(1.中國鋼研科技集團(tuán)有限公司氫冶金中心 北京100081；2.冶金自動化研究設(shè)計院有限公司 北京100081)
1 緒論
自20世紀(jì)中葉以來，人為溫室氣體排放所導(dǎo)致的氣候變暖是當(dāng)前人類社會面臨的重大全球性挑戰(zhàn)?！栋屠鑵f(xié)定》確定了促使全球平均溫升不超過工業(yè)革命前2℃并力爭達(dá)到1.5℃的目標(biāo)，標(biāo)志著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展向低碳化轉(zhuǎn)型。2020年9月，習(xí)近平總書記代表中國提出“CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。雙碳目標(biāo)的提出有利于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，為未來中國的低碳綠色發(fā)展譜寫了宏偉藍(lán)圖。
我國風(fēng)能、太陽能等綠色資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮蟆＝刂?023年底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量約為4.4億千瓦，同比增長20.7%，光伏裝機(jī)容量約6.1億千瓦，同比增長55.2%。預(yù)計2030年，非化石能源發(fā)電裝機(jī)占比將近70%。由于風(fēng)電、光伏發(fā)電的地域、季節(jié)特征明顯、電力輸出的不確定性大，目前電力系統(tǒng)尚不能完全適應(yīng)其大規(guī)模介入和消納。利用風(fēng)電和光伏發(fā)電電解水制氫，將電能轉(zhuǎn)化為可長期儲存的氫氣，既可為工業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)原料和二次能源載體，又可削峰填谷、消納棄風(fēng)棄光的電能、提高能源利用效率。預(yù)計到2050年，氫能將在我國的能源消費(fèi)比例中占到10%，有望徹底改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)體系，促進(jìn)第三次能源革命。
鋼鐵行業(yè)是僅次于電力行業(yè)的能源消費(fèi)和碳排放大戶。中國鋼鐵工業(yè)碳排放占全國碳排放總量的15%左右，占世界鋼鐵工業(yè)碳排放總量的51%。鋼鐵生產(chǎn)主要使用炭質(zhì)能源，整個生產(chǎn)過程中均伴有CO2排放，碳排放量約為1.85 t CO2/t粗鋼。其中，煉鐵過程中碳排放量占總碳排放量70%以上。此外，我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品主要以建材為主，占比超過50%。在長周期減量調(diào)結(jié)構(gòu)趨勢下，隨著用鋼產(chǎn)業(yè)的需求變化和轉(zhuǎn)型升級，鋼鐵行業(yè)迫切需要重新構(gòu)建綠色低碳鋼鐵材料體系，促進(jìn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。
2 綠電綠氫冶金
2.1 綠電綠氫
近年來，隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和投資成本的不斷下降，綠電發(fā)電成本顯著降低。據(jù)測算，2030年風(fēng)力發(fā)電的平準(zhǔn)化電力成本將降到0.12元/kWh，光伏發(fā)電的平準(zhǔn)化電力成本將降到0.07元/kWh，折算為風(fēng)光電價為0.1元/kWh?；诖?，電解水制氫的平準(zhǔn)化制氫成本為0.93元/Nm3.綜合考慮制氫側(cè)成本優(yōu)化及政策等的影響，電解水制氫成本到2030年將有很大可能等于或低于“灰氫”最低成本，詳見表1.無論從政策導(dǎo)向還是可降成本的空間來看，氫能未來的可持續(xù)發(fā)展必然以綠電解水生產(chǎn)的“綠氫”為方向。
表1 各種制氫方式成本對比表
|
序號 |
制氫方式 |
制氫成本 |
|
1 |
煤氣化制氫 |
0.9~1.2元/Nm3 |
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2 |
天然氣制氫 |
1.1~2.2元/Nm3 |
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3 |
2030年測算電解水制氫成本 |
0.93元/Nm3 |
|
4 |
工業(yè)富產(chǎn)氫 |
0.9~1.45元/Nm3 |
2.2 綠電綠氫冶金
作為一種理想的綠色冶金模式，氫冶金工藝一般是指入爐還原氣含氫量大于55%條件下還原鐵礦石生產(chǎn)DRI的以氣基豎爐直接還原為主要代表的非高爐煉鐵工藝。但是由于缺乏天然氣資源，氣基豎爐工藝在我國發(fā)展緩慢。新能源技術(shù)和電解水制氫技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，為我國氫冶金工藝的發(fā)展開拓了新的方向，即綠電綠氫冶金。以綠電電解水制備的綠氫作為還原氣，同時采用綠電為能源介質(zhì)，在豎爐內(nèi)將鐵氧化物還原制備金屬化球團(tuán)，生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)再進(jìn)入電爐、精煉爐進(jìn)一步冶煉生產(chǎn)零碳鋼水。綠電綠氫冶金既可以就地消納綠電資源，減少棄風(fēng)、棄光，提高新能源利用效率，又可以促進(jìn)鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型生產(chǎn)高品質(zhì)、超純凈、高附加值鋼材，與我國新能源戰(zhàn)略切合度高，發(fā)展?jié)摿薮蟆＞G電綠氫冶金技術(shù)的工藝路線見圖1.
圖1 綠電綠氫冶金工藝流程圖
2.3 優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
2.3.1 技術(shù)優(yōu)勢
(1)產(chǎn)品純凈
|
成分 |
C |
P |
S |
Si |
Mn |
|
直接還原鐵-電爐純鐵水 |
＜0.002 |
0.009 |
0.0025 |
＜0.005 |
0.0008 |
|
高爐鐵水 |
≥3.50 |
≤0.100 |
≤0.030～0.050 |
≥0.45～0.85 |
＞0.4～1.00 |
|
轉(zhuǎn)爐鋼水 |
0.12~0.20 |
≤0.045 |
≤0.045 |
≤0.3 |
0.3~0.7 |
(2)零碳排放
中國的鋼鐵產(chǎn)量自1992年以后一直位居世界第一。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，2023年，全球各國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到了18.50億噸，我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)10.19億噸，全球占比約為55.08%。
“雙碳”目標(biāo)是鋼鐵行業(yè)重大任務(wù)，也是最大挑戰(zhàn)。在鋼鐵生產(chǎn)流程中，煉鐵環(huán)節(jié)直接碳排放占比90%以上，煉鋼環(huán)節(jié)直接碳排放占比約為10%，但是煉鋼環(huán)節(jié)的碳來源依然是煉鐵環(huán)節(jié)。鋼鐵生產(chǎn)流程各工序碳排放占比，見表3.傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝的碳減排潛力只有10%~20%，減排效果有限。綠電綠氫冶金能夠從源頭上消除化石能源所帶來的碳排放問題，是目前世界各國鋼鐵行業(yè)源頭減碳的首要選擇。各國鋼鐵企業(yè)正在積極探索從碳冶金向氫冶金轉(zhuǎn)變。綠電綠氫冶金采用綠電-綠氫能源結(jié)構(gòu)，碳排放為零。以綠電綠氫冶金年產(chǎn)1億噸粗鋼估算，年可減少二氧化碳排放約1.85億噸。
表3 鋼鐵生產(chǎn)流程各工序碳排放占比
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序號 |
工序 |
碳排放占比，% |
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1 |
焦化 |
4.5 |
|
2 |
燒結(jié) |
11.5 |
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3 |
高爐 |
73.6 |
|
4 |
煉鋼 |
8.7 |
|
5 |
軋鋼及加工 |
1.7 |
