氫能煉鋼：技術、經驗與前景

2022-12-16 來源：氫能俱樂部瀏覽數：585

鋼鐵生產是溫室氣體及其它污染物排放的一個主要來源，在鐵礦石資源衰減、鋼鐵價格波動及環保壓力增大等多重因素制約下，亟需對鋼鐵生產行業進行轉型升級。而氫氣冶金或將實現二氧化碳“零排放”。

傳統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生還原劑一氧化碳，將鐵礦石還原得到鐵，并產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，其還原產物為水，沒有二氧化碳排放，煉鐵過程綠色無污染，是實現鋼鐵生產過程節能減排的最佳方案之一。

01氫氣冶金：或將實現二氧化碳“零排放”

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%），最終得到鋼的生產過程。鐵礦石有赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)等。傳統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，并產生大量的二氧化碳(CO2)。目前的煉鋼企業大都采用該技術，因此鋼鐵行業碳排放量大，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，其還原產物為水(H2O)，沒有二氧化碳排放，因此煉鐵過程綠色無污染。

氫能煉鋼原理示意圖

氫氣工藝將會極大地減少碳排放

目前氫氣煉鋼已經被應用到成熟的工業生產方案中，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，則可以實現二氧化碳的“零排放”。

氫氣煉鋼可以實現二氧化碳“零排放”

02應用案例

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。國內相關的研究與設計剛剛起步。

國外應用案例

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集團聯合成立。2016年——2017年為項目預研階段，主要工作內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年實現商業化運行。

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：在高爐生產過程中用氫氣取代傳統工藝的煤和焦炭（氫氣由清潔能源發電產生的電力電解水產生），氫氣在較低的溫度下對球團礦進行直接還原，產生海綿鐵（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循環使用。

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，綠色工業制氫）項目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產氫氣和氧氣，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，電解槽轉變成燃料電池，向電網供電，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生的余熱資源生產水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發電，然后采用高溫電解水法生產氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產，也可用于鋼鐵生產的后道工序，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變為直接還原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現富余氫氣的多用途利用。

SALCOS 項目工藝流程圖

③ 奧鋼聯H2FUTURE項目

進展計劃：該項目于2017年由奧鋼聯發起，聯合了西門子公司（質子交換膜電解槽的技術提供方，主要負責電解水產氫）、奧地利電網公司（為電解水提供電力支持）和奧地利K1-MET中心組（負責研發鋼鐵生產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

國內應用案例

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，建設氫能源開發和利用工程，這個具有示范意義的項目包括一座年產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，一噸產品產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。

除了氫冶金之外，河鋼與中國工程院戰略咨詢中心、中國鋼研、東北大學四方聯合共建了“氫能技術與產業創新中心”，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“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-冶金耦合技術戰略合作框架協議》，三方將資源共享，共同打造世界領先的核冶金產業聯盟，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，是取代傳統化石能源大量消耗、緩和世界能源危機的一種經濟有效的措施。

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，體現出氫冶金技術的優勢。

03困境：制氫成本高昂，儲氫技術難以突破

氫氣原料成本較焦炭更高

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，但產品純度大，可直接生產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，粉末冶金工業中制鎢、鉬、硬質合金等用的還原劑，制取多晶硅、鍺等半導體原材料，油脂氫化，雙氫內冷發電機中的冷卻氣等。

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。

石油熱裂副產的氫氣產量很大，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。現焦煤爐氣多用變壓吸附式技術(PSA)，成本上也相對低廉，根據測算，大型變壓吸附制氫成本大約在1元/m3，國內寶武集團、鞍鋼、攀鋼等均有應用。

核能制氫的本質是利用核電站所產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。

根據國際能源署匯總數據，在中國生產氫氣各種不同技術路徑的成本、碳強度如下所示：電網電解水制氫成本最高（約5.5美元/公斤）；可再生能源發電制氫成本（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高爐冶煉工藝至少高五倍以上。

氫氣存儲要求高，難度大

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儲氫、高壓氣態儲氫及儲氫材料儲氫三種。

液態氫的密度是氣體氫的845倍，體積能量密度比壓縮狀態下的氫氣高出數倍，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業較為成熟，但在大規模、長距離儲運技術上，成本和技術仍有待進一步改善。

04碳中和背景下，氫氣煉鋼前景廣闊

碳中和是指國家、企業、產品、活動或個人在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，以抵消自身產生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實現正負抵消，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年前實現碳中和。”