四方联合共建了“氢能技术与产业创新中心”，并自行建设加氢站，以配合开展氢能重卡钢铁物流运输示范项目。
②宝武集团合作中核集团，开发“核能制氢”技术
2019年，中国宝武就已与中核集团、清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，三方将资源共享，共同打造世界领先的核冶金产业联盟，此处的核冶金就是利用核能制氢再用氢气冶金。
将核能制氢用于冶金和煤化工，是取代传统化石能源大量消耗、缓和世界能源危机的一种经济有效的措施。
③ 酒钢成立氢冶金研究院，探索“煤基氢冶金理论”
酒钢煤基氢冶金中试基地热负荷试车及部分中试试验正在顺利进行。酒钢煤基氢冶金中试基地以高炉瓦斯灰为原料进行了多次试验。项目团队分别以酒钢自产冶金焦丁和褐煤为还原剂，进行了碳冶金和氢冶金的对比试验，两种工艺的金属化率分别为40%左右和85%以上，体现出氢冶金技术的优势。
03
困境：制氢成本高昂，储氢技术难以突破
氢气原料成本较焦炭更高
目前市场上主流制氢方法有电解水制氢、水煤气制氢以及由石油热裂的合成气和天然气制氢，由于全球第四代核电站的推广，近年来核能制氢也逐渐进入到人们的视野。
电解水制氢成本较高，但产品纯度大，可直接生产99.7%以上纯度的氢气。 这种纯度的氢气常供：电子、仪器、仪表工业中用的还原剂、保护气和对坡莫合金的热处理等，粉末冶金工业中制钨、钼、硬质合金等用的还原剂，制取多晶硅、锗等半导体原材料，油脂氢化，双氢内冷发电机中的冷却气等。
水煤气制氢用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气（C+H 2 O→CO+H 2 —热）。 净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的CO转化成CO 2 (CO+H 2 O →CO 2 +H 2 )可得含氢量在80%以上的气体，再压入水中以溶去 CO 2 ，再通过含氨蚁酸亚铜（或含氨乙酸亚铜）溶液中除去残存的CO而得较纯氢气，这种方法制氢成本较低产量很大，设备较多，在合成氨厂多用此法。有的还把CO与H 2 合成甲醇，还有少数地方用80%氢的不太纯的气体供人造液体燃料用。
石油热裂副产的氢气产量很大，常用于汽油加氢，石油化工和化肥厂所需的氢气， 这种制氢方法在世界上很多国家都采用，在我国的石油化工基地如在庆化肥厂，渤海油田的石油化工基地等都用这方法制氢气。
焦炉煤气制氢技术较为成熟，通过变压吸附(PSA)或催化重整、裂解的方法得到氢气。 现焦煤炉气多用变压吸附式技术(PSA)，成本上也相对低廉，根据测算，大型变压吸附制氢成本大约在1元/m 3 ，国内宝武集团、鞍钢、攀钢等均有应用。
核能制氢的本质是利用核电站所产生的电能及热能进行制氢， 目前仍以电解水和热化学制氢两种形式为主，然而前者自身转化能力较低，综合效率约为30%，所以更多的核电部门以热化学制氢为主要的研究方向，具有较好的应用前景。
根据国际能源署汇总数据，在中国生产氢气各种不同技术路径的成本、碳强度如下所示：电网电解水制氢成本最高（约5.5美元/公斤）；可再生能源发电制氢成本（约3 美元/公斤）；天然气加碳捕捉与贮存制氢（约2.5美元/公斤）；天然气制氢（约1.8美元/公斤）；煤制氢（1美元/公斤）；煤加碳捕捉与贮存制氢（1.5美元/公斤）。
按照中国目前氢能市场价格， 采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。
氢气存储要求高，难度大
氢的高密度储存一直是一个世界级的难题。目前储氢方法主要有低温液态储氢、高压气态储氢及储氢材料储氢三种。
液态氢的密度是气体氢的845倍，体积能量密度比压缩状态下的氢气高出数倍，对于储氢容器的要求异常严格，需要耐超低温、长时间可保持超低温、抗压以及严格绝热，对于材料的要求极高，目前只有航空航天领域在使用。
高压气态储存是最常见的储氢方式，依靠压缩机将氢气压缩到储氢瓶中，然后用集装格和长管拖车等工具进行运输，长管拖车运输设备产业较为成熟，但在大规模、长距离储运技术上，成本和技术仍有待进一步改善。
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碳中和背景下，氢气炼钢前景广阔
碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”
钢铁行业是碳排放的重要领域，钢铁行业低碳减排对全国实现碳达峰的目标至关重要。目前我国钢铁行业低碳减排政策主要有两种：
一是压缩钢铁产量。 工信部要求“进一步促进钢铁产量的压减，逐步建立以碳排放、污染物排放、能耗总量为依据的存量约束机制，研究制定相关工作方案，确保 2021 年全面实现钢铁产量同比的下降”。据此我们推断，低排放、低能耗的企业将会获得更宽松的钢铁产量限制。
二是实施碳排放权限额分配制度。 工信部和生态环境部都表示要将钢铁行业纳入碳交易市场中，限额二氧化碳排放。根据钢铁行业适用的历史强度限额分配法，在获配限额一定的条件下，钢铁企业不断降低产品能耗和碳排放量，将会为企业带来更宽松的钢铁产量限制。
钢铁行业减碳相关政策事件梳理
从上述政策事件中可以看到，不论是减产还是配额，钢铁企业的产量都和自身的碳排放、污染物排放、能耗总量等指标相关联，因此我们推断，在未来钢铁行业低碳减排政策不断落地的严监管环境下，较低能耗和较低排放的环保型钢铁企业将会拥有长足的成长优势。
按照发达国家的经验，随着环保政策的不断收紧，企业的环保成本将会不断上升，以欧盟CER碳排放权交易价格为例，从2019年年中开始，随着第三阶段的限制逐步收紧，交易价格逐步走高，这标志着企业在减少碳排放方面将会付出更多成本。
钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业，氢能具备帮助钢铁企业节能减排、完成转型的潜力，加之氢能行业是刚处于起步阶段的行业，钢铁企业为氢能提供了更多的落地应用机会，有着良好的示范效应和应用前景，能够吸引更多行业涉足氢能与精品钢制造。
将氢气加入钢铁企业的产业链中，能够升级传统钢铁制造、扩大氢气的使用量、有效利用废钢以及减少铁矿石的使用量，将形成产业结构和能源结构的双赢局面。 随着未来环保成本的不断上升，氢能炼钢的环保效益将会覆盖其较高的成本，从而使企业从中获益。在碳中和的大背景下，氢能炼钢具有较大的发展空间与潜力。
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