氫能冶金能否助力鋼鐵綠色化？
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2020年8月28日，河鋼集團邯鄲70MPa和35MPa雙壓力固定式加氫站建成投產(chǎn)，是國內(nèi)鋼鐵企業(yè)率先建設的固定式加氫站。
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◆本報記者 劉曉星
一期60萬噸，河北鋼鐵富氫利用項目日前正式開工，這一項目在國際上率先采用新一代低碳氫能源示范裝置。
河鋼僅僅是我國鋼鐵行業(yè)推進氫能冶金實踐的一個縮影。 鋼鐵行業(yè)是去產(chǎn)能、調(diào)結構、促轉(zhuǎn)型的重點行業(yè)，加快實施綠色化改造升級，發(fā)展節(jié)能環(huán)保、可再生能源等新興技術，是加快實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換的重要方式，氫能與鋼鐵行業(yè)的結合正是一個良好的示范。
氫能冶金如何助力綠色鋼鐵？日前，中國環(huán)境科學學會和上海交通大學環(huán)境科學與工程學院聯(lián)合主辦“碳中和愿景下鋼鐵行業(yè)氫能脫碳高端論壇”，為我國鋼鐵行業(yè)氫能冶金工作建言獻策，為推進碳達峰、碳中和提供學術支撐。
鋼鐵行業(yè)對氫能需求迫切
氫能可直接為鋼鐵行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)熱源，有效減少碳排放
當前，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)為綠色發(fā)展持續(xù)努力著，在鋼鐵等重點行業(yè)實施開展氫能冶金的研究和實踐尤為迫切。
討論中，業(yè)內(nèi)一位專家表示：“除了通過基于氫氣的直接還原技術和碳捕獲與封存技術實現(xiàn)減排以外，關于減少鋼鐵生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，當前沒有更多的方式。”可以認為，“氫氣煉鋼”是鋼鐵工業(yè)當前已知的最佳減排技術之一。
“氫冶金與傳統(tǒng)的高爐流程相比，以氫氣代替高爐冶煉使用的碳作為鋼鐵的還原劑，能省去前端焦化、燒結等工序，減少冶煉過程中VOC污染物和二氧化碳排放量。同時，氫能來自于可再生能源或者天然氣，還可以進一步減少煤炭的使用量，從而減少二氧化碳和污染物的排放量。”上海交通大學環(huán)境科學與工程學院特聘教授金放鳴介紹說。
“氫能可直接為鋼鐵行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)熱源，有效減少碳排放，是值得期待的。”清華大學能源環(huán)境經(jīng)濟研究所、清華大學—張家港氫能與先進鋰電技術聯(lián)合研究中心副研究員歐訓民也表示了相同的看法。
我們現(xiàn)在不缺氫，缺清潔的氫
技術和成本是制氫最大掣肘，保證大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術突破是關鍵
不過，氫能作為一種二次能源，“得來”并不容易。目前全球制氫產(chǎn)能約為每年7000萬噸，中國占全球1/3。目前，中國的氫供應主要面向化工行業(yè)，少部分用于交通運輸行業(yè)，因此，中國現(xiàn)有的制氫產(chǎn)能遠不能支撐鋼鐵行業(yè)的需求。
“我們現(xiàn)在不缺氫，缺清潔的氫。”中國石油大學（北京）新能源研究院院長周紅軍指出。
換言之，我們需要的是生產(chǎn)和排放過程低碳化的綠氫。討論中，與會專家介紹說，現(xiàn)有制氫技術大多依賴化石能源，無法避免碳排放。目前，可再生能源制氫技術正在逐步成熟，可以通過可再生能源發(fā)電再電解水來制取零碳排放的氫氣。一些科研機構還在探索太陽能光解水制氫、生物質(zhì)制氫等新型制氫技術。
“技術突破是關鍵。”歐訓民介紹說，“清華大學核能與新能源技術研究院研發(fā)的核能制氫技術預計10年后啟動示范。”
“如何保證大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，滿足鋼鐵產(chǎn)能支撐，技術上要有進一步的突破。”賈國利介紹說，首鋼下一步將在傳統(tǒng)的高爐加轉(zhuǎn)爐上進行富氫的冶煉，同時采用直接還原工藝的電爐這種短流程，形成短期內(nèi)以長流程為主，短流程為補充的工藝路線，從而實現(xiàn)低碳排放。
除制氫產(chǎn)能有限，制氫成本高也是一個挑戰(zhàn)。按照中國目前氫能市場價格（約每噸6萬元人民幣或7800歐元），采用氫能煉鐵工藝成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝至少高5倍以上。
“此外，氫能產(chǎn)業(yè)鏈還包括儲運、加注、應用等環(huán)節(jié)，也都面臨著技術挑戰(zhàn)和成本制約。”歐訓民補充說。
以儲運為例，氫氣在常溫常壓下密度低、易泄漏，與鋼材長期接觸會使后者發(fā)生“氫脆”而破損，儲存和運輸比煤炭、石油、天然氣都要困難得多。
“這件事難度很大。”清華大學能源與動力工程系教授麻林巍分析說，由于氫能的儲運難度很大，如果要大規(guī)模發(fā)展氫能煉鋼，肯定要涉及大量氫能的基礎設施建設。
推進氫能源發(fā)展成為可行的解決方案，首先要解決制氫工藝水平和成本問題。對此，國家發(fā)改委能源研究所副研究員劉堅表示，“因為轉(zhuǎn)換效率低，所以目前新能源制氫的成本高，是比較大的障礙。但是從長遠看，技術上是可行的，經(jīng)濟性上也有提升的空間，還是應該樂觀地看待未來綠氫的發(fā)展。”
氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體成本有望下降一半
需要跨行業(yè)的合作創(chuàng)新，政策、資金、科研多措并舉才能形成合力
當下，許多國家圍繞全新氫能各環(huán)節(jié)的研究正如火如荼地展開，技術難關在加緊攻克。隨著氫能生產(chǎn)和儲運基礎設施規(guī)模不斷擴大，氫能成本也有較大的下降空間。有研究表明，預計到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體成本將下降一半。
我國一些鋼鐵企業(yè)也在積極為氫能落地提供了更多的落地應用，但目前仍然處于起步階段，亟待各方共同參與和支持。
“氫能冶金不光是鋼鐵行業(yè)的技術創(chuàng)新，涉及能源、化工、鋼鐵等多個行業(yè)，需要跨行業(yè)的合作創(chuàng)新。”麻林巍建議，政策上要加強引導，在技術上先夯實基礎，逐步深入推進；同時，為了促進鋼鐵和能源的耦合，可以考慮鋼鐵廠和能源電站的配套，這樣有助于促進能源和鋼鐵領域的深度合作。
世界鋼鐵協(xié)會中國辦公室首席代表鐘紹良也表達了相同的看法。“要由政府出面整合鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈上的研發(fā)資源，服務于氫能冶金的研發(fā)。同時，政府也要鼓勵跨國研發(fā)合作，避免重復研發(fā)。”
應該說，低碳冶煉是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰、碳中和的關鍵所在，而氫能冶煉是鋼鐵生產(chǎn)實現(xiàn)無化石冶煉，達到零碳排放的重要技術。當前，亟待加快布局，多措并舉，發(fā)揮技術及產(chǎn)業(yè)協(xié)同優(yōu)勢，抓住新一輪氫能源革命的戰(zhàn)略機遇。
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