钢铁行业氢冶金技术中氢源问题分析

2023-01-14果晶晶

山西冶金 2022年3期

陈健，果晶晶

（1.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北邢台 054025；2.河北科技工程职业技术大学资源与环境工程系，河北邢台 054035）

钢铁行业是碳排放量高达26 亿t 的碳排放大户，占全球总排放量的5%～6%，占中国排放量的15%[1-2]。因此，在碳达峰、碳中和背景下，进入高质量发展阶段的钢铁行业面临着严峻的挑战，需要逐渐从“减碳”过渡到“代碳”来实现碳减排，走零碳化的“绿色钢铁”道路[3]。因此，调整产业结构、开展技术改造、优化工艺流程、开发具有颠覆性的冶金技术等势在必行。作为一项绿色低碳革命的氢冶金技术，是以氢为还原剂来脱除铁矿石中的氧，对钢铁行业实现碳达峰、碳中和意义重大。推广氢冶金技术的关键在于大规模低成本制氢和氢冶金技术应用的经济性和可操作性问题[4]。因此，本文主要探讨钢铁行业氢冶金技术中氢的来源问题，以期为未来氢冶金技术的开发提供参考。

1 典型的氢冶金工艺

徐匡迪院士指出，钢铁行业要通过碳冶金→碳代替→氢冶金来真正实现从富氢冶炼→全氢冶炼的低碳、高效冶炼生产[5]。典型的氢冶金工艺主要有氢等离子直接炼钢、氢熔融还原与氢直接还原等，其中占主流的是高炉富氢冶炼与气基直接还原竖炉炼铁两种。第一，高炉富氢还原即向高炉内喷吹含有富氢的气体，比如天然气、焦炉煤气等进行冶炼，以实现快速还原炉料，降低碳排放；但因喷吹氢气量受限，使得高炉富氢还原的碳减排幅度为10%～20%，效果有限。典型的高炉富氢冶炼项目主要有：综合焦炉改制煤气喷吹入高炉+ 碳捕集技术的日本COURSE50、韩国COOLSTAR、德国DILLINGER，以氢代煤的德国蒂森克虏伯等。第二，气基直接还原竖炉是利用H2、CO 混合气体，将铁矿石转化为直接还原铁，再将其投入电炉冶炼；该工艺能够从源头控制碳排放，减碳幅度可达50%以上，减排潜力较大；但气基竖炉也存在着吸热效应强、入炉H2气量增大、生产成本升高、H2还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题。目前气基直接还原竖炉冶炼项目主要包括瑞典的HYBRIT、欧盟的ULCORED、河北钢铁集团、中晋太行矿业有限公司、中国宝武钢铁集团有限公司、辽宁华信钢铁集团公司等。

2 氢气气源问题

钢铁工业生产规模巨大，规模化实施氢冶金需要大量的、低成本、环境友好型且环保效能和能源转换效率高的氢源[4]。

2.1 高碳能源（化石能源）制氢

化石能源部分氧化过程制氢工艺，主要有石油类燃料的汽转化、裂解转化等方法制氢。国内以煤制氢为主，煤焦化制氢与煤气化制氢是煤制氢的两种主要形式。煤焦化是在焦炉中生产焦炭的同时，得到副产品—焦炉煤气，其主要成分H2（φ（H2）=59.3%）、CH4（φ（CH4）=18.8%）、CO（φ（CO）=7.8%）、H2O（φ（H2O）=6.4%）等。焦炉煤气具有价格便宜、原料易得的优势，缺点是供给量和节能减排的空间有限，可作为近期氢源。煤气化制氢则是先通过水蒸气和煤反应制得合成气，再将合成气转化成氢气。目前利用煤制氢主要以煤的气化制氢为主导。国外制氢主要采用天然气制氢，天然气因其主要成分是CH4，本身就含有氢。故用天然气制氢具有高产、低成本、碳排放少的优势。

但这些高碳能源（化石能源）制氢，终究无法避免排放大量的CO2的问题，制得的氢为“灰氢”或“黑氢”，仍需要辅以碳捕捉装置进行减排，加之转化效率问题，该工艺制氢限于中短期过渡使用，不适合长远的氢冶金[6]。

2.2 电解水制氢

电解水制氢即用电能使水中H 与O 的结合键断开，最终生成H2和O2。由于当前我国电能结构仍以煤发电占主导，仍存在CO2排放问题，故此工艺制得的亦是“灰氢”或“黑氢”，也不适合氢冶金。长远的电解水制氢工艺需要发展以非化石燃料进行发电，来制得“蓝氢”及“绿氢”。例如利用水电势能、风能、太阳能、核能等可再生能源来发电，则无CO2排放问题，环保效应增强。但目前可再生能源的低成本、规模化产电制绿氢，有待于进一步地研发[4]。

核能、氢能均为清洁能源，应用核能制氢来开发纯氢无碳冶炼技术将是未来能源生产革命性的技术之一。宝武集团已着手与中核、清华大学共同开展核能制氢- 氢冶金耦合的研发应用。考虑到制氢的效率与温度的紧密关系，高温气冷堆和非常高温气冷堆是耦合制氢工艺的首选[7]。

2.3 生物质制氢

生物质是能量和氢的双重载体，亦是各种可再生能源中唯一可再生的碳源。生物质种类多种多样，其中包括城市固体废弃物，生活产生的污水，薪柴，农林业的残剩物，食品与林产品加工后的下脚料，产能的能源作物等等。如此庞大的生物质资源如果被用来制氢，不仅能够实现资源的有效利用，还能缓解化石资源短缺[8]。生物质制氢目前采用的不是直接制氢的形式，而是先通过热解生物质制出生物油，再将其与水蒸气重整来制氢气的方法[9]。因全球生物质快速研发利用，有学者认为“生物质经济”是继“石化基烃经济”后的下一个经济形态。

2.4 废旧轮胎制氢

近年来，由于汽车工业的快速发展，汽车轮胎的消耗量与日俱增。替换下来的废旧轮胎若处理不当，将占用大量土地资源，造成严重的“黑色污染”。为解决废旧轮胎的处理问题，可将废旧轮胎用于制氢，主要途径有两种：一是将废旧轮胎热裂解，其热解产物进一步加工后转化成高效催化剂，此催化剂用来提高生物质气化制氢工业的H2产率，在降低制氢成本的同时，也对废旧轮胎进行了资源化利用，符合可持续发展的理念[10]；二是高温下将废旧轮胎中与氧和水蒸汽反应制得H2和CO，从而为氢冶金提供氢源[6]。

2.5 钢铁行业副产制氢

利用钢铁行业副产品—转炉煤气、高炉煤气、焦炉煤气等来为氢冶金提供氢源。2030 年、2050 年我国钢铁行业氢需求分别为259 万t、980 万t。2030 年，氢冶金用氢需求中约92%（237 万t）来自焦炉煤气，剩余约8%（22 万t）来自电解水制氢。长期来看，焦炉煤气远不足以支撑2050 年钢铁行业的用氢需求，必须大规模发展电解水制氢补充氢冶金的用氢需求[3]。

2.6 可燃冰制氢

素有“未来新能源”之称的可燃冰，起初发现于20 世纪70 年代的海洋钻探。我国可燃冰远景储量巨大，虽然目前在开采上存在一定的困难，但预计不久后将会被开采利用。故大力研发自产可燃冰制氢技术，亦可为钢铁行业提供氢源。

综上，因技术、地域不同氢制备生产成本存在明显差异，利用天然气、煤制气技术产氢、富余焦炉煤气进行氢冶金具有低成本优势；电解水制氢只有在低电价和大规模高负荷下才有竞争力。随着碳排放成本的增加和利用风电、太阳能、核电等绿色能源制氢技术装备的发展和制备成本的降低，绿氢在钢铁工业的规模化应用才能成为现实[11]。因此，氢能发展宜分三步走：初期为“利用钢铁行业副产制氢+发展煤制氢+少量天然气制氢”，限制电解水制氢；中期为可再生资源制氢；长期应着重关注以风能、太阳能、核能等低碳绿色制氢技术[12]。