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1吨钢2吨碳排放氢能代替一场炼钢业亟需的零碳革命

admin7个月前 (09-28)唐山产业信息30

　　1吨钢2吨碳排放，氢能代替，一场炼钢业亟需的零碳革命

　　氢能领域涉及范围广产业链长但整个行业技术商业化行业标准正常的那个问问重重在资本与舆论的过度追捧下整个行业变得浮躁技术市场基础设施和产业布局等四个层面的商业化之路任重道远建议国内钢企在氢能领域做到规划先行在上游制氢中游储氢下游应用等环节做到标准引领

　　1吨钢2吨碳排放，氢能代替，一场炼钢业亟需的零碳革命

　　传统的高炉炼铁通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳(CO)，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳气体(CO2)。截至2020年，我国钢铁企业平均吨钢碳排放量为1765公斤，1吨钢碳排放量接近2吨，我国要实现碳达峰，碳中和，炼钢业亟需一场低碳革命。

　　截至2020年，我国钢铁企业平均吨钢碳排放量为1765公斤。采用基于天然气的炼铁工艺，可以将吨钢碳排放降至940公斤；而使用80%的氢气和20%的天然气则可以降至437公斤，而氢能炼钢则利用氢气(H2)替代一氧化碳做还原剂，其还原产物为水(H2O)，没有二氧化碳排放，因此炼铁过程绿色无污染。

　　03 氢气替代这么好，氢从那来，贵不贵？目前市场上主流制氢方法有电解水制氢、水煤气制氢以及由石油热裂的合成气和天然气制氢，由于全球第四代核电站的推广，近年来核能制氢也逐渐进入到人们的视野。这四种方法的特性，以及优缺点。各自成本见下表所示：

　　电解水制氢多采用铁为阴极面，镍为阳极面的串联电解槽（外形似压滤机）来电解苛性钾或苛性钠的水溶液。阳极出氧气，阴极出氢气。该方法成本较高，但产品纯度大，可直接生产99.7%以上纯度的氢气。这种纯度的氢气常供：电子、仪器、仪表工业中用的还原剂、保护气和对坡莫合金的热处理等，粉末冶金工业中制钨、钼、硬质合金等用的还原剂，制取多晶硅、锗等半导体原材料，油脂氢化，双氢内冷发电机中的冷却气等。水煤气制氢用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气。净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的 CO 转化成CO2可得含氢量在80%以上的气体，再压入水中以溶去CO2，再通过含氨蚁酸亚铜（或含氨乙酸亚铜）溶液中除去残存的CO 而得较纯氢气，这种方法制氢成本较低产量很大，设备较多，在合成氨厂多用此法。有的还把CO 与 H2 合成甲醇，还有少数地方用80%氢的不太纯的气体供人造液体燃料用。石油热裂副产的氢气产量很大，常用于汽油加氢，石油化工和化肥厂所需的氢气，这种制氢方法在世界上很多国家都采用，在我国的石油化工基地如在庆化肥厂，渤海油田的石油化工基地等都用这方法制氢气。焦炉煤气制氢技术较为成熟，通过变压吸附（PSA）或催化重整、裂解的方法得到氢气。现焦煤炉气多用变压吸附式技术（PSA），成本上也相对低廉，根据测算，大型变压吸附制氢成本大约在1 元/m3，国内宝武集团、鞍钢、攀钢等均有应用。核能制氢的本质是利用核电站所产生的电能及热能进行制氢，核能以及核能制氢的特点与冶金技术深度耦合具有天然优势，目前仍以电解水和热化学制氢两种形式为主，然而前者自身转化能力较低，综合效率约为30%，所以更多的核电部门以热化学制氢为主要的研究方向，具有较好的应用前景。

　　按照中国目前氢能市场价格，采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。 02 钢铁行业的减碳计划钢铁行业是碳排放的重要领域，钢铁行业低碳减排对全国实现碳达峰的目标至关重要。目前我国钢铁行业低碳减排政策主要有两种：

　　03中国钢企氢能领域的布局和实践钢铁企业即是产氢企业，也是用氢单位：焦化厂生产的焦炉气可通过变压吸附（PSA）提纯氢气；在进行生产时，则需要使用氢气作为保护气，也可以使用氢气作为还原气体（如氢冶金）。 1．宝武集团涉足氢能燃料电池宝武集团作为国内乃至全球产量头部的钢铁巨头，涉及氢能并发展氢能应用，建设加氢站，氢燃料电池重卡示范运营，未来的氢能炼铁，引领业界意义重大。 2019年11月15日，宝武清洁能源有限公司（简称宝武清能）揭牌成立。宝武清能是响应国家能源革命，践行中国宝武绿色发展理念，依托中国宝武资源成本优势、空间布局优势，抓住战略机遇而设立的清洁能源创新发展平台。宝武清能将驱动钢铁能源结构优化，缓解能源约束，促进可再生能源消纳，支撑主业低碳冶炼，助推国家氢能发展与低碳社会构建。宝武清能与宝钢股份宝山基地、中石油上海分公司、上海申龙客车、林德公司等氢能生态圈合作伙伴密切合作。宝武清能与林德签署合作备忘录，共同投资液氢生产装置和基础设施，并在中国液氢市场调查研究、布局规划、氢能源产业发展、项目开发等领域开展合作。

　　2020年3月24日，上海宝氢气体工业有限公司发布宝钢股份科研性示范加氢站（厂内）工程EPC总承包项目公告。该项目投资600万，在宝钢厂区建设一座加氢500kg/d的三级加氢站，站内设长管拖车卸车位1个，氢气压缩加氢装置（含冷水机组）1套，放散管1根，加氢车位一个。加氢站项目的招标建设标志着宝武集团在氢能燃料电池行业迈进了实质性的一大步。据报道，由清能股份配套燃料电池系统的10台氢能重卡在完成基本的调试工作后，近期将会交付上海宝钢进行示范运营。目前仍在进行试运营调试江铃氢燃料电池重卡是国内首款以氢气为燃料的新能源重卡车型(宝钢股份与江铃集团2017年7月签署《江铃集团-宝钢股份战略合作协议》)。

　　2019年11月，河钢集团头部座加氢示范站——35/70MPa加氢示范站（邯郸）项目开建，35/70MPa加氢示范站（邯郸）项目重点围绕氢燃料电池重载卡车进行示范运行，打造工业副产气制氢—氢燃料电池重卡物流产业链条，形成真正意义上可循环的、绿色的工业生产—物流运输生态体系，实现零污染、零排放。

　　同时，河北河钢化工有限公司河钢化工35/70MPa加氢示范站（唐山）项目EPC总承包花落安泰科技，建设加氢站及氢气长管拖车充装系统。

　　2020年3月26日，首钢新能源汽车材料项目正式开工建设。该项目位于迁安市经济开发区首钢迁钢公司厂区内，占地 273亩，总建筑面积8.2万平方米。项目计划总投资26亿元，设计产量106.3万吨/年，产品定位于新能源汽车用驱动电机和高端变频家电用高牌号电工钢，主要建设六机架连轧机组一条、高牌号连退机组两条、重卷机组、包装机组及配套公辅设施。该项目建设工期30个月，项目建成后，可实现年产碳钢冷硬卷50万吨，新能源高牌号电工钢35万吨，电工钢冷硬卷21.3万吨，将为首钢产品结构调整和迁安经济转型升级提供达重要支撑。

　　2019年3月26日，山东省人民政府办公厅正式印发《济青烟国际招商产业园建设行动方案（2020-2025年）》。该方案提出位于济南市莱芜经济开发区中南部区域，推出净地13平方公里。发挥山钢股份、泰山钢铁等工业副产氢资源优势，加大氢燃料电池等产品的研发力度，锻造集氢气制储运加、氢燃料电池汽车研发制造、氢能产品群全产业链条。

　　5．中国钢研科技集团有限公司氢燃料汽车

　　中国钢研是中国氢能联盟成员，在氢能源全产业链上进行了布局。2018年7月19日，中国钢研与常州市政府心签署战略合作协议，共同打造氢燃料汽车产业强市及中国氢能利用标杆城市。根据协议，双方就共同促进氢能利用产业发展再次开展战略合作，通过自主创新和引进消化吸收的方式，在常州高新区投资建立包括氢燃料电池核心零部件、电堆、制氢加氢及储运基础设施的完整氢燃料电池产业及应用生态链。中国钢研旗下安泰科技的金属双极板已向加拿大著名燃料电池企业供货，安泰科技控股子公司安泰环境的气体扩散层已经量产，并稳定供应给加拿大普拉格能源公司。据相关人士介绍，安泰科技不仅在燃料电池双极板上有所布局，其电堆及其它关键材料目前也正在积极研发中。

　　中钢集团旗下子公司利用其在新材料上的积累，开展燃料电池石墨双极板业务。2019年4月16日，中钢集团安徽天源科技股份有限公司发布公告称，其全资子公司中钢集团南京新材料研究院有限公司于4月13日与中钢集团新型材料（浙江）有限公司签订《“氢燃料电池石墨双极板材料”项目合作协议》。根据协议，双方约定就“氢燃料电池石墨双极板材料”产品技术的开发、工业化产品的设计、工业化应用示范工程的建立、相关市场的调研和开拓及组建产业化经营实体进行相关产品的研发、生产、销售和技术服务开展合作。中钢集团新型材料（浙江）有限公司是中国中钢集团公司直属国有独资子公司，其前身为成立于1958年的上海炭素厂，进入石墨双极板领域属于业务延伸。

　　江苏沙钢集团是江苏省重点企业集团、国家特大型工业企业。据了解，江苏沙钢集团2017年制氢产值达650万元，氢气产能1400吨，其生产氢气纯度达99.999%。沙钢列入《张家港市氢能产业发展规划》。该发展规划提出，形成行业氢能应用示范点。鼓励氢能在化工、钢铁领域的应用，支持钢铁企业争创冶金氢能利用示范标杆，绿色冶金和节能环保示范。

　　据业内人士表示，鞍钢集团、攀钢集团也纷纷进入了氢能产业。鞍山市将优先开展氢能和燃料电池汽车产业链资源培育与引进，依托鞍钢高纯度工业副产氢气的基础，采取氢能应用、燃料电池汽车、分布式能源产业协同发展的模式，尽快建立制氢、储氢、运氢、加氢基础设施建设、运营等配套服务完善的氢能供给系统。同时，把燃料电池汽车试点示范作为钢都新能源汽车应用的特色，积极构建东北地区氢能燃料电池汽车创新示范应用基地，引导鞍钢在企业通勤班车、物流车率先示范应用燃料电池大客车和物流车，在海城物流园区和城市配送领域引进专业新能源氢能物流车运营商或平台型企业。

　　04对中国钢企布局氢能领域的思考

　　近年来，国内氢能产业呈加速发展的态势，已有多个省市出台氢能相关的产业政策，广东、江苏、湖北等多地密集出台氢能及氢燃料电池汽车产业发展的政策措施，积极抢滩氢能产业制高点。国内钢企也纷纷涉足氢能领域，疫情过后纳入“新基建”必将在未来发展中占有一席之地。

　　氢能领域涉及范围广、产业链长，但整个行业技术、商业化、行业标准、正常的那个问问重重，在资本与舆论的过度追捧下，整个行业变得浮躁，技术、市场、基础设施和产业布局等四个层面的商业化之路任重道远，建议国内钢企在氢能领域做到规划先行，在上游制氢、中游储氢、下游应用等环节做到标准引领。

　　氢能产业链包括制氢、储运、加氢、氢能应用等方面，其中，制氢是基础，储运和加氢是氢能应用的核心保障。在钢铁企业中，氢能利用除氢冶金应用外，还可发展氢燃料电池、氢动力汽车等产业，实现氢能与钢铁业融合发展、共享发展。

　　低成本制氢、储运和使用等氢能领域关键核心技术尚未突破，钢企在氢能领域应充分考虑项目的技术稳定性的风险、投资回收期的经济风险、社会风险和安全风险，做好氢能领域的风险评估与方案预警。

　　2016年，瑞典钢铁公司（SSAB）、Vattenfall和LKAB联合成立了HYBRIT项目。按照HYBRIT项目计划，2016年 ~2017年为项目预研阶段，主要工作内容包括评估非化石能源冶炼的潜力，以及二氧化碳的捕集、存储和利用等。

　　SSAB2025年的减排目标是减少25%，计划在2045年前实现近零排放。瑞典蕞大的电力与热力供应商——瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）目标是在2030年实现近零排放。瑞典矿业集团（LKAB）计划到2021年吨矿二氧化碳排放量相比2015年下降12%，达到27.4千克

　　2018年初公布的研究结果表明：按照2017年底的电力、焦炭价格和二氧化碳排放交易价格，HYBRIT项目采用的氢冶金工艺成本比传统高炉冶炼工艺高20%~30%。SSAB采用长流程工艺的吨钢二氧化碳排放量为1600千克（欧洲其他国家的水平约为2000千克~2100千克），电力消耗为5385千瓦时；采用HYBRIT工艺的吨钢二氧化碳排放量仅为 25千克，电力消耗为4051千瓦时。

　　该项目的中试研究阶段为2018年~2024年，示范运行阶段为2025年~2035年。在为期10年的示范运行阶段主要进行运行测试，以确保到2035年实现商业化运行。

　　HYBRIT项目的工艺流程如图1所示，基本思路是：在高炉生产过程中用氢气取代传统工艺的煤和焦炭（氢气由清洁能源发电产生的电力电解水产生），氢气在较低的温度下对球团矿进行直接还原，产生海绵铁（直接还原铁），并从炉顶排出水蒸气和多余的氢气，水蒸气在冷凝和洗涤后实现循环使用。

　　HYBRIT项目的研究任务包括：研究可再生能源发电及其对电力系统的影响，寻找有效的可再生能源用于发电，为非化石能源冶炼提供能源，同时降低制氢成本；建设制氢与存储工艺及相关装备，为HYBRIT工艺提供低成本、可靠稳定的氢气，并进行氢气产业链布局；研究氢基直接还原炼铁工艺；研究配套炼钢工艺；研究系统集成、过渡路径和政策等。

　　图1 传统工艺和HYBRIT工艺流程比较 2、萨尔茨吉特SALCOS项目

　　2019年4月份，在汉诺威工业博览会上，德国萨尔茨吉特钢铁公司（以下简称萨尔茨吉特）与Tenova公司（一家为金属上下游行业提供节能降耗技术解决方案的公司）签署了一份谅解备忘录，旨在继续推进以氢气为还原剂炼铁，从而减少二氧化碳排放的SALCOS项目。 SALCOS项目旨在对原有的高炉-转炉炼钢工艺路线进行逐步改造，把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线，同时实现富余氢气的多用途利用。SALCOS项目工艺设想如图2所示。为实施SALCOS项目，萨尔茨吉特先期策划实施了萨尔茨吉特风电制氢项目（Wind H2），项目思路是采用风力发电，电解水制氢和氧，再将氢气输送给冷轧工序作为还原性气体，将氧气输送给高炉使用。风力发电是与风力发电供应商合作，建设7台总发电能力为30兆瓦的风力发电机，其中3台在萨尔茨吉特的某个厂内。根据项目计划，头部步是建设质子交换膜电解槽，电解制氢能力为400标准立方米/小时，蒸馏水来自于钢厂水净化设施；第二步是将风力发电场电力输送到电解水工厂。风力发电、制氢工厂建设投资总额约为5000万欧元，制氢工厂将在2020年投用，在此基础上再研究利用其他清洁能源发电。在这一项目中，林德（Linde）公司负责氢气运输，运输方式主要以汽车储气罐运输为主。 2019年1月份，萨尔茨吉特开展了GrInHy2.0项目。GrInHy2.0项目的显著特点是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气，用水蒸气与绿色再生能源发电，然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产，也可用于钢铁生产的后道工序，如作为冷轧退火的还原气体。GrInHy2.0项目设想如图3所示。 GrInHy2.0项目重点设备及环节：高温电解槽：GrInHy2.0项目将首次在工业环境中采用标称输入功率为720千瓦的高温电解槽。其目标是连续不间断运行7000小时，电解效率达到80%以上。同时，当可再生能源不足时，平时存储的氢气可将高温电解槽作为固体氧化物燃料电池用于发电。预计到2022年底，该高温电解槽将至少运行13000小时，总共产生约100吨的高纯度（99.98%）氢气。为此，萨尔茨吉特将与德国Sunfire公司共同建设和运营世界上蕞大的高温电解槽，其中德国Sunfire公司将提供水蒸气或高温、电解核心元素相关技术设备，用于电解水生产氢气。氢气压缩与干燥装置：由Paul Wurth公司提供。氢气运输：萨尔茨吉特Flachstahl厂将负责将氢气输送到工厂内部的能源使用网络。

　　图2 萨尔茨吉特氢利用流程与传统工艺流程

　　2017年初，由奥钢联发起的H2FUTURE项目旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术，降低钢铁生产过程中的二氧化碳排放，蕞终目标是到2050年减少80%的二氧化碳排放。图4显示了H2FUTURE项目的氢能产业链。 H2FUTURE项目的成员单位包括奥钢联、西门子、Verbund（奥地利领先的电力供应商，也是欧洲蕞大的水力发电商）公司、奥地利电网（APG）公司、奥地利K1-MET（冶金能力中心Metallurgical Competence Center）中心组等。该项目将建设世界蕞大的氢还原中试工厂。西门子公司是质子交换膜电解槽的技术提供方，将为奥钢联位于奥地利林茨市的工厂提供电解能力为6兆瓦的电解槽，氢气产量为1200立方米/小时，电解水产氢效率目标为80%以上； Verbund公司作为项目协调方，将利用可再生能源发电，同时提供电网相关服务；奥地利电网公司的主要任务是确保电力平衡供应，保障电网频率稳定；奥地利K1-MET中心组将负责研发钢铁生产过程中氢气可替代碳或碳基能源的工序，定量对比研究电解槽系统与其他方案在钢铁行业应用的技术可行性和经济性，同时研究该项目在欧洲甚至是全球钢铁行业的可复制性和大规模应用的潜力。

　　图4H2 Future氢能产业链 4、德国钢铁生产商蒂森克虏伯已启动氢能冶金测试 2019年11月，德国钢铁生产商蒂森克虏伯正式启动了氢能冶金的测试。据蒂森克虏伯称，这是全球范围内钢铁公司第一次在炼钢工艺中使用氢气代替煤炭，以减少二氧化碳的排放。

　　一次在炼钢工艺中使用氢气代替煤炭，以减少二氧化碳的排放。

　　图氢能炼钢项目正式启动在11日蒂森克虏伯的测试中，氢气通过其中一个风口注入了9号高炉，这标志着一系列测试的开始。蒂森克虏伯钢铁公司计划逐步将氢气的使用范围扩展到9号高炉全部的28个风口。此外，蒂森克虏伯还计划，从2022年开始，该地区的三个高炉都将使用氢气进行钢铁冶炼。此时生产过程可以减少20%的二氧化碳排放。蒂森克虏伯表示，到2030年，由生产过程造成的二氧化碳排放和购买能源所产生的排放将减少30％；到2050年，蒂森克虏伯计划在钢铁生产过程实现零碳排放。氢气在这个过程中毫无疑问将承担重要的角色。蒂森克虏伯氢能炼钢使用的氢气由法液空提供。法液空、林德等为钢铁企业推动氢能炼钢业务提供了氢气服务，如在萨尔茨吉特钢铁公司的氢能炼钢项目中，林德负责了氢气运输的任务。