氢冶金的技术路线与绿氢需求
2024-12-24
氢冶金发展背景
中国是世界最大的粗钢生产国，2023年粗钢产量为10.19亿吨，全球占比54%。我国钢铁行业年碳排放量18亿吨，占全国碳排放总量的15%左右，是制造业中碳排放最大的行业。随着双碳目标的持续推进，我国钢铁行业将不可避免地纳入碳排放权交易市场，目前已有多个试点碳市场已纳入了钢铁行业。
传统的钢铁冶炼是以焦炭为燃料，通过焦炭燃烧提供还原反应所需要的热量并产生还原剂一氧化碳（CO），在高温下利用一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，将铁矿石还原得到铁，并产生大量的二氧化碳气体（CO2）。
化学反应式：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2
氢冶金则是以氢气取代碳作为还原剂，在高温下，氢气与铁矿石中的氧化铁反应，生成铁和水。在这一过程中，不会产生二氧化碳。
化学反应式：Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O
氢冶金技术路线
高炉富氢技术
技术原理：通过在高炉中喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体，减少焦炭的用量，从而减少碳排放。
高炉富氢技术无需对现有高炉进行改造，技术成熟且易规模化应用，是目前我国钢企应用最多的氢冶金工艺。
由于高炉富氢工艺应用的富氢气体含有碳元素，所以减碳力度较小，只有10%—20%，无法直接实现碳中和目标，从长远角度来看，只适合作为过渡方案，后期有较大概率被其他技术替代。
富氢直接还原铁技术
技术原理：使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。这种方法碳排放更低，适合用于氢冶金。
直接还原铁技术采用电弧炉，以电能为主要能量能源，以铁矿石为原料，技术成熟，可实现规模化应用，目前美国近一半的钢铁产量采用直接还原铁技术生产，国内仅有几个代表案例。
直接还原铁技术的还原气中，氢气占比在60%—100%，因此减排潜力很大，可达50%—95%的减碳量。目前氢气价格较高，现有的直接还原铁项目，一般以焦炉煤气（含氢量55%～60%）和天然气（含氢量50%～90%）为还原气，其中国外多采用天然气，国内则因为富煤少气的能源结构，多采用焦炉煤气。由于焦炉煤气成分复杂，且含有大量有机硫，以及硫化氢、氰化氢等有害氢化物，应用前需要进行多轮净化与过滤。
氢基熔融还原铁
技术原理：氢气被释放、解离和电离，用直流转移电弧的能量产生氢基等离子体，熔化铁矿粉并将其还原生成铁水，进一步精炼得到钢铁产品。
氢基熔融还原铁技术采用等离子气化炉，以电能为主要能源，铁矿石原料适应性强，无需中间团聚或精炼处理，可以小规模生产，灵活性优于其他两种氢冶金方式。
氢基熔融还原铁技术的减碳效果相对更强，减碳量在85%左右。经专家测算，氢等离子体熔融还原的总成本比传统炼钢厂优化成本低约13%。但是该技术处于早期发展阶段，工艺和反应设备仍需进一步开发与完善，全流程减碳效果和经济性还有待验证，暂不适合大规模推广。
我国钢铁企业在氢冶金领域积极探索，多技术路线并行发展，已具备大规模转型的技术和产业基础。目前来看，高炉富氢技术是短期内的市场主流方向，可以沿用现有的炼钢高炉进行轻度减排，中期再向减碳量更高且易规模化推广的富氢直接还原铁路线过渡。
氢冶金行业的绿氢需求
在氢冶金的三种主流技术路线中，富氢直接还原铁路线和氢基熔融还原铁路线对氢气有大量需求。不过富氢直接还原铁路线现阶段受氢气价格和供给制约，大多采用焦炉煤气为原料，从技术角度来看，如果用氢气替代焦炉煤气，可以避免复杂的焦炉煤气净化工艺，并节约净化成本，是富氢直接还原铁路线未来的发展方向。
据专家测算，按照电解1000立方米绿氢用电4500千瓦时、电力成本占总成本70%的情况，要达到冶炼成本平衡点1337.2元/吨，绿氢价格需要低于15.02元/千克，绿电价格需要低至0.208元/度，同时碳税价格需要达到400元/吨。当碳税为200元/吨，绿氢价格需低于10.45元/千克时，氢冶金才具有成本优势。
近年来，我国可再生能源领域快速发展，降本速度超预期，个别地区的度电成本和氢气成本已达到冶炼成本平衡点目标，但碳税价格仍差距较大，截至9月12日，全国碳市场收盘价为89.92元/吨，以此计算，绿氢价格需要降至10元/千克以下，才能在氢冶金行业得到大规模应用，按照目前三北地区的绿氢降本趋势，部分地区可以在5年左右达到这一目标。
氢冶金技术路线选择与减碳路线图
根据《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》，预计2030年开始，绿氢将在氢冶金领域得到推广应用，并在2040年取代焦炉煤气成为氢冶金行业的主要氢源。氢冶金行业2030年和2040年的绿氢需求量分别为20.72万吨和310.2万吨。而截至2024年6月底，中国绿氢总产能约9.4万吨/年，据中国氢能联盟预测，2030年中国绿氢产能将快速增长至557万吨/年，这为氢冶金行业的后续发展提供了能源基础。
绿氢在氢冶金领域的大规模应用，还需要解决氢气的储运问题。目前来看主要有两种方式，一种是在绿氢项目基础上耦合氢冶金项目，另一种是通过输氢管道将绿氢项目与钢铁企业连通。
绿氢耦合氢冶金模式是理论上的最佳选择，但仅适合有低成本可再生能源电力的新建项目，不适合原有的钢铁项目改造。该模式在国外已有先例，瑞典H2 Green Steel公司绿氢直接还原铁项目是欧洲第一批“绿色钢铁”工厂，采用水力、风力发电+碱性电解水制氢+直接还原铁的耦合路线，预计于2025年之前投产。
输氢管道模式可以打破氢冶金行业的地域局限，使绿氢项目与钢铁企业连通，获取长距离、低成本的氢气源。氢冶金行业的绿氢需求具有地点固定、持续稳定、需求量大的特点，与输氢管道的规划定位高度相符。目前我国输氢管道规划正在加速推进，今年也被称为输氢管网建设元年，具有氢冶金技术储备的钢铁企业有望在输氢管网规划上获取一定优势。
结语
我国钢铁行业已进入转型周期，氢冶金有望作为主要转型方向得到大规模推广。受氢气价格制约，目前氢冶金企业主要以焦炉煤气作为氢源，但随着绿氢成本下降和输氢管道建设，预计2030年开始，绿氢将在氢冶金领域的需求将逐渐放大，并于2040年取代焦炉煤气成为氢冶金行业的主要氢源。
