上篇文章介紹了由瑞典鋼鐵公司發(fā)起的HYBRIT（突破性氫能煉鐵技術(shù)）項(xiàng)目、由德國薩爾茨吉特鋼鐵公司發(fā)起的SALCOS（薩爾茨吉特低碳煉鋼）項(xiàng)目和由奧鋼聯(lián)發(fā)起的H2FUTURE項(xiàng)目（詳見《中國冶金報(bào)》7月19日02版），本文將對(duì)以這3個(gè)項(xiàng)目為代表的歐洲氫能利用項(xiàng)目的技術(shù)路徑與特點(diǎn)進(jìn)行分析，并介紹日本和中國相關(guān)項(xiàng)目的發(fā)展情況。
歐洲鋼企氫能利用項(xiàng)目技術(shù)路徑與特點(diǎn)
技術(shù)路徑——電解水制氫 從源頭降低碳排放
制氫、儲(chǔ)氫是利用氫能的關(guān)鍵所在。瑞典鋼鐵公司、薩爾茨吉特鋼鐵公司和奧鋼聯(lián)這3家鋼企采用的都是電解水制氫工藝。該工藝的核心技術(shù)是質(zhì)子交換膜技術(shù)，關(guān)鍵材料是鉑金。薩爾茨吉特鋼鐵公司項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于利用鋼鐵生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的余熱電解水制氫，更好地降低了整個(gè)系統(tǒng)的能源消耗。
從制氫能源來源來看，這3家鋼企都聯(lián)合了電力生產(chǎn)企業(yè)，發(fā)揮電力生產(chǎn)企業(yè)在發(fā)電方面的優(yōu)勢(shì)，采用水電、風(fēng)電、太陽能等清潔能源發(fā)電，從源頭上降低了碳排放。從電力利用效率來看，這3家鋼企電解水制氫工藝的電力利用效率目標(biāo)都在80%以上。
儲(chǔ)氫需要建設(shè)相應(yīng)的儲(chǔ)氫設(shè)施。一種途徑是在鋼企內(nèi)部建立儲(chǔ)氫罐，另一種途徑是借助專業(yè)氣體生產(chǎn)商進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。而經(jīng)過直接還原鐵工序之后富余的氫氣，既可以供鋼鐵后續(xù)工序或其他行業(yè)使用，又可以利用質(zhì)子交換膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)氫氣發(fā)電，用以平衡電網(wǎng)中可再生能源不足對(duì)電網(wǎng)造成的波動(dòng)。
這3家鋼企氫能利用項(xiàng)目都是采用氫氣替代碳的低碳或無碳?xì)湟苯鸺夹g(shù)，大幅減少了二氧化碳的產(chǎn)生與排放，同時(shí)配套采用電弧爐煉鋼，消納社會(huì)廢鋼。
從技術(shù)成熟度來看，奧鋼聯(lián)利用天然氣直接還原鐵的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用氫氣取代天然氣直接還原鐵，工藝可實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)。而瑞典鋼鐵公司和薩爾茨吉特鋼鐵公司在中試研究方面所需的投入更多。
這3家鋼企氫能利用各有側(cè)重。瑞典鋼鐵公司重點(diǎn)在煉鐵和球團(tuán)生產(chǎn)工序使用氫氣替代化石能源。薩爾茨吉特鋼鐵公司則將氫氣應(yīng)用于直接還原鐵和鋼鐵生產(chǎn)的下游工序——冷軋等。奧鋼聯(lián)不僅僅將氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)，還試圖將富余氫氣應(yīng)用于汽車等行業(yè)，拓展產(chǎn)業(yè)鏈。
特點(diǎn)——超前謀劃 注重可行性研究
從特點(diǎn)來看，這3家鋼企都注重利用社會(huì)資源；注重提前謀劃，意在實(shí)現(xiàn)2050年的減排目標(biāo)；重視技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究。
首先，這3家鋼企啟動(dòng)的氫能利用項(xiàng)目參與方眾多，包括電力企業(yè)、電網(wǎng)公司、電解水制氫核心設(shè)備供應(yīng)商、研究機(jī)構(gòu)等。他們充分發(fā)揮了這些企業(yè)在氫能生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣、原材料供應(yīng)等方面的優(yōu)勢(shì)，如電力企業(yè)主要負(fù)責(zé)可再生能源發(fā)電方面的工作等。
這3家鋼企的氫能利用項(xiàng)目得到了政府部門的資金支持，降低了企業(yè)負(fù)擔(dān)，如瑞典鋼鐵公司的HYDRIT項(xiàng)目得到了瑞典能源署大量的資金支持。政府部門的參與有利于項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用。
其次，這3家鋼企發(fā)起氫能利用項(xiàng)目研究的時(shí)間是2016年~2017年，項(xiàng)目預(yù)研與中試將在2021年前后完成，此后將進(jìn)行近10年的示范運(yùn)行測(cè)試，在2035年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，確保到2050年實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。為此，這3家鋼企都確定了階段性目標(biāo)，確保項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)。這3個(gè)項(xiàng)目的示范運(yùn)行測(cè)試時(shí)間都在10年左右，體現(xiàn)了鋼企推進(jìn)氫能利用項(xiàng)目的難度。
再其次，瑞典鋼鐵公司、薩爾茨吉特鋼鐵公司的研究重點(diǎn)都包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。他們從發(fā)電成本、制氫成本、焦炭成本和碳排放的交易成本等方面綜合評(píng)價(jià)了氫能在鋼鐵企業(yè)利用的可行性。
日本鋼鐵行業(yè)氫能利用
2014年11月份，日本鋼鐵協(xié)會(huì)根據(jù)《巴黎協(xié)定》確定了到2030年實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)零碳排放的目標(biāo)。擬通過生態(tài)化工藝、生態(tài)化產(chǎn)品、生態(tài)化解決方案來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
目前，日本鋼鐵協(xié)會(huì)正在推進(jìn)COURSE50（創(chuàng)新煉鐵工藝技術(shù)）國家項(xiàng)目，以及鐵焦煉鐵，氫還原煉鐵，碳捕集、存儲(chǔ)與利用等技術(shù)。為此，日本鋼鐵協(xié)會(huì)研究了全球噸鋼二氧化碳排放強(qiáng)度和鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放總量情況，見表。
當(dāng)前，日本鋼鐵協(xié)會(huì)推動(dòng)的低碳工藝技術(shù)以COURSE50為基礎(chǔ)，以氫氣替代部分焦炭的氫還原煉鐵技術(shù)為主，配合使用碳捕集、存儲(chǔ)與利用技術(shù)。其中，最關(guān)鍵的工藝技術(shù)是氫還原煉鐵技術(shù)。日本鋼鐵協(xié)會(huì)根據(jù)以下公式計(jì)算氫還原煉鐵技術(shù)的成本：
Fe2O3+3/2H2+48kJ→Fe+3/2H2O
日本鋼鐵協(xié)會(huì)估算生產(chǎn)1噸生鐵需要601標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣，補(bǔ)償吸熱反應(yīng)需要67標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣，加熱融化到1600攝氏度需要85標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣，共計(jì)需要753標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣，按照75%的熱效率計(jì)算，產(chǎn)生1噸生鐵需要的氫氣量為1000標(biāo)準(zhǔn)立方米。到2100年，全球氫氣需求量為1.2萬億標(biāo)準(zhǔn)立方米/年。
日本鋼鐵協(xié)會(huì)還按照當(dāng)前的煉焦成本估算出鋼鐵行業(yè)可以接受的氫氣成本為7.7美分/標(biāo)準(zhǔn)立方米。
在推動(dòng)COURSE50項(xiàng)目的同時(shí)，日本鋼鐵協(xié)會(huì)還將推動(dòng)一些基礎(chǔ)性研究，到2100年實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的全部應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)低碳排放。這其中的核心技術(shù)包括零排放發(fā)電技術(shù)，核電、可再生能源發(fā)電技術(shù)，無碳制氫技術(shù)，利用核電和可再生能源低成本、大批量制氫技術(shù)等。
我國鋼企在氫能利用方面的動(dòng)作
2019年4月28日，生態(tài)環(huán)境部等5部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，意在進(jìn)一步降低鋼鐵行業(yè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的污染物排放。鋼鐵企業(yè)尤其是特大型鋼鐵企業(yè)為了適應(yīng)國內(nèi)國際形勢(shì)，也開始積極參與氫能利用項(xiàng)目。
2019年1月份，寶武集團(tuán)與中核集團(tuán)、清華大學(xué)簽訂《核能—制氫—冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，三方將強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，資源共享，共同打造核冶金產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。
2019年3月份，河鋼與中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心、中國鋼研、東北大學(xué)聯(lián)合組建氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，共同推進(jìn)氫能技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。河鋼將重點(diǎn)在氫氣存儲(chǔ)與運(yùn)輸、燃料電池汽車、富氫冶金技術(shù)等領(lǐng)域開展研究。
兩家中國鋼鐵企業(yè)涉足氫能利用，思路各異。寶武集團(tuán)主要采用核能電解制氫工藝，但也不排除其他方面的應(yīng)用擴(kuò)展。河鋼當(dāng)前主要依托鋼鐵企業(yè)自身副產(chǎn)品制氫，制氫工藝成熟、成本相對(duì)較低。在應(yīng)用方面，河鋼前期將主要在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行布局，后期才會(huì)發(fā)展到富氫冶金技術(shù)領(lǐng)域。
因?yàn)閿M采用的制氫工藝不同，兩家中國鋼企所選擇的重點(diǎn)合作伙伴也有所差異。目前這兩家中國鋼企的前期項(xiàng)目研究尚未得到政府基金或?qū)ｍ?xiàng)科研基金的支持。與國外企業(yè)相比，在氫能制取的電解槽、燃料電池電極等方面，國內(nèi)還有差距，有必要吸引電解槽設(shè)備供應(yīng)商、燃料電池供應(yīng)商或相關(guān)研究機(jī)構(gòu)加入。
相信在國內(nèi)企業(yè)、高等院校及科研院所、材料供應(yīng)商、電力企業(yè)等的廣泛參與和政府的大力支持下，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的不斷努力，中國鋼企的氫能利用之路，終能順應(yīng)時(shí)代的要求。
《中國冶金報(bào)》（2019年08月02日 02版二版）
