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氢冶金行业发展趋势

2023-01-09

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20213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:

全球各钢铁组织脱碳计划

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 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CO21.5t。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。

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:

我国氢冶金相关政策

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

 

氢冶金技术

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。

氢冶金技术路线

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

 

HYBRITEnergiron

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

 

CISPSuSteel

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。

我国典型氢冶金项目

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。