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张建红 宿宇 李东 | 钢铁行业发展氢能产业路径研究
发布日期:2022-11-17 作者:张建红 宿宇 李东 信息来源:世界杯研究 访问次数: 字号:[ ]

摘要:应用冶金焦炉煤气提取的灰氢具有较好的减碳作用。灰氢炼铁与现有长流程工艺相比,理论上可减少碳排放20%;灰氢重卡与柴油重卡相比,理论上可减少碳排放21%。当前,氢能产业链技术尚不成熟,灰氢的价格并不低,绿色度不够,焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。钢铁企业发展氢能产业,急不得也缓不得,可加速布局氢能重卡和加氢站赛道,在氢冶金方面加强技术积累,时机成熟再投资建设。

关键词:焦炉煤气;氢气;碳减排;氢能重卡;氢冶金

一、背景

氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择。氢能已经成为国际社会应对气候变化、构建脱碳社会的重要产业方向。欧、美、日、韩等发达国家纷纷制定氢能发展路线图,加快推进氢能产业技术研发和产业化布局。氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分。

2022年3月,国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》, 提出逐步探索工业领域替代应用。不断提升氢能利用经济性,拓展清洁低碳氢能在化工行业替代的应用空间。开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用。探索氢能在工业生产中作为高品质热源的应用。扩大工业领域氢能替代化石能源应用规模,积极引导合成氨、合成甲醇、炼化、煤制油气等行业由高碳工艺向低碳工艺转变,促进高耗能行业绿色低碳发展。“十四五”时期工业领域氢能产业创新应用示范工程:结合国内冶金和化工行业市场环境和产业基础,探索氢能冶金示范应用,探索开展可再生能源制氢在合成氨、甲醇、炼化、煤制油气等行业替代化石能源的示范。

《“十四五”工业绿色发展规划》明确提出鼓励氢能等替代能源在钢铁、水泥、化工等行业的应用。2021年,国内最大的钢铁企业集团中国宝武发布碳达峰行动方案,明确高炉富氢、氢冶金为未来六大降碳技术路径,目前中国宝武在新疆、广东湛江投资建设相关涉氢项目。

2022年8月,《工业领域碳达峰实施方案》提出,推动绿色低碳技术重大突破,部署工业低碳前沿技术研究,实施低碳零碳工业流程再造工程,研究实施氢冶金行动计划。在钢铁行业,严格落实产能置换和项目备案、环境影响评价、节能评估审查等相关规定,切实控制钢铁产能。强化产业协同,构建清洁能源与钢铁产业共同体。鼓励适度稳步提高钢铁先进电炉短流程发展。推进低碳炼铁技术示范推广。优化产品结构,提高高强高韧、耐蚀耐候、节材节能等低碳产品应用比例。到2025年,废钢铁加工准入企业年加工能力超过1.8亿吨,短流程炼钢占比达15%以上。到2030年,富氢碳循环高炉冶炼、氢基竖炉直接还原铁、碳捕集利用封存等技术取得突破应用,短流程炼钢占比达20%以上。

2022年9月27日,鞍钢集团氢冶金项目开工仪式在鞍钢鲅鱼圈钢铁基地举行。该项目是全球首套绿氢零碳流化床高效炼铁新技术示范项目,具有完全自主知识产权,探索低碳冶金新技术路线,对助力我国钢铁工业绿色低碳创新发展具有重大意义。

二、现状

钢铁行业是我国能源消费大户,其二氧化碳排放量约占全国排放总量的15%。我国钢铁行业主要采用高炉—转炉长流程工艺路线,能源结构以煤炭、焦炭为主体,目前吨钢二氧化碳排放量中炼铁环节占70%以上,开发低碳炼铁新技术是钢铁工业绿色低碳转型发展的关键所在[1]。

中国高炉-转炉工艺产钢量约占总产量的88.4%,高于71.5%的世界平均水平;在全球前十大钢铁生产国家中,中国短流程占比最低。如果对高炉工艺加以改进或使用更低碳的工艺替代,虽然可以释放巨大的减排空间,但经济代价也相当大[2]。

(一)焦炉煤气在钢铁行业主要应用场景

钢铁企业焦炉煤气的应用场景主要有三类[3-4]:

一是燃烧用于加热。这是目前最常用的方式。

二是用于氢能商用车。目前已有多个钢铁企业应用氢能重卡。

三是氢冶金。相比传统碳冶金,氢冶金以氢气为燃料和还原剂,可以使炼铁过程碳排放大幅降低,从源头上解决碳排放问题。

(二)钢铁行业和独立焦化厂纷纷布局氢能

氢的氧化产物是水,还原铁时不生成任何有害物质、无温室气体排放,全氢还原的美好愿景激励着全球钢企正积极开展对这一技术的研究。

从国际上看,氢冶金是当前全球钢铁行业技术研发的热点,尤其在欧洲,面临碳减排压力,欧洲钢铁企业纷纷将目光聚焦在利用氢气作为还原剂,开发氢炼铁工艺技术,以期在钢铁生产中实现“气候中性”的目标。近来,瑞典钢铁公司、蒂森克虏伯、德国迪林根和萨尔钢铁、萨尔茨吉特、安赛乐米塔尔、GFG联盟等欧洲钢铁企业在氢冶金方面的项目研发取得一定进展。如瑞典的 HYBRIT 项目计划用可再生电力生产氢,如顺利,可能在2035年实现工业化。

从国内看,氢能价值的提高,越来越多的钢企和独立焦化企业重新审视焦炉煤气价值,进行副产制氢。焦炉煤气以往在钢厂主要作为热源用来燃烧加热,对于独立焦化厂主要用来供给市政燃气。随着国内经济进入低碳发展时期,氢能在代碳、减碳方面的价值凸显,越来越多的企业重新审视焦炉煤气价值,近年来包括中国宝武、鞍钢集团、河钢集团等钢铁企业,以及中国旭阳、美锦能源、山西郑旺等独立焦化企业都在推进焦炉煤气副产制氢项目。中国宝武另辟蹊径,与中核集团、清华大学签订核能制氢合作项目,目前进展顺利,已建成了产氢能力100标升/小时规模的台架并实现86小时连续运行[2-3]。

三、应用焦炉煤气提取的灰氢具有较好的减碳作用[4]

(一)灰氢炼铁,理论上可减少碳排放20%

采用传统的高炉炼铁技术,吨铁二氧化碳排放量约1.232吨。

煤热解产生焦炉煤气,其中氢气的体积分数为60%左右,常用多级变压吸附工艺从焦炉煤气中提取高纯度氢气。炼焦过程的产品有焦炭、焦炉煤气、焦油、粗苯等。因此,炼焦过程消耗的能源和碳排放需要按照国际标准《ISO 14044环境管理·生命周期评价 要求和导则》在产品之间进行分配。在相关文献的数据基础上,对电力排放因子进行了更新,煤热解制备1公斤氢气的碳排放量为5.48公斤,其中直接碳排放为3.05公斤,消耗电力、蒸汽、水产生的间接碳排放为2.43公斤。如采用气氢管道输送,每标方氢气的耗电量不到0.1千瓦时,折合碳排放量0.0581公斤。因此,煤热解制氢+管道输氢的碳排放量为5.54公斤二氧化碳/公斤氢气[5]。

按照理想的状态,假设还原和加热铁矿石都采用焦炉煤气提取的灰氢,目前还原1吨铁大约需要500标方—550标方氢气,加热需要500标方氢气,那么制备1吨直接还原铁需要约93.75公斤氢气,相应的碳排放量为519.38公斤二氧化碳。考虑到后续炼钢时还需要先将直接还原铁熔化,而熔化1吨直接还原铁又需要耗电700千瓦时—800千瓦时,相应会增加碳排放464.8公斤二氧化碳。那么,用灰氢制备1吨直接还原铁水,碳排放量约984.18公斤二氧化碳。

可见,制备相近品质的铁水,即使采用灰氢,理论上仍可降低高炉工序近20%的碳排放量。

(二)灰氢重卡,理论上可减少碳排放21%

49吨柴油发动机车型百公里油耗在32升左右,1升柴油约为0.86公斤,而1吨柴油的碳足迹为3.82吨二氧化碳,那么百公里碳足迹为105公斤二氧化碳。

在相关文献的数据基础上,对电力排放因子进行了更新,分别测算煤炭生产、煤炭运输、煤热解制氢(含变压吸附提氢)、氢气压缩、气氢拖车运输、氢气加注环节的碳排放量,折合1公斤氢气的碳排放量分别为1.65公斤、0.03公斤、5.48公斤、0.6391公斤、0.4648公斤、0公斤,即送到加氢站的灰氢的碳足迹为8.2639公斤二氧化碳/公斤氢气。

通过氢燃料电池汽车的技术进步,车辆的综合氢耗水平有望逐步下降。根据我国节能与新能源汽车技术路线图,49吨载重量重卡的百公里氢耗将从目前的10公斤氢气/100公里分别降至2025年的8公斤/100公里,2030年的7.5公斤/100公里水平。那么,重卡使用灰氢,当前100公里车程的碳足迹约82.639公斤二氧化碳。

可见,对于49吨载重量重卡,即使采用灰氢,理论上仍可降低单位车程的碳足迹近21%。

四、存在问题

当前,钢铁企业发展氢能产业,还存在一些障碍[4-6]。

一是技术尚不成熟。国内外已有试验经验表明,全氢直接还原技术存在客观障碍,也存在经济上的挑战,暂无法实现。氢冶金技术上,需要攻克在更大容积的竖炉中开展全氢还原技术,实现规模化、高效率的生产;能源上,需要降低可再生能源制电的成本并提高稳定性。

二是灰氢的价格并不低。氢冶金方面,目前,我国大多数高炉的燃料比在530-540公斤/吨,按单位燃料价1.8元/公斤,则传统高炉的燃料成本在954-972元/吨。据测算,焦炉煤气制氢的综合成本介于9~15元/公斤。那么,全氢气炼铁的燃料成本约1400元/吨,氢冶金的成本远高于传统的高炉-转炉长流程工艺。重卡方面,49吨柴油发动机车型百公里油耗在32升左右,0号柴油价格不到8元/升,百公里油费约256元。在储运及加注环节,长管拖车气态储运成本约8元/公斤,加注成本约11元/公斤。在不考虑补贴的情况下,即使按照成本价算,氢能重卡百公里耗氢的费用也要超过柴油重卡。据不完全统计,当前我国氢气终端销售价格为50-80元/公斤,如按照市售氢价,超过500元,远高于柴油重卡。预计2024年前后,氢能重卡的全生命周期成本将与柴油车基本持平。

三是绿色度不够。焦炉煤气制氢过程产生的碳排放包括两部分,一部分是焦炉煤气吸附后,剩下的甲烷替代氢气燃烧产生的碳排放,另一部分是焦炉煤气变压吸附提氢的能耗产生的碳排放。目前,焦炉煤气制备氢气,碳足迹比“清洁氢”的碳足迹4.9公斤二氧化碳/公斤氢要高出不少。

四是焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。自2018年发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》以来,国内重点地区如河北、山东、河南等地大力推进焦炉淘汰工作。根据上海钢联统计,截至2021年国内焦炭产能5.26亿吨,2018年以来减少了4000万吨。2021年,我国焦炭产量4.64亿吨,同比减少 2.2%。“十四五”焦化行业面临节能降碳压力和下游钢铁行业产量压减的影响,国内焦炭产量将进入平台区,焦炉煤气制氢将受到炼焦产能减少的影响。

五、建议

“双碳”背景下,钢铁企业面临巨大的减排压力,同时也面临着经济绿色低碳转型的压力,应统筹好发展和减排的关系、短期目标和长期目标的关系。

快,加速布局氢能重卡赛道。柴油车对环境的影响是长期存在的突出问题。柴油车尾气对PM2.5的贡献很大。据统计,柴油货车保有量虽然只占全国汽车总量的7.9%,但其一氧化碳、碳氧化合物、氮氧化物、颗粒物的排放量却分别占汽车排放总量的10%、18.8%、60%、84.6%以上。一方面,服务自身物流运输。钢铁企业物流量大,每个钢厂都有大量汽柴油车,如河北钢铁集团就有两万多辆。另一方面,服务社会。在港口、码头、工业园区等区域,重型柴油车密集,如曹妃甸港、黄骅港、连云港、张家港、青岛港都是重化工业聚集地区。唐山港每年有一亿多吨钢的物流量,黄骅港服务的邯郸地区也是五、六千万吨钢,柴油车密集。“柴改氢”要优先在港口和港口城市开展,优先发展氢能商用物流车。

慢,在技术尚不成熟的氢冶金赛道,结合自身资源禀赋条件和技术优势,加大研发投入,蓄势待发,不急于投资建设。当前,无论技术成熟度还是经济可行性,国内还不具备大规模发展氢基竖炉的条件,短期内国内仍将以长流程为主导,高炉富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放可行的方案,预计2030年左右,可能会迎来高炉富氢碳循环技术改造的高峰期;对具备电力、煤炭资源优势的企业可先行先试开发氢基竖炉工艺,为今后国内大规模推广积累技术、人才等经验。未来,随着可用废钢的增加、电弧炉占比的提升、绿电和绿氢变得更加低廉可及,全氢冶金将迎来较大发展空间[4-6]。

六、结语

应用焦炉煤气提取的灰氢具有较好的减碳作用:灰氢炼铁,理论上可减少碳排放20%;灰氢重卡,理论上可减少碳排放21%。当前,氢能产业链技术尚不成熟,灰氢的价格并不低,绿色度不够,焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。钢铁企业发展氢能产业,急不得也缓不得。

参考文献

[1]甘晓靳.可持续炼钢——氢在钢铁工业未来发展潜力的战略评估[N].世界金属导报,2021-04-27(B14).

[2] 国家发布重磅规划!多家钢企全面布局![EB/OL].搜狐网,2022-03-31.

https://www.sohu.com/a/534161530_120568484.

[3] 陈程,宋绍旗,陈培敦.我国钢企应如何融入氢能产业链?[EB/OL].中国钢铁新闻网,2021-05-28.

http://www.csteelnews.com/xwzx/jrrd/202105/t20210528_50620.html.

[4] 张建红.钢铁企业发展氢能产业不能急也不能缓[N].中国改革报. 2022-11-02(07).

[5] 罗仁英.煤制氢气生命周期碳足迹研究[D].中国石油大学硕士学位论文.2020.

[6] 张建红.钢铁企业发展氢能产业,急不得也缓不得[EB/OL].新华财经-中国金融信息网,2022-10-27.

https://www.cnfin.com/cy-lb/detail/20221027/3731293_1.html.

注:本文部分内容发表在2022年10月27日新华财经客户端,原文标题《钢铁企业发展氢能产业,急不得也缓不得》。本文在原文基础上对标题、内容和结构进行了较大幅度的改动。文中图片来源于网络。