觀察 | 氫冶金助力鋼鐵行業(yè)深度降碳
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2023-09-07 11:07
中國能源新聞網(wǎng)記者 余璇
據(jù)統(tǒng)計，我國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是制造業(yè)中碳排放量最大的行業(yè)。“雙碳”目標下，我國鋼鐵行業(yè)成為工業(yè)領(lǐng)域綠色發(fā)展的主戰(zhàn)場。減污降碳是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、落實生態(tài)文明理念的必然選擇。
“氫冶金”是重要技術(shù)路徑
當(dāng)前，我國主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是高爐—轉(zhuǎn)爐長流程，以煤炭作為主要能源和還原劑，即鐵礦石和焦炭在高爐煉鐵，鐵水再經(jīng)轉(zhuǎn)爐煉成鋼。生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生大量的二氧化碳，形成較高的碳排放強度。
“在現(xiàn)階段碳排放強度到未來極致碳排放強度的過渡階段，依托鋼鐵工業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝難以實現(xiàn)行業(yè)碳中和，必須尋求減煤降碳降焦，大幅替代化石能源的新型冶煉工藝。因此，包括氫冶金在內(nèi)的顛覆性冶煉技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的重要方向。”冶金工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展研究中心低碳研究所所長陳瑜坦言。
對于發(fā)展氫冶金技術(shù)，國家層面已作出清晰的規(guī)劃部署。
2022年2月，工信部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》；2022年3月，國家發(fā)展改革委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—20235年）》；2022年8月，工信部、國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》……多個政策的出臺，明確宣示了國家對優(yōu)化氫冶金、富氫冶煉等低碳冶煉技術(shù)的大力推進。與此同時，鋼鐵行業(yè)內(nèi)部也在氫冶金技術(shù)應(yīng)用和研發(fā)方面采取了積極行動。
據(jù)了解，目前中國寶武鋼鐵集團有限公司、鞍鋼集團有限公司、河鋼集團有限公司等企業(yè)都已陸續(xù)確定并發(fā)布了各自的行動方案、技術(shù)路線、低碳發(fā)展路線等，都將氫冶金作為其中重要的降碳技術(shù)路徑。
陳瑜表示，目前氫還原是替代碳還原最可行的途徑，不僅有理論技術(shù)支撐，而且已經(jīng)具備實踐應(yīng)用條件，對高爐富氫循環(huán)、氫基熔融還原和氫基直接還原等路線，國內(nèi)外企業(yè)都已經(jīng)開展了示范研究，并取得了積極進展。
“綠色、經(jīng)濟、安全”是發(fā)展關(guān)鍵
“首先綠色經(jīng)濟化制氫，穩(wěn)定經(jīng)濟的‘綠氫’供應(yīng)是氫冶金大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)，同時也是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要前提。”陳瑜指出，氫冶金能否對鋼鐵行業(yè)碳中和起到關(guān)鍵支撐作用，從一定程度上，取決于“綠氫”能否實現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟供應(yīng)。
“以氫代碳”的富氫或全氫冶金，大規(guī)模經(jīng)濟化制氫是基礎(chǔ)。由自然資源保護協(xié)會（NRDC）、冶金工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展研究中心聯(lián)合發(fā)布的《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》（以下簡稱《戰(zhàn)略研究》）認為，綠色經(jīng)濟化制氫和安全規(guī)模化用氫是發(fā)展氫冶金的關(guān)鍵因素。這也與國家提出的相關(guān)氫能發(fā)展目標相吻合。
據(jù)了解，目前我國年制氫產(chǎn)量約為3300萬噸，以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，煤制氫和天然氣制氫占比近80%，焦爐煤氣、煉廠干氣等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%。通過使用可再生能源制造“綠氫”是未來發(fā)展方向，但目前成本高、技術(shù)壁壘高，尚處于示范性工程導(dǎo)入階段。
對此，《戰(zhàn)略研究》建議，近中期可以充分利用各類工業(yè)產(chǎn)氫，就近消納，降低工業(yè)副產(chǎn)氫供給成本。遠期的光伏、風(fēng)能、水電等綠電電解水制氫，將可支撐中國鋼鐵工業(yè)的氫冶金低碳化轉(zhuǎn)型。
“另外一個重要的因素就是安全規(guī)模化用氫，由傳統(tǒng)的碳基能源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉臍淠茉矗趦Υ孢\輸?shù)确矫妫瑢ο鄳?yīng)的安全、溫度、壓力和流量等都有一些特殊的要求。”陳瑜認為，在設(shè)計和建設(shè)規(guī)范等方面都應(yīng)該有相應(yīng)的基礎(chǔ)，在技術(shù)研發(fā)的同時，必須完善氫冶金和鋼鐵企業(yè)儲氫用氫相關(guān)的工程建設(shè)、安全防火等規(guī)范標準，以支撐用氫的安全化和規(guī)范化。同時，輸氫、儲氫等相關(guān)配套措施也要逐步完善。
記者了解到，目前運氫方式最為成熟的是高壓長管拖車的方式，適合在城市內(nèi)運輸，滿足短途內(nèi)輸氫的需求。低溫液氫運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備技術(shù)已實現(xiàn)國產(chǎn)化，并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化，將成為民用氫能領(lǐng)域的重要運氫方式。天然氣摻混氫氣輸運方式，與新建純氫輸氫管道相比更具經(jīng)濟性。值得關(guān)注的是，隨著東部等發(fā)達地區(qū)氫氣需求增長，利用西北地區(qū)的可再生電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實現(xiàn)氫氣的大規(guī)模遠距離輸送，有助于解決中國能源地域分布不平衡問題。
“預(yù)計在2040年前，焦爐煤氣制氫可以憑借制備、儲運、利用成本低、技術(shù)成熟、效率高等優(yōu)點成為鋼鐵企業(yè)用氫主要來源。在2040年后，鋼鐵產(chǎn)業(yè)氫冶金發(fā)展將取決于‘綠電’西電東送和‘綠氫’西氣東輸工程。只有實現(xiàn)上述兩大配套工程，才能夠?qū)崿F(xiàn)東部地區(qū)鋼鐵工業(yè)深度脫碳。”陳瑜預(yù)測。
“降成本”是主要課題
“對氫冶金應(yīng)用發(fā)展最制約，也是最關(guān)鍵的一個因素，更多的還是碳成本和氫冶金成本。而且影響氫冶金經(jīng)濟性的可變因素主要是氫氣成本和碳排放成本的配比。”陳瑜表示，隨著技術(shù)進步，制氫成本將逐步降低，同時企業(yè)要為碳減排，在碳市場中支付一定的碳成本時，氫冶金才能顯示出它相應(yīng)的成本優(yōu)勢。在不同階段適當(dāng)用碳市場手段來提高企業(yè)碳排放成本也是推動氫冶金發(fā)展和氫冶金示范應(yīng)用的重要手段。
專家測算碳冶金和氫冶金成本相當(dāng)時的“綠氫”和“綠電”價格時發(fā)現(xiàn)，按照電解1000立方米“綠氫”用電4500千瓦時、電力成本占總成本70%的情況，要達到冶煉成本平衡點為1337.2元/噸，“綠氫”價格需要低于15.02元/千克，“綠電”價格需要低至0.208元/千瓦時以下，而碳排放成本需要達400元/噸。
因此，碳成本越高，氫冶金越容易具備成本優(yōu)勢。碳排放成本是平衡氫冶金和碳冶金成本的關(guān)鍵因素之一，也是推動氫冶金示范推廣、實現(xiàn)碳減排的驅(qū)動力。
“阻礙氫冶金發(fā)展的重要因素有兩點，一是投資，二是成本。”中冶京誠工程咨詢部部長李傳民也同樣認為，氫冶金工程投資大，一般是同規(guī)模高爐流程、焦化、燒結(jié)3道工序投資之和的2倍。所以目前在行業(yè)盈利水平較低的情況下，意向投資企業(yè)對該類項目存在很大顧慮，企業(yè)首先考慮的是經(jīng)濟效益和投資回報問題。
“要爭取綠色金融的支持，這一點特別重要，因為在中國現(xiàn)在幾乎是零，但是在其他國家，尤其像歐洲、日本、韓國發(fā)展氫冶金，無一例外先是爭取了政府和金融機構(gòu)支持才開始做。”世界鋼鐵協(xié)會副總干事、中國區(qū)首席代表鐘紹良表示，政府和金融機構(gòu)要加大綠色金融方面的支持。
在綜合考慮中遠期鋼產(chǎn)量變化趨勢和鋼鐵工業(yè)“雙碳”愿景的基礎(chǔ)上，《戰(zhàn)略研究》提出我國氫冶金發(fā)展四步走線路圖：
第一階段：到2030年，噸鋼碳排放強度較2020年下降15%。集中攻關(guān)高爐富氫冶煉技術(shù)和純氫基直接還原技術(shù)，以及相應(yīng)的軟硬件；開展高爐富氫冶煉技術(shù)的示范項目，有條件的鋼鐵企業(yè)應(yīng)率先開展高爐噴氫改造，爭取富氫高爐產(chǎn)能占比達到15%。
第二階段：2030年到2040年，噸鋼碳排放強度較2020年下降55%。在此期間，鋼鐵行業(yè)應(yīng)集中攻關(guān)純氫基直接還原技術(shù)及氫基直接還原裝備的國產(chǎn)化、大型化；純氫直接還原技術(shù)取得突破性成果，開展純氫直接還原技術(shù)示范項目；國家氫能產(chǎn)業(yè)體系初步形成，氫源供應(yīng)增長，成本下降，富氫高爐產(chǎn)能占比超過60%。力爭綠氫用量占比達到30%以上。
第三階段：2040年到2050年，噸鋼碳排放強度較2020年下降85%。大力推廣純氫基直接還原技術(shù)，加快“高爐—轉(zhuǎn)爐”長流程制鋼向“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼轉(zhuǎn)型，“純氫基豎爐+電爐”短流程制鋼產(chǎn)能占比達到25%；“綠氫”供應(yīng)量占鋼鐵產(chǎn)業(yè)需氫總量達到85%。鋼鐵企業(yè)與“綠電”“綠氫”供應(yīng)商緊密結(jié)合，共建產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，耦合發(fā)展。
第四階段：2050年到2060年，噸鋼碳排放強度較2020年下降95%。進一步提升“豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比；“純氫基豎爐+綠電電爐”短流程鋼產(chǎn)量占比達到35%。至2060年，鋼鐵行業(yè)年碳排放量降低至約1億噸，通過推進CCUS和碳匯，可實現(xiàn)“碳中和”目標。
此外，對于未來氫冶金發(fā)展，《戰(zhàn)略研究》建議，應(yīng)加強氫冶金技術(shù)研發(fā)和示范的財政和稅收支持，給予氫冶金研發(fā)和試點項目在信貸總量、支持方式和利率上更多支持；在鋼鐵行業(yè)納入全國統(tǒng)一碳市場后，結(jié)合行業(yè)低碳發(fā)展目標及氫冶金等戰(zhàn)略路徑，科學(xué)合理地減少免費配額占比，使率先推進氫冶金技術(shù)的企業(yè)能夠從碳交易中先獲益、多獲益；強化頂層設(shè)計、系統(tǒng)謀劃，構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)鏈和鋼鐵行業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。
責(zé)任編輯：楊娜
校對：高慧君
