氢在冶金行业中的应用：未来如何发展取决于技术路线
氢在冶金行业中的应用：未来如何发展取决于技术路线
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传播国家2030年碳达峰/2060年碳中和的政策、知识、技术与优良做法
以下文章来源于氢眼所见 ，作者马震
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DRI（直接还原铁）是一种从铁矿石中生产钢铁的方法。这一过程构成了当今第四大氢需求来源(每年400万吨H 2 ，或约占纯氢和混合氢总使用量的3%)，仅次于炼油、氨和甲醇。根据目前的趋势，到2030年，全球钢铁需求将增长约6%，发展中地区对基础设施的需求和人口的增长将弥补其他地区的下降。 钢铁行业也产生大量氢气，部分内部消耗，部分分销到qit其他行业。现状氢气主要来自煤炭等化石燃料。为减排，正在测试使用氢气作为主要还原剂的钢铁生产工艺，预计在2030年代实现商业规模化。同时，可将低碳氢气掺入现有工艺，以降低二氧化碳强度。
1、今天的钢铁行业是如何使用氢的?
今天，全球超过四分之三的钢铁需求是通过将铁矿石转化为钢铁的初级生产方法来满足的，而不是利用有限的回收废钢供应的二级生产路线( 见下图1 )，两条主要的主要工艺都涉及到一些氢气的生产和消耗。
注： 钢材数量根据以下来源的最新数据估算，单位为吨/年。 根据能源统计和DRI- EAF路径43 kgH 2 /t的特定氢需求，IEA估计的相关氢消耗和生产如下：
1）在DRI-EAF路线中消耗的400万吨H 2 /年用作还原剂，而在BF-BOF路线中消耗的900万吨H 2 /年(以及综合场地的相关过程)大部分被燃烧。
高炉-碱性氧气炉（BF-BOF）工艺约占全球初级钢铁生产的 90%。它产生的氢是使用煤炭的副产品。这种氢气包含在所谓的 "高炉煤气"（WAG）中，是与其他气体（如一氧化碳）混合产生的。高炉煤气用于现场的各种用途，但也会转移到其他部门使用，包括发电以及 生产 甲醇。 据估计， 钢铁行业 在该路线下的目前使用的氢气为 900 万吨/年，约占全球混合氢气使用量的 20%（即非纯氢）。
在没有政策干预的情况下，预计炼钢行业对专用氢气生产的需求将从目前的 400 万吨氢/年增长到与以气体为基础的 DRI-EAF 路线基本一致的水平（ 见下图2 ）。虽然基于气体的 DRI-EAF 比 BF-BOF 路线的能源密集度更高，但它使用的设备更简单，资本密集度也略低。它往往安装在天然气价格低的地区或煤炭价格低的地区。
图2：初级钢生产专用氢需求的理论潜力
注：
1）气基DRI案例涉及两种情景：一是到2030年气基DRI与现状保持一致，到2050年展示全采用气基DRI的潜力；二是到2030年进行HYBRIT大规模示范，2050年实现全氢DRI。前者基于现状预测，后者为实现《巴黎协定》目标而行动。
2）具体氢气需求假设：气基43kg/t，混合51-55kg/t（其中23kg可外供），全氢47-68kg/t。
3） 在所有情况下，均假设 95% 的 DRI 充入EAF，目前的 DRI-EAF 设备通常使用较高比例的废料 目前设施多使用废料以降低成本。
4）到2030年，DRI-EAF路线的氢气需求可能会增加一倍以上。到2050年，在所有初级生产中使用这种方法可能会导致氢气需求增加15倍。
3、利用氢气满足日益增长的钢铁需求，同时减少二氧化碳排放
世界各地正在进行各种项目，以将这些工艺推向商业化。但比化工场景推进更慢。
如果不遵循当前趋势，而是让能源行业与《巴黎协定》目标相符，氢气需求和生产前景将截然不同。在此路径下，废钢在钢铁总产量中的占比预计将从现在的23%快速增加到2030年的29%和2050年的47%，受限于废钢供应量。分析显示，到2030年，天然气为基础的DRI-EAF在初级钢生产中的份额将略有提升至16%，材料效率战略的进步将导致总产量减少。
在这种情况下，还假定有两项与DRI-EAF有关的平行技术发展。首先，到 2030 年，DRI-EAF 生产中消耗的 30% 天然气将被外部来源的电解纯氢取代，这无需对设备进行重大改动即可实现。其次，"HYBRIT "概念的开发进展将足以在 2030 年之前展示首个商业规模的 100% 氢基 DRI-EAF 工厂，供应 150 万吨/年粗钢，或钢材总需求的 0.1%。
到2030年，钢铁生产对氢气的需求预计将达900~1100万吨/年，与当前趋势预测的800万吨/年相近。但其中，仅有约450万吨/年来自可再生电力，其余依赖天然气。与目前趋势不同，未来氢气需求以电解水来供给，将不依赖CCUS，而每年需230TWh的电力。天然气在2030年仍将占氢气供应的重要地位，导致每年310亿立方米的天然气需求。同时，煤基DRI-EAF生产将在2030年前消失，每年减少1200万吨。
从长远来看，与《巴黎协定》相适应的途径将寻求大幅减少初级钢铁生产中的二氧化碳排放。在所有初级钢铁生产中使用 100% 氢 DRI-EAF 路线将在很大程度上消除二氧化碳排放，前提是电力来源于可再生能源。但这将需要 4799-6700万吨氢/年。
生产这么多的氢需要超过 2500 TWh /年的电力。作为电解槽的原料，还需要大量不过还可控的水：约 0.6 亿立方米/年，约为目前能源行业用水总量的 1%。作为副产品，每年将产生约 5 亿吨氧气；这些氧气可用于其他工业领域。
图3： 通过DRI-EAF路线满足氢需求的能源影响
注：
1）仅包括商业煤/天然气基和100%氢基DRI-EAF路线的能源和氢气需求。
2）需求数据与实现《巴黎协定》目标的情景相一致，包括实施材料效率战略和最大限度地部署二级生产路线。
3）在计算氢气需求和能量输入时，假设了气体和100%氢基DRI-EAF路线的平均氢气需求。
4）表示能量和氢气需求的气泡是在LHV能量含量的基础上大小的。氢和能量的量是相等的，而不是相加的。
5）在所有情况下，假设DRI的 95%注入 EAF 。目前的DRI-EAF设施通常使用更高比例的废料，因为这降低了成本。
4、清洁氢的成本竞争力
在没有足够高的二氧化碳价格来触发向低碳氢的转换的情况下， 那么在 DRI-EAF 路线中用可再生氢气替代未减产的天然气将扩大 DRI-EAF 和 BF-BOF 商业路线之间的成本差异 ( 见下图4 )。
图4：2018年选定新建生产路线的钢铁估计成本
5）基于氢的DRI-EAF路线比基于天然气的路线成本高出10%至90%，并且对电力成本高度敏感。
能源和其他原材料投入成本约占 DRI-EAF 路线生产成本的 45%，因此微小的价格差异也会对成本竞争力产生巨大影响。目前的天然气价格范围使得商业 DRI-EAF 路线在特定情况下与 BF-BOF 路线具有竞争力，而基于氢的 DRI-EAF 路线，根据目前对关键技术参数的估计，只有在电价最低的地方才具有竞争力。即使天然气生产涉及 CCUS（高出 10-85%），它的成本也将大大高于以天然气为基础的同类产品（高出 15-90%）。
在目前正在探索的其他低排放钢铁生产途径中，" 含CCUS的富氧熔炼还原转炉”(HIsarna)路线 ，似乎在大多数地区具有最低的总体生产成本。根据目前公开的有限技术经济信息，它的资本密集程度甚至低于目前的商业化 BF-BOF 路线，并可减少约 80-90% 的二氧化碳直接排放量。在大多数地区，"二氧化碳管理 "途径族群目前往往处于更先进的发展阶段。然而， 在与《巴黎协定》相适应的长期道路的背景下， HIsarna 设计必须与广泛的二氧化碳运输和二氧化碳地质封存基础设施相结合。
上图4 中没有讨论的另一个关键考虑因素是现有产能的存量。尽管最近在努力淘汰未充分利用的资产，但钢铁行业仍然面临产能过剩的问题。
此外，BF-BOF 路线约占现有初级产能的 90%，在这一资产类别中，钢铁生产商通常预计未来几年不会进行大量新建投资。在过去的 10-20 年中，许多采用这种技术的设施已经建成，如果没有政策干预，新的替代生产路线将很难与之竞争。这些动态因素为二氧化碳管理路径的发展提供了基础，这些路径通常寻求在利用现有综合钢铁设施的同时减少排放。HIsarna 是一个例外，因为它需要新建投资。
为了与配备CCUS的基于天然气的同行长期竞争，100%氢基途径目前看起来可能需要5-35美元/兆瓦时的低碳电价( 见下图5 )。假设电解槽效率高，资本支出要求低，这意味着氢气成本为0.7 - 2.0美元/kg。当使用专用的低成本可再生资源时，这些成本在某些地区可能是现实的，但在其他地方实现则具有挑战性。此外，拥有低成本可再生能源资源的地区，如果没有足够的铁矿石和其他材料储备， 或者 远离需求中心，可能会产生额外的成本。
注：
1) 平准化成本包括核心工艺设备的资本支出成本、固定运营成本、燃料和原料成本，以及捕获、运输和储存二氧化碳的成本。
2) 以天然气为基础的路线假定最高实现能源性能。电电解系统资本支出范围：455-894美元/千瓦时。
4) 基于电解氢的路线开始与配备CCUS的天然气路线竞争，电价为5-35美元/兆瓦时。
结语： 政策应支持钢铁业采用氢作为还原剂：一，扩大100%氢基DRI-EAF示范规模，提供低成本融资与研发资金支持；二，建立差异化市场，支持钢铁生产商应对可再生氢气成本增加，短期内推广氢天然气混合，长期专注100%氢基路线。可修改公共采购合同，推广“绿色钢材”，启动对高成本产品需求。消费者在汽车等领域可吸收稍微高一些的成本。
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