傳統(tǒng)的高爐煉鐵通過焦炭燃燒提供還原反應所需要的熱量并產(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，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)被應用到成熟的工業(yè)生產(chǎn)方案中，主要的方案設計有兩種：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)相關的研究與設計剛剛起步。

 

 

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“氫能技術與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心”，并自行建設加氫站，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

 

2019年，中國寶武就已與中核集團、清華大學簽訂《核能-制氫-冶金耦合技術戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將資源共享，共同打造世界領先的核冶金產(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(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，長管拖車運輸設備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在大規(guī)模、長距離儲運技術上，成本和技術仍有待進一步改善。

 

 

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)是碳排放的重要領域，鋼鐵行業(yè)低碳減排對全國實現(xiàn)碳達峰的目標至關重要。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)結構、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用機會，有著良好的示范效應和應用前景，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)結構和能源結構的雙贏局面。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。