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張建紅 宿宇 李東 | 鋼鐵行業(yè)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)路徑研究
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摘要：應(yīng)用冶金焦?fàn)t煤氣提取的灰氫具有較好的減碳作用。灰氫煉鐵與現(xiàn)有長流程工藝相比，理論上可減少碳排放20%；灰氫重卡與柴油重卡相比，理論上可減少碳排放21%。當(dāng)前，氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)尚不成熟，灰氫的價(jià)格并不低，綠色度不夠，焦?fàn)t煤氣制氫受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。鋼鐵企業(yè)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，急不得也緩不得，可加速布局氫能重卡和加氫站賽道，在氫冶金方面加強(qiáng)技術(shù)積累，時(shí)機(jī)成熟再投資建設(shè)。 關(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣；氫氣；碳減排；氫能重卡；氫冶金 一、背景 氫能是替代化石能源實(shí)現(xiàn)碳中和的重要選擇。氫能已經(jīng)成為國際社會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化、構(gòu)建脫碳社會(huì)的重要產(chǎn)業(yè)方向。歐、美、日、韓等發(fā)達(dá)國家紛紛制定氫能發(fā)展路線圖，加快推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化布局。氫能產(chǎn)業(yè)已成為我國能源戰(zhàn)略布局的重要部分。
2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》， 提出逐步探索工業(yè)領(lǐng)域替代應(yīng)用。不斷提升氫能利用經(jīng)濟(jì)性，拓展清潔低碳?xì)淠茉诨ば袠I(yè)替代的應(yīng)用空間。開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。探索氫能在工業(yè)生產(chǎn)中作為高品質(zhì)熱源的應(yīng)用。擴(kuò)大工業(yè)領(lǐng)域氫能替代化石能源應(yīng)用規(guī)模，積極引導(dǎo)合成氨、合成甲醇、煉化、煤制油氣等行業(yè)由高碳工藝向低碳工藝轉(zhuǎn)變，促進(jìn)高耗能行業(yè)綠色低碳發(fā)展。“十四五”時(shí)期工業(yè)領(lǐng)域氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用示范工程：結(jié)合國內(nèi)冶金和化工行業(yè)市場(chǎng)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，探索氫能冶金示范應(yīng)用，探索開展可再生能源制氫在合成氨、甲醇、煉化、煤制油氣等行業(yè)替代化石能源的示范。 《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》明確提出鼓勵(lì)氫能等替代能源在鋼鐵、水泥、化工等行業(yè)的應(yīng)用。2021年，國內(nèi)最大的鋼鐵企業(yè)集團(tuán)中國寶武發(fā)布碳達(dá)峰行動(dòng)方案，明確高爐富氫、氫冶金為未來六大降碳技術(shù)路徑，目前中國寶武在新疆、廣東湛江投資建設(shè)相關(guān)涉氫項(xiàng)目。 2022年8月，《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》提出，推動(dòng)綠色低碳技術(shù)重大突破，部署工業(yè)低碳前沿技術(shù)研究，實(shí)施低碳零碳工業(yè)流程再造工程，研究實(shí)施氫冶金行動(dòng)計(jì)劃。在鋼鐵行業(yè)，嚴(yán)格落實(shí)產(chǎn)能置換和項(xiàng)目備案、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、節(jié)能評(píng)估審查等相關(guān)規(guī)定，切實(shí)控制鋼鐵產(chǎn)能。強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)協(xié)同，構(gòu)建清潔能源與鋼鐵產(chǎn)業(yè)共同體。鼓勵(lì)適度穩(wěn)步提高鋼鐵先進(jìn)電爐短流程發(fā)展。推進(jìn)低碳煉鐵技術(shù)示范推廣。優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高高強(qiáng)高韌、耐蝕耐候、節(jié)材節(jié)能等低碳產(chǎn)品應(yīng)用比例。到2025年，廢鋼鐵加工準(zhǔn)入企業(yè)年加工能力超過1.8億噸，短流程煉鋼占比達(dá)15%以上。到2030年，富氫碳循環(huán)高爐冶煉、氫基豎爐直接還原鐵、碳捕集利用封存等技術(shù)取得突破應(yīng)用，短流程煉鋼占比達(dá)20%以上。 2022年9月27日，鞍鋼集團(tuán)氫冶金項(xiàng)目開工儀式在鞍鋼鲅魚圈鋼鐵基地舉行。該項(xiàng)目是全球首套綠氫零碳流化床高效煉鐵新技術(shù)示范項(xiàng)目，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，探索低碳冶金新技術(shù)路線，對(duì)助力我國鋼鐵工業(yè)綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展具有重大意義。
二、現(xiàn)狀 鋼鐵行業(yè)是我國能源消費(fèi)大戶，其二氧化碳排放量約占全國排放總量的15%。我國鋼鐵行業(yè)主要采用高爐—轉(zhuǎn)爐長流程工藝路線，能源結(jié)構(gòu)以煤炭、焦炭為主體，目前噸鋼二氧化碳排放量中煉鐵環(huán)節(jié)占70%以上，開發(fā)低碳煉鐵新技術(shù)是鋼鐵工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。 中國高爐-轉(zhuǎn)爐工藝產(chǎn)鋼量約占總產(chǎn)量的88.4%，高于71.5%的世界平均水平；在全球前十大鋼鐵生產(chǎn)國家中，中國短流程占比最低。如果對(duì)高爐工藝加以改進(jìn)或使用更低碳的工藝替代，雖然可以釋放巨大的減排空間，但經(jīng)濟(jì)代價(jià)也相當(dāng)大[2]。 (一）焦?fàn)t煤氣在鋼鐵行業(yè)主要應(yīng)用場(chǎng)景 鋼鐵企業(yè)焦?fàn)t煤氣的應(yīng)用場(chǎng)景主要有三類[3-4]： 一是燃燒用于加熱。這是目前最常用的方式。 二是用于氫能商用車。目前已有多個(gè)鋼鐵企業(yè)應(yīng)用氫能重卡。 三是氫冶金。相比傳統(tǒng)碳冶金，氫冶金以氫氣為燃料和還原劑，可以使煉鐵過程碳排放大幅降低，從源頭上解決碳排放問題。 (二）鋼鐵行業(yè)和獨(dú)立焦化廠紛紛布局氫能 氫的氧化產(chǎn)物是水，還原鐵時(shí)不生成任何有害物質(zhì)、無溫室氣體排放，全氫還原的美好愿景激勵(lì)著全球鋼企正積極開展對(duì)這一技術(shù)的研究。 從國際上看，氫冶金是當(dāng)前全球鋼鐵行業(yè)技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)，尤其在歐洲，面臨碳減排壓力，歐洲鋼鐵企業(yè)紛紛將目光聚焦在利用氫氣作為還原劑，開發(fā)氫煉鐵工藝技術(shù)，以期在鋼鐵生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)“氣候中性”的目標(biāo)。近來，瑞典鋼鐵公司、蒂森克虜伯、德國迪林根和薩爾鋼鐵、薩爾茨吉特、安賽樂米塔爾、GFG聯(lián)盟等歐洲鋼鐵企業(yè)在氫冶金方面的項(xiàng)目研發(fā)取得一定進(jìn)展。如瑞典的 HYBRIT 項(xiàng)目計(jì)劃用可再生電力生產(chǎn)氫，如順利，可能在2035年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。 從國內(nèi)看，氫能價(jià)值的提高，越來越多的鋼企和獨(dú)立焦化企業(yè)重新審視焦?fàn)t煤氣價(jià)值，進(jìn)行副產(chǎn)制氫。焦?fàn)t煤氣以往在鋼廠主要作為熱源用來燃燒加熱，對(duì)于獨(dú)立焦化廠主要用來供給市政燃?xì)狻ｋS著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入低碳發(fā)展時(shí)期，氫能在代碳、減碳方面的價(jià)值凸顯，越來越多的企業(yè)重新審視焦?fàn)t煤氣價(jià)值，近年來包括中國寶武、鞍鋼集團(tuán)、河鋼集團(tuán)等鋼鐵企業(yè)，以及中國旭陽、美錦能源、山西鄭旺等獨(dú)立焦化企業(yè)都在推進(jìn)焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)制氫項(xiàng)目。中國寶武另辟蹊徑，與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂核能制氫合作項(xiàng)目，目前進(jìn)展順利，已建成了產(chǎn)氫能力100標(biāo)升/小時(shí)規(guī)模的臺(tái)架并實(shí)現(xiàn)86小時(shí)連續(xù)運(yùn)行[2-3]。
三、應(yīng)用焦?fàn)t煤氣提取的灰氫具有較好的減碳作用[4] (一）灰氫煉鐵，理論上可減少碳排放20% 采用傳統(tǒng)的高爐煉鐵技術(shù)，噸鐵二氧化碳排放量約1.232噸。 煤熱解產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣，其中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為60%左右，常用多級(jí)變壓吸附工藝從焦?fàn)t煤氣中提取高純度氫氣。煉焦過程的產(chǎn)品有焦炭、焦?fàn)t煤氣、焦油、粗苯等。因此，煉焦過程消耗的能源和碳排放需要按照國際標(biāo)準(zhǔn)《ISO 14044環(huán)境管理·生命周期評(píng)價(jià) 要求和導(dǎo)則》在產(chǎn)品之間進(jìn)行分配。在相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)電力排放因子進(jìn)行了更新，煤熱解制備1公斤氫氣的碳排放量為5.48公斤，其中直接碳排放為3.05公斤，消耗電力、蒸汽、水產(chǎn)生的間接碳排放為2.43公斤。如采用氣氫管道輸送，每標(biāo)方氫氣的耗電量不到0.1千瓦時(shí)，折合碳排放量0.0581公斤。因此，煤熱解制氫+管道輸氫的碳排放量為5.54公斤二氧化碳/公斤氫氣[5]。 按照理想的狀態(tài)，假設(shè)還原和加熱鐵礦石都采用焦?fàn)t煤氣提取的灰氫，目前還原1噸鐵大約需要500標(biāo)方—550標(biāo)方氫氣，加熱需要500標(biāo)方氫氣，那么制備1噸直接還原鐵需要約93.75公斤氫氣，相應(yīng)的碳排放量為519.38公斤二氧化碳。考慮到后續(xù)煉鋼時(shí)還需要先將直接還原鐵熔化，而熔化1噸直接還原鐵又需要耗電700千瓦時(shí)—800千瓦時(shí)，相應(yīng)會(huì)增加碳排放464.8公斤二氧化碳。那么，用灰氫制備1噸直接還原鐵水，碳排放量約984.18公斤二氧化碳。 可見，制備相近品質(zhì)的鐵水，即使采用灰氫，理論上仍可降低高爐工序近20%的碳排放量。 (二）灰氫重卡，理論上可減少碳排放21% 49噸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車型百公里油耗在32升左右，1升柴油約為0.86公斤，而1噸柴油的碳足跡為3.82噸二氧化碳，那么百公里碳足跡為105公斤二氧化碳。 在相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)電力排放因子進(jìn)行了更新，分別測(cè)算煤炭生產(chǎn)、煤炭運(yùn)輸、煤熱解制氫（含變壓吸附提氫）、氫氣壓縮、氣氫拖車運(yùn)輸、氫氣加注環(huán)節(jié)的碳排放量，折合1公斤氫氣的碳排放量分別為1.65公斤、0.03公斤、5.48公斤、0.6391公斤、0.4648公斤、0公斤，即送到加氫站的灰氫的碳足跡為8.2639公斤二氧化碳/公斤氫氣。 通過氫燃料電池汽車的技術(shù)進(jìn)步，車輛的綜合氫耗水平有望逐步下降。根據(jù)我國節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖，49噸載重量重卡的百公里氫耗將從目前的10公斤氫氣/100公里分別降至2025年的8公斤/100公里，2030年的7.5公斤/100公里水平。那么，重卡使用灰氫，當(dāng)前100公里車程的碳足跡約82.639公斤二氧化碳。 可見，對(duì)于49噸載重量重卡，即使采用灰氫，理論上仍可降低單位車程的碳足跡近21%。
四、存在問題 當(dāng)前，鋼鐵企業(yè)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，還存在一些障礙[4-6]。 一是技術(shù)尚不成熟。國內(nèi)外已有試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明，全氫直接還原技術(shù)存在客觀障礙，也存在經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)，暫無法實(shí)現(xiàn)。氫冶金技術(shù)上，需要攻克在更大容積的豎爐中開展全氫還原技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、高效率的生產(chǎn)；能源上，需要降低可再生能源制電的成本并提高穩(wěn)定性。 二是灰氫的價(jià)格并不低。氫冶金方面，目前，我國大多數(shù)高爐的燃料比在530-540公斤/噸，按單位燃料價(jià)1.8元/公斤，則傳統(tǒng)高爐的燃料成本在954-972元/噸。據(jù)測(cè)算，焦?fàn)t煤氣制氫的綜合成本介于9~15元/公斤。那么，全氫氣煉鐵的燃料成本約1400元/噸，氫冶金的成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程工藝。重卡方面，49噸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車型百公里油耗在32升左右，0號(hào)柴油價(jià)格不到8元/升，百公里油費(fèi)約256元。在儲(chǔ)運(yùn)及加注環(huán)節(jié)，長管拖車氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)成本約8元/公斤，加注成本約11元/公斤。在不考慮補(bǔ)貼的情況下，即使按照成本價(jià)算，氫能重卡百公里耗氫的費(fèi)用也要超過柴油重卡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國氫氣終端銷售價(jià)格為50-80元/公斤，如按照市售氫價(jià)，超過500元，遠(yuǎn)高于柴油重卡。預(yù)計(jì)2024年前后，氫能重卡的全生命周期成本將與柴油車基本持平。 三是綠色度不夠。焦?fàn)t煤氣制氫過程產(chǎn)生的碳排放包括兩部分，一部分是焦?fàn)t煤氣吸附后，剩下的甲烷替代氫氣燃燒產(chǎn)生的碳排放，另一部分是焦?fàn)t煤氣變壓吸附提氫的能耗產(chǎn)生的碳排放。目前，焦?fàn)t煤氣制備氫氣，碳足跡比“清潔氫”的碳足跡4.9公斤二氧化碳/公斤氫要高出不少。 四是焦?fàn)t煤氣制氫受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。自2018年發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》以來，國內(nèi)重點(diǎn)地區(qū)如河北、山東、河南等地大力推進(jìn)焦?fàn)t淘汰工作。根據(jù)上海鋼聯(lián)統(tǒng)計(jì)，截至2021年國內(nèi)焦炭產(chǎn)能5.26億噸，2018年以來減少了4000萬噸。2021年，我國焦炭產(chǎn)量4.64億噸，同比減少 2.2%。“十四五”焦化行業(yè)面臨節(jié)能降碳?jí)毫拖掠武撹F行業(yè)產(chǎn)量壓減的影響，國內(nèi)焦炭產(chǎn)量將進(jìn)入平臺(tái)區(qū)，焦?fàn)t煤氣制氫將受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。 五、建議 “雙碳”背景下，鋼鐵企業(yè)面臨巨大的減排壓力，同時(shí)也面臨著經(jīng)濟(jì)綠色低碳轉(zhuǎn)型的壓力，應(yīng)統(tǒng)籌好發(fā)展和減排的關(guān)系、短期目標(biāo)和長期目標(biāo)的關(guān)系。 快，加速布局氫能重卡賽道。柴油車對(duì)環(huán)境的影響是長期存在的突出問題。柴油車尾氣對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，柴油貨車保有量雖然只占全國汽車總量的7.9%，但其一氧化碳、碳氧化合物、氮氧化物、顆粒物的排放量卻分別占汽車排放總量的10%、18.8%、60%、84.6%以上。一方面，服務(wù)自身物流運(yùn)輸。鋼鐵企業(yè)物流量大，每個(gè)鋼廠都有大量汽柴油車，如河北鋼鐵集團(tuán)就有兩萬多輛。另一方面，服務(wù)社會(huì)。在港口、碼頭、工業(yè)園區(qū)等區(qū)域，重型柴油車密集，如曹妃甸港、黃驊港、連云港、張家港、青島港都是重化工業(yè)聚集地區(qū)。唐山港每年有一億多噸鋼的物流量，黃驊港服務(wù)的邯鄲地區(qū)也是五、六千萬噸鋼，柴油車密集。“柴改氫”要優(yōu)先在港口和港口城市開展，優(yōu)先發(fā)展氫能商用物流車。 慢，在技術(shù)尚不成熟的氫冶金賽道，結(jié)合自身資源稟賦條件和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加大研發(fā)投入，蓄勢(shì)待發(fā)，不急于投資建設(shè)。當(dāng)前，無論技術(shù)成熟度還是經(jīng)濟(jì)可行性，國內(nèi)還不具備大規(guī)模發(fā)展氫基豎爐的條件，短期內(nèi)國內(nèi)仍將以長流程為主導(dǎo)，高爐富氫碳循環(huán)技術(shù)是國內(nèi)鋼廠減少碳排放可行的方案，預(yù)計(jì)2030年左右，可能會(huì)迎來高爐富氫碳循環(huán)技術(shù)改造的高峰期；對(duì)具備電力、煤炭資源優(yōu)勢(shì)的企業(yè)可先行先試開發(fā)氫基豎爐工藝，為今后國內(nèi)大規(guī)模推廣積累技術(shù)、人才等經(jīng)驗(yàn)。未來，隨著可用廢鋼的增加、電弧爐占比的提升、綠電和綠氫變得更加低廉可及，全氫冶金將迎來較大發(fā)展空間[4-6]。
六、結(jié)語 應(yīng)用焦?fàn)t煤氣提取的灰氫具有較好的減碳作用：灰氫煉鐵，理論上可減少碳排放20%；灰氫重卡，理論上可減少碳排放21%。當(dāng)前，氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)尚不成熟，灰氫的價(jià)格并不低，綠色度不夠，焦?fàn)t煤氣制氫受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。鋼鐵企業(yè)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，急不得也緩不得。 參考文獻(xiàn) [1]甘曉靳.可持續(xù)煉鋼——?dú)湓阡撹F工業(yè)未來發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)略評(píng)估[N].世界金屬導(dǎo)報(bào)，2021-04-27(B14). [2] 國家發(fā)布重磅規(guī)劃!多家鋼企全面布局![EB/OL].搜狐網(wǎng),2022-03-31. https://www.sohu.com/a/534161530_120568484. [3] 陳程,宋紹旗,陳培敦.我國鋼企應(yīng)如何融入氫能產(chǎn)業(yè)鏈？[EB/OL].中國鋼鐵新聞網(wǎng),2021-05-28. http://www.csteelnews.com/xwzx/jrrd/202105/t20210528_50620.html. [4] 張建紅.鋼鐵企業(yè)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)不能急也不能緩[N].中國改革報(bào). 2022-11-02(07). [5] 羅仁英.煤制氫氣生命周期碳足跡研究[D].中國石油大學(xué)碩士學(xué)位論文.2020. [6] 張建紅.鋼鐵企業(yè)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè),急不得也緩不得[EB/OL].新華財(cái)經(jīng)-中國金融信息網(wǎng),2022-10-27. https://www.cnfin.com/cy-lb/detail/20221027/3731293_1.html. 注：本文部分內(nèi)容發(fā)表在2022年10月27日新華財(cái)經(jīng)客戶端，原文標(biāo)題《鋼鐵企業(yè)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，急不得也緩不得》。本文在原文基礎(chǔ)上對(duì)標(biāo)題、內(nèi)容和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大幅度的改動(dòng)。文中圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。 | |||||
