| 随着宝武与中核的合作及瑞典SAAB钢厂近期不断曝出的氢能炼钢资讯，氢能炼钢这一技术已经成为2019年度最热门的钢铁事件之一。与此同时，前两年还作为前瞻性技术的氢能应用，也上升至国家层面，成为了国家战略级技术得到广泛的关注与发展，汽车领域氢能发电首当其冲，紧随其后的，便是包括钢铁制作业在内的几乎所有传统能源消耗型产业。 2017年发布的《产业关键共性技术发展指南（2017年）》将氢气竖炉直接还原清洁冶炼技术列为了重点，主要技术内容包括：1，直接还原工艺与先进节能的煤炭制气技术；2，焦炉煤气制气技术；3，蓄热式管式加热炉技术；4，蓄热式燃气熔融冶炼技术等。 目前氢还原炼铁法有以下4项核心技术亟待突破： （1）氢气增幅技术：通过焦炉煤气（COG）改质，提高COG中氢含量，使其达到高炉氢还原要求。 （2）实际操作中的全新技术开发：氢气吹入技术、炉内化学反应最佳化技术、难还原矿及低品位矿石还原技术、焦炭\烧结矿\炉渣品质设计技术等等实际操作中需要的全新技术开发非常重要。 （3）超耐热\超耐腐蚀原材料开发：需要先行开发可以储藏高温、高压氢气和在900度以上高温下的超耐腐蚀高温材料。 （4）利用氢气的直接还原铁（DRI）生产技术：开发利用氢气，将铁矿石在固体状态下直接还原成DRI的生产技术，从而使用DRI替代在电炉中使用的高级废钢。 1.1 氢气制备 目前市场上主流制氢方法有电解水制氢、水煤气制氢以及由石油热裂的合成气和天然气制氢，由于全球第四代核电站的推广，近年来核能制氢也逐渐进入到人们的视野。 1.1.1 电解水制氢 电解水制氢多采用铁为阴极面，镍为阳极面的串联电解槽（外形似压滤机）来电解苛性钾或苛性钠的水溶液。阳极出氧气，阴极出氢气。该方法成本较高，但产品纯度大，可直接生产99.7%以上纯度的氢气。这种纯度的氢气常供：①电子、仪器、仪表工业中用的还原剂、保护气和对坡莫合金的热处理等，②粉末冶金工业中制钨、钼、硬质合金等用的还原剂，③制取多晶硅、锗等半导体原材料，④油脂氢化，⑤双氢内冷发电机中的冷却气等。 1.1.2 水煤气法制氢 用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气（C+H2O→CO+H2—热）。净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的CO转化成CO2（CO+H2O→CO2+H2）可得含氢量在80%以上的气体，再压入水中以溶去CO2，再通过含氨蚁酸亚铜（或含氨乙酸亚铜）溶液中除去残存的CO而得较纯氢气，这种方法制氢成本较低产量很大，设备较多，在合成氨厂多用此法。有的还把CO与H2合成甲醇，还有少数地方用80%氢的不太纯的气体供人造液体燃料用。像北京化工实验厂和许多地方的小氮肥厂多用此法。 1.1.3 由石油热裂的合成气和天然气制氢 石油热裂副产的氢气产量很大，常用于汽油加氢，石油化工和化肥厂所需的氢气，这种制氢方法在世界上很多国家都采用，在我国的石油化工基地如在庆化肥厂，渤海油田的石油化工基地等都用这方法制氢气。 表1：各制氢方式优缺点一览 1.1.4 焦炉煤气制氢 目前焦炉煤气制氢技术较为成熟，通过变压吸附（PSA）或催化重整、裂解的方法得到氢气。现焦煤炉气多用变压吸附式技术（PSA），成本上也相对低廉，根据测算，大型变压吸附制氢成本大约在1元/m³，国内宝武集团、鞍钢、攀钢等均有应用。 以宝武集团为例，旗下的宝钢气体在上海基地拥有1000m³/h的高纯氢充装能力；常州基地拥有3000m³/h的制氢能力；泰兴基地拥有4000m³/h的充装能力和市场规模；湛江基地拥有3000m³/h的生产能力；在建产能可达11000m³/h。其主要方式是焦炉气制氢。 1.1.5 核能制氢 2019年1月15日，中核集团、中国宝武钢铁集团、清华大学三方签订了氢能炼钢合作框架协议，共同致力于打造世界领先的核冶金产业联盟，同时也将核能制氢带入了人们的视野。 核能制氢的本质是利用核电站所产生的电能及热能进行制氢，目前仍以电解水和热化学制氢两种形式为主，然而前者自身转化能力较低，综合效率约为30%，所以更多的核电部门以热化学制氢为主要的研究方向，具有较好的应用前景。 1.2 氢气制备成本计算 根据国际能源署汇总数据，在中国生产氢气各种不同技术路径的成本、碳强度如下由图所示：电网电解水制氢成本最高（约5.5美元/公斤）；可再生能源发电制氢成本（约3美元/公斤）；天然气加碳捕捉与贮存制氢（约2.5美元/公斤）；天然气制氢（约1.8美元/公斤）；煤制氢（1美元/公斤）；煤加碳捕捉与贮存制氢（1.5美元/公斤）。 图9：各方式制氢成本 然而，从制氢的碳排放强度角度来看，电网电制氢高达32公斤二氧化碳/公斤氢；其他路径碳强度为：煤制氢（20）、天然气制氢（10）、煤制氢加碳捕捉与贮存（2）、天然气制氢（1），综合全流程，是用氢能炼钢在碳减排方面也还需要进一步加以分析。 根据美国核氢启动计划(NHI)的研究分析, 当反应堆系统采用高温气冷堆(HTGR), 假设核供热系统(NHSS)产热550 MWt , 输送910℃的氦给工艺耦合热交换器, 返回NHSS的氦气的温度是275～350℃。一座反应堆配置一个制氢厂, 制氢厂的规模考虑目前石化工业的需求, 大约为175000Nm3/h(365 t/d，4.2 kg/s)。如果制氢厂采用高温电解工艺，则HTGR除了为制氢厂供热之外, 多余的热采用Rankine循环和蒸汽透平发电，所发的电供电解使用，制成的氢价为3.60～4.40美元/kg ，而现在国内主流的商用加氢站成本大概60元/公斤 1.3 储氢材料分析 氢的密度仅为0.0899kg/m³，是水的万分之一，因此氢的高密度储存一直是一个世界级的难题。目前储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢及储氢材料储氢三种。 液态氢的密度是气体氢的845倍，体积能量密度比压缩状态下的氢气高出数倍，要把气态氢变成液态氢，每公斤需要耗电4-10kWh，对于储氢容器的要求异常严格，需要耐超低温、长时间可保持超低温、抗压以及严格绝热，对于材料的要求极高，因此这种方法极不经济，目前只有航空航天领域在使用。 高压气态储氢是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术，其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压容器里。目前所使用的容器是钢瓶，它的优点是结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快。但是存在泄露爆炸隐患，安全性能相对较低，但随着氢能应用的逐步市场化与扩大化，对于钢瓶的需求将呈现出较快的增长趋势，该部分市场值得关注。 利用高压气态储氢存在一个较为致命的隐患既体积比容量低，DOE的目标体积储氢容量70g/L，而钢瓶目前所能达到的最高的体积比容量也仅有25g/L。而且要能耐受高压并保证安全性，现在国际上主要采用碳纤维钢瓶，碳纤维价格非常昂贵，也并非是理想的选择，可以作为过渡阶段使用。 储氢材料储氢就是利用氢气与储氢材料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来进行氢气储存的一种储氢方式。储氢材料最大的优势就是储氢体积密度大，相同质量的氢气用储氢材料储存占用空间最少，并且操作容易、运输方便，同时兼具成本低与安全性高的特点，恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点，但它仍然存在一些技术问题亟待解决。目前储氢材料主要可以分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢两种，其中物理吸附储氢又可分为金属有机框架（MOFs）和纳米结构碳材料，化学氢化物储氢则分为金属氢化物和非金属氢化物两种。 1.4 氢能炼钢成本与环境影响 现阶段对于氢能炼钢应用最著名的企业当属瑞典SSAB钢厂的HYBIRT项目，该项目主要使用电解水产生的氢气来进行直接还原铁操作。根据项目负责人裴文国在公开场合的发言表示：假设电价保持在当前水平，直接还原铁工艺可能会让粗钢的价格上涨20%到30%。另外大瀑布公司的米卡埃尔·努德兰德（Mikael Nordlander）表示，如果全面投产，HYBRIT每年将消耗约150亿度电，占瑞典目前供电量的10%。 根据另外公开信息可知，瑞典克朗兑人民币约1：1，瑞典2019年用电价格约0.5克朗/度，与河北省工业用电价格基本相同，假设粗钢吨钢成本为2700元（粗钢成本中位数），可推导出包括制氢环节在内的直接换原铁工艺吨钢耗电量约为3900kwh，远远超过电炉工艺的平均耗电的2300kwh及高炉工艺的350kwh，也可以判断出HYBIRT项目的设计产能约为450万吨。 根据世界钢协2018年世界钢铁报告中显示，2018年瑞典全国钢铁470万吨，到2050年理想状态钢产能1000万吨。 在电力来源结构上，瑞典电力83%为水电与核电，传统火电不足1%，而我国单火电占比就高达76%。根据统计局数据，我国钢铁行业用电占整体10%，而我国目前仍以高炉炼钢为主要生产手段，理想情况下全部采用氢能炼钢技术，在不考虑生产成本的前提下，我国需要至少增加80%的电力供应，这显然是不可能实现的目标，同时以火电为主的中国，电力使用的增加势必将引起二氧化碳更多的排放，综合考量将大大增加整体二氧化碳的排放，本末倒置。 由于上述条件的限制，氢能炼钢本身就难以在全行业种展开，需要等相关技术得到爆炸式的发展，或是相关政府机构给予大量的补贴下才能得以实现，综合考虑环境因素，核电仍将是较为合理的选择。 来源：钢铁情报 免责声明：氢云链致力于好文推送，尊重原创，版权归属原作者所有，如涉及作品版权烦请联系我们予以删除！ |
微信扫一扫
