钢铁行业是碳排放密集程度最高、最难脱碳的行业之一,约占全球碳排放量的7.2%。根据中国冶金工业规划研究院数据统计,2020年钢铁行业碳排量约占全国15%,是我国制造业31个门类中碳排放量最大行业。根据2021年3月冶金工业规划院透露的《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》初稿,钢铁行业碳达峰目标初步定为:2025年前,钢铁行业实现碳排放达峰;到2030年,钢铁行业碳排放量较峰值降低30%。全球各大钢铁龙头企业与钢铁协会也先后公布了各自的脱碳计划,具体如下:
组织与项目 | 年份 | 碳减排目标 |
日本钢铁联合会 | 2050 | 30% |
奥钢联 | 2050 | 80% |
蒂森克虏伯 | 2030 | 30% |
2050 | 100% | |
COOLSTAR | 2050 | 15% |
Dilinger 和Saaratahl | 2035 | 40% |
HYBRIT | 2026 | 100% |
浦项钢铁 | 2030 | 20% |
2040 | 50% | |
2050 | 100% | |
中钢协 | 2030 | 30% |
2050 | 100% |
根据德国蒂森克虏伯的研究,理论上冶炼1吨铁水需要消耗414 kg碳,相当于排放CO2约1.5t。而事实上,由于工业条件的限制以及冶炼过程中的原材料与电力消耗,即便扣除循环回收的二次能源消耗,生产1吨铁水的碳排放也在1.9吨左右,约占炼钢总碳排的90%。
尽管钢铁行业正不断探索诸如蓄热燃烧技术、高炉喷吹煤粉技术、高炉煤气余压发电技术、高炉煤气联合循环发电技术、干熄焦技术、转炉负能炼钢技术等以促进整体工序的节能减排,但实际应用中这些技术减排能力有限。氢冶金因其巨大的减排潜力以及深度脱碳的能力,已成为国内外龙头钢企志在必得的制高点。
氢冶金是钢铁行业唯一具有超低碳排放潜力的工艺选择。具体来看,绿氢能在如下几个环节中起到作用:在烧结工序中,氢气可以作为铁矿石的烧结燃料,降低焦粉/煤粉等高碳能源消耗;在生铁冶炼工序中,氢气可以作为还原剂直接还原铁矿石;在钢材冷轧退火工序中,需要氢气作为保护气。由于生铁冶炼环节贡献了钢铁生产全流程总碳排量的73.6%,因此氢作为还原剂参与生铁冶炼是目前氢冶金的主要研究方向。
自2021年起,我国陆续出台了几项政策文件,旨在鼓励企业发展氢冶金等低碳冶金技术,文件主要包括:
发布时间 | 政策名 | 主要内容 |
2021.3 | 《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》初稿 | 应用突破性低碳技术。主要是氢能冶炼,氧气高炉及非高炉冶炼,碳捕集、利用和封存技术 |
2021.4 | 《钢铁行业产能置换实施办法》 | 常规炼铁炼钢产能须按政策规定,以相应比例(1.5:1 ~ 1.1:1)置换减少产能。若以氢冶金技术置换原有产能,则可以实施等量置换 |
2021.12 | 《“十四五”原材料工业发展规划》 | 开展低碳制造试点工程,如富氢碳循环高炉、氢能窑炉、氢基直接还原等技术 |
目前全球氢冶金的技术路线主要有3条,分别对应了传统炼铁的3种技术路线,氢能分别取代原料焦炭、天然气以及煤还原铁矿石,具体如下表。氢冶金工程学研究始于直接还原和熔融还原技术的开发,主要包括富氢还原和全氢还原。由于全氢还原受大规模制氢技术和成本的限制,因此富氢高温熔态还原得到了优先发展,控制还原气体中的富氢含量是技术关键。富氢煤气还原铁矿的生产工艺自上世纪中叶已逐步实现了工业化,如使用天然气的Midrex工艺和HLY-Ⅲ工艺。
技术路线 | 示意图 | 主要技术 | 技术说明 | 优势 | 局限性 |
高炉富氢炼铁 |
| - | 在传统高炉炼铁装置内喷吹富氢气体 | 设备改造成本低,具备经济性,具有增产效果 | 理论减排潜力有限,技术上难以实现全氢冶金 |
气基竖炉直接还原炼铁 |
| HYBRIT和Energiron | 利用还原气直接还原炼铁,还原气中直接提升氢气的比例 | 理论减排潜力较高,可达90%以上 | 改造难度较高,铁矿石原料质量要求高,设备工艺水平不足 |
氢熔融还原铁 |
| CISP和SuSteel | 在熔融还原炼铁工艺中注入含氢气体 |
我国主要氢冶金项目情况如下。
项目 | 企业 | 启动时间 | 氢源 |
高炉富氢还原低碳炼铁 | 八一钢铁 | 2017 | 焦炉煤气 |
低碳富氢炼铁技术改造项目 | 邢台钢铁 | 2020 | 焦炉煤气 |
2000立方米级高炉规模化喷吹氢气项目 | 晋南钢铁 | 2020 | 焦炉煤气 |
年产30万吨直接还原铁的氢基直接还原项目 | 中晋太行 | 2013 | 焦炉煤气 |
年产110万吨气基竖炉直接还原炼铁项目 | 明拓集团 | 2019 | 煤制气 |
煤基氢冶金项目 | 酒钢集团 | 2019 | 煤制气 |
1万吨直接还原铁富氢气基竖炉示范项目 | 华信钢铁 | 2018 | 焦炉煤气 |
氢能源开发和利用工程示范建设项目 | 河钢集团 | 2020 | 焦炉煤气 |
100万吨/年氢基竖炉直接还原示范工程 | 宝武集团 | 2021 | 天然气、焦炉煤气 |
年产50万吨氢基直接还原炼铁项目 | 日照钢铁 | 2020 | 制醋酸乙烯副产氢 |
30万吨熔融还原法高纯铸造生铁项目 | 建龙集团 | 2019 | 煤制气、焦炉煤气 |
100万吨氢冶金直接还原项目 | 安宁铁钛 | 2022 | - |
我国氢冶金面临如下难题:
(1)我国钢铁行业整体利润率低,而氢能产业投资大、周期长,短期内难以盈利。
(2)我国需要解决诸多技术问题,例如高炉喷吹富氢气体比例、、直接还原炼铁技术、熔融炉耐高温材料等。
(3)钢铁生产设施一般寿命较长,更新换代率低。以中国为例,其高炉的平均寿命是13年,其他相关设施在退役前还可运行20年以上。快速转型可能会带来一定程度的搁浅资产风险。
(4)绿氢价格较焦炭高出许多,即使目前氢冶金技术达到先进水平,氢冶金也未必能盈利。
(5)我国对氢冶金技术的政策支持相对较少。
我国虽然发展氢冶金相对较晚,但潜力巨大,在氢熔融还原炼铁技术方面甚至有着领先全球的产业化应用。未来随着中国氢能产业的发展,制氢、储氢和加氢等关键技术将实现突破,绿氢终端使用成本快速下降,中国大规模发展氢冶金工艺的最佳时期也将随之到来。