氫能煉鋼技術、經(jīng)驗與前景

1、內(nèi)容目錄 HYPERLINK l _TOC_250016 氫氣冶金：或?qū)崿F(xiàn)二氧化碳“零排放” 4 HYPERLINK l _TOC_250015 基本原理：氫氣替代一氧化碳做還原劑 4 HYPERLINK l _TOC_250014 氫氣工藝將會極大地減少碳排放 5 HYPERLINK l _TOC_250013 應用案例 6 HYPERLINK l _TOC_250012 國外應用案例 6 HYPERLINK l _TOC_250011 瑞典鋼鐵 HYBRIT 項目 6 HYPERLINK l _TOC_250010 薩爾茨吉特 SALCOS 項目 7 HYPERLINK l _TOC_2

2、50009 奧鋼聯(lián) H2FUTURE 項目 8 HYPERLINK l _TOC_250008 國內(nèi)應用案例 8 HYPERLINK l _TOC_250007 河鋼 120w 噸氫冶金示范性工程項目 8 HYPERLINK l _TOC_250006 寶武集團合作中核集團，開發(fā)“核能制氫”技術 9 HYPERLINK l _TOC_250005 酒鋼成立氫冶金研究院，探索“煤基氫冶金理論” 9 HYPERLINK l _TOC_250004 困境：制氫成本高昂，儲氫技術難以突破 9 HYPERLINK l _TOC_250003 氫氣原料成本較焦炭更高 9 HYPERLINK l _TOC_

3、250002 氫氣存儲要求高，難度大 10 HYPERLINK l _TOC_250001 碳中和背景下，氫氣煉鋼前景廣闊 12 HYPERLINK l _TOC_250000 風險提示 15圖表目錄圖 1：傳統(tǒng)高爐煉鐵原理示意圖 4圖 2：氫能煉鋼原理示意圖 4圖 3：部分使用氫氣工藝設計 5圖 4：完全使用氫氣工藝設計 5圖 5：氫氣煉鋼可以實現(xiàn)二氧化碳“零排放” 5圖 6：HYBRIT 項目工藝流程圖 7圖 7：SALCOS 項目工藝流程圖 7圖 8：H2FUTURE 項目工藝流程圖 8圖 9：液態(tài)氫儲罐 11圖 10：高壓氣態(tài)氫儲瓶 11圖 11：儲氫材料示意圖 12圖 12：碳中和示

4、意圖 13圖 13：歐盟 CER 碳排放權交易價格走高 14表 1：不同制氫方法比較 10表 2：鋼鐵行業(yè)減碳相關政策事件梳理 13氫氣冶金：或?qū)崿F(xiàn)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(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)生大量的二氧化碳氣體（CO2）。目前的煉鋼企

5、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。圖 1：傳統(tǒng)高爐煉鐵原理示意圖數(shù)據(jù)來源：mysteel，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。圖 2：氫能煉鋼原理示意圖數(shù)據(jù)來源：維科網(wǎng)，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。圖 3：部分使用氫氣工藝設計圖 4：完全使用氫氣工藝設計數(shù)據(jù)來源：冶金雜志，數(shù)據(jù)來源：冶

6、金雜志，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”。圖 5：氫氣煉鋼可以實現(xiàn)二氧化碳“零排放”數(shù)據(jù)來源：冶金雜志，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(nèi)相關的研究與設計剛剛起步。國外應用案例瑞典鋼鐵 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

7、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

8、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?；舅悸罚涸诟郀t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。圖 6：HYBRIT 項目工藝流程圖圖片來源：worldsteel，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

9、，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 月份正式啟動了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

10、的還原氣體?；舅悸罚簩υ械母郀t-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。圖 7：SALCOS 項目工藝流程圖圖片來源：worldsteel，東吳證券研究所奧鋼聯(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）。圖 8：H2FUTURE 項目工藝流程圖圖片來源：worldsteel，國內(nèi)應用

11、案例河鋼 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

12、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。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。寶武集團的首座綠色冶金工程有望落戶江蘇。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

13、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。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。電解水制氫多采用鐵為陰極面，鎳為陽極面的串聯(lián)電解槽（外形似壓濾機）來電解苛性鉀或苛性鈉的水溶液。陽極出氧氣，陰極出氫氣。該方法成本較高，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)

14、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+H2OCO+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+H2OCO2+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

15、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?，F(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。表 1：不同制氫方法比較制氫方法優(yōu)

16、點缺點電解水制氫產(chǎn)品純度高耗電量大，成本較高水煤氣法制氫成本較低，產(chǎn)量高設備較大，只適合大規(guī)模生產(chǎn)石油和天然氣制氫產(chǎn)量高成本高煤焦爐氣冷凍制氫成本低產(chǎn)量有限點解食鹽水的副產(chǎn)氫純度高產(chǎn)量有限釀造工業(yè)副產(chǎn)氫純度高產(chǎn)量有限可再生能源制氫生物資源豐富轉(zhuǎn)化技術不成熟核能制氫無污染，零排放轉(zhuǎn)化率較低數(shù)據(jù)來源：氫云鏈，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

17、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（約每噸 6 萬元人民幣或 7800 歐元），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。氫氣存儲要求高，難度大氫的密度僅為 0.0899kg/m，是水的萬分之一，因此氫的高密度儲存一直是一個世界級的難題。目前儲氫方法主要分為低溫液態(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，要把氣態(tài)氫變成液態(tài)氫，每公斤需要耗電 4-10kWh，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，因此這種方法極不經(jīng)濟，目

18、前只有航空航天領域在使用。圖 9：液態(tài)氫儲罐數(shù)據(jù)來源：維科網(wǎng)，高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用并且發(fā)展比較成熟的儲氫技術，其儲存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓容器里。目前所使用的容器是鋼瓶，它的優(yōu)點是結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快。但是存在泄露爆炸隱患，安全性能相對較低，但隨著氫能應用的逐步市場化與擴大化，對于鋼瓶的需求將呈現(xiàn)出較快的增長趨勢，該部分市場值得關注。利用高壓氣態(tài)儲氫存在一個較為致命的隱患既體積比容量低，DOE 的目標體積儲氫容量 70g/L，而鋼瓶目前所能達到的最高的體積比容量也僅有 25g/L。而且要能耐受高壓并保證安全性，現(xiàn)在國際上主要采用碳纖維鋼瓶，碳纖維價格

19、非常昂貴，也并非是理想的選擇，可以作為過渡階段使用。圖 10：高壓氣態(tài)氫儲瓶數(shù)據(jù)來源：維科網(wǎng)，儲氫材料儲氫就是利用氫氣與儲氫材料之間發(fā)生物理或者化學變化從而轉(zhuǎn)化為固溶體或者氫化物的形式來進行氫氣儲存的一種儲氫方式。儲氫材料最大的優(yōu)勢就是儲氫體積密度大，相同質(zhì)量的氫氣用儲氫材料儲存占用空間最少，并且操作容易、運輸方便，同時兼具成本低與安全性高的特點，恰好克服了高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫的缺點，但它仍然存在一些技術問題亟待解決。目前儲氫材料主要可以分為物理吸附儲氫和化學氫化物儲氫兩種，其中物理吸附儲氫又可分為金屬有機框架（MOFs）和納米結構碳材料，化學氫化物儲氫則分為金屬氫化物和非金屬氫化物兩種

20、。圖 11：儲氫材料示意圖數(shù)據(jù)來源：北極星氫能網(wǎng)，碳中和背景下，氫氣煉鋼前景廣闊碳中和是指國家、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?！眻D 12：碳中和示意圖數(shù)據(jù)來源：環(huán)保網(wǎng)，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

21、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。表 2：鋼鐵行業(yè)減碳相關政策事件梳理時間部門事件主要內(nèi)容2021 年

22、2 月 9 日中鋼協(xié)發(fā)布鋼鐵擔當，開啟低碳新征程 推進鋼鐵行業(yè)低碳行動倡議書倡導鋼鐵企業(yè)優(yōu)化工藝路徑，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，發(fā)展清潔能源，立足科技進步，創(chuàng)新低碳技術，打造低碳產(chǎn)品，共建綠色生態(tài)圈；同時倡導企業(yè)強化碳管控水平，積極參與碳交易。2021 年 1 月 26日工信部新聞發(fā)言人黃利斌表示，工信部下一步主要從推進鋼鐵行業(yè)一是嚴禁新增鋼鐵產(chǎn)能；二是完善相關的政策措施；三是推進鋼鐵行業(yè)的兼并重組，推的兼并重組等四個方面促進鋼動提高行業(yè)集中度；四是堅決壓縮鋼鐵產(chǎn)鐵產(chǎn)量的壓減。量。2021 年 1 月 11日生態(tài)環(huán)境部印發(fā)關于統(tǒng)籌和加強應對氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護相關工推動鋼鐵、建材、有色、化工、石化、電力、煤炭等重點行業(yè)提出明確的達峰目標并制作的指導意見定達峰行動方案。加快全國碳排放權交易市場制度建設、系統(tǒng)建設和基礎能力建設，以發(fā)電行業(yè)為突破口率先在全國上線交易，逐步擴大市場覆蓋范圍。2021 年 1 月 7 日工信部工信部將制定鋼鐵行業(yè)碳達峰路線圖工信部今年將實施工業(yè)低碳行動和綠色制造工程，并制定鋼鐵、水泥等重點行業(yè)碳達峰行