零碳冶金工艺能源供应及用能技术及装备发展

饶文涛 魏 炜 蔡方伟 杨建夏 李文武

宝武清洁能源有限公司

0 背景

钢铁业为工程和建筑提供材料，是重要的工业。但是钢铁业需要面对环境和经济的压力，需要减少碳足迹，目前钢铁是最大的碳排放源之一，同时也比较集中，有利于集中减碳。钢厂需要新的发展模式，把“双碳”发展成为一个可以实现可持续发展的机遇。

钢厂每吨钢平均排放1.85 tCO2，占全部排放的8%，钢铁面临碳减排的挑战，挑战主要有以下3 个方面：

1）顾客的需求正在改变，对环境友好型钢的需求在增加，大众和丰田汽车需要从整个价值链减碳，这就要求钢材供应商减碳。

2）更严格的碳排放法规将出台。

3）投资者和公众对可持续性的兴趣逐年提升，投资将增加到可持续发展的产业。

减碳成为提高竞争力的手段，大约14%钢铁公司的资产，如果不能减碳是有风险的，主要由于碳价可能上升到100 美元/t。去碳的手段包括改造现有的设备，或者重建现有的设备，以实现去碳工艺流程。

1 氢冶金技术分析

目前，钢厂采用多种路径来实现减排，比较有代表性的工艺见图1。

图1 代表性钢铁减碳冶炼工艺对比

BF/BOF 效率项目，用不同的方式减碳和提升效率，包括采用优质铁矿、增加喷吹量（喷煤〈PCI，pulverized coal injection〉、天然气、〈废〉塑料、生物质燃料、氢）、使用COG（富氢气体）作为高炉燃料。

以上的技术有不同的使用条件，如采用生物质作为还原剂，需要在生物质供应充足的地区，像南非和俄罗斯等地区，但像欧洲地区生物质资源不够充足，无法大量使用生物质还原剂。

在钢铁生产工艺中使用绿氢的方法有两种：

1）使用氢作为可替换的喷吹物代替PCI，提升现有常规高炉的减碳性能

使用PCI 工艺已很成熟，第一个使用高炉喷氢的示范项目已经建好，将绿氢喷吹入炉，可实现减碳20%，但还是需要使用焦煤作为还原剂。

蒂森的案例：2019 年 11 月 11 日，蒂森报道了在杜伊斯堡钢厂的高炉上喷氢的试验，原来的高炉碳的来源主要包括焦炭和煤粉，大约每吨铁需要500～600 kg，其中大约300 kg 焦炭，200 kg 煤粉，反应的原理主要是用碳脱去氧化铁中的氧，生成铁，同时也排放出了CO2，Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2。

钢铁业排放的CO2大约占全球的7%～9%，蒂森的试验主要想证明用氢作为还原剂，最后排出水蒸气而不是CO2的可行性，Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O。

9号高炉共有28个风口，实验时先从其中的一个风口喷入，后续将扩展到所有风口，从2022年开始在其它三个高炉上也进行这样的试验，最终可能实现降碳20%。

钢铁工业的减碳研究已经进行了很多年，探索利用喷氢来代替喷煤，以减少高炉对冶金焦炭和煤炭的需要，喷吹气体、液态的富氢燃料进高炉，以减少冶金焦。

2）使用氢作为生产DRI 的还原剂，然后DRI 用电炉炼制成钢

DRI/EAF的工艺路线目前是使用NG作为还原剂，中东地区的NG 便宜，另外来自风电、光伏的绿氢，结合DRI/EAF可以实现零碳冶金。

优化DRI+电炉的工艺。DRI 比传统工艺排放少，与电炉结合可以生产高品质钢，这需要优质废钢，但是废钢量有限，需要DRI 来提供原料保障。DRI 生产需要便宜、可用的NG，所以那些天然气价格低的地区，如中东和北美成为了最大的DRI 生产地，而欧洲很少。

DRI+EAF工艺用氢。绿氢DRI工艺+EAF冶炼废钢的工艺，采用绿氢替代原来DRI 工艺中的化石燃料，可实现零碳排放。欧洲正在试验这种建立在氢能基础上的生产工艺，要么使用氢作为PCI（喷煤）的替代或者使用氢基直接还原工艺。电炉钢产量将增加，同时也需要更多的废钢和DRI，因此在欧洲采用废钢+DRI+EAF+H2结合的工艺可以实现零碳钢，是欧洲最好的选择。

建立在绿氢基础上的DRI/EAF 工艺涉及如下几个关键：

（1）绿氢的生产。水电解制氢需要大量的电力，绿色电力的获取是关键。

（2）DRI生产。使用氢作为DRI生产的还原剂。

（3）采用EAF生产生铁。利用EAF加热DRI并液化，然后和废钢一起生产生铁，如果使用绿电，这个过程可实现零碳排放。

2 支撑氢冶金的能源供应市场分析

2017 年的统计数据，德国年耗煤 2.5 亿 t，中国40 亿t，美国7 亿t。煤炭原来是钢铁工业的基础能源，目前绿氢的价格还很高，但是会随着时间的推移而下降。2030 年，绿氢会比灰氢便宜，随着技术的发展，绿电更便宜；电解槽更便宜，电解槽价格会随规模扩大而下降（见图2），当系统规模从2 MW增加到90 MW 时，电解槽效率也会进一步提高，而蓝氢价格相对稳定。

图2 绿氢价格未来三十年变化的预测（2020-2050年）

另外，还要考虑碳税的影响，欧洲已经实行EUETS 系统，2019 年欧洲的碳价是 25 欧元/t，德国宣布2026年碳价为65欧元/t，2050年将达到100～150欧元/t。

对氢基DRI+EAF工艺的经济性评估，还涉及氢的运输和储存，绿电的价格要下降到0.027 欧元/kWh(0.19 元/kWh)才能让绿氢有经济性。碳税为55 欧元/t(387 元/t），绿氢价为 1 780 欧元/t，电价为0.027欧元/kWh（2030年），这样在欧洲的纯氢钢厂可能在2030-2040年之间具有经济性，这时在欧洲可能会出现第一阶段钢厂向绿氢DRI+EAF 的更新换代。氢基钢厂、常规BOF 钢厂、使用废钢的EAF钢厂将共生（见图3）。

图3 建立在氢价下降、碳价上升基础上的纯绿氢钢铁冶炼的竞争力分析

氢能在许多工业过程中发挥着重要作用，包括钢铁企业替代煤炭，成为一些主要化工原料的基本原料，成为高温加热过程中清洁能源的选择。

分析机构认为，清洁氢气（绿色氢气）已成为实现全球净零排放的关键支柱，有助于将全球温室气体排放量减少15%。目前，全球氢能政策支持正在加强。30个国家的氢战略和路线图承诺，在这十年中，清洁氢气的装机容量将比2020 年增加400 倍，并支持将绿色氢气的年均建设速度提高50 倍。在氢气生产方面，绿色氢气发电的潜在总市场（TAM）可能在2030年翻一番，达到2 500亿美元，到2050年TAM将达到1万亿美元。如果我们想到2030年实现净零排放，我们需要在绿色氢气供应链上投资总计5万亿美元。

5万亿美元投资仅为绿色氢气直接供应链的资本支出，不包括与终端市场（工业、交通、建筑）和绿色氢气发电所需的电厂相关的上游资本支出。到2030 年，仅 TAM 就可能翻一番，从目前的 1 250 亿美元增加到本世纪末的2 500亿美元，到2050年可能达到1万亿美元。

到2020 年底，用于绿色制氢的电解槽总装机容量仅为0.3 GW 左右，但该行业正在以惊人的速度发展。按照目前的项目计算，到2030年底，电解槽的总装机容量将接近80 GW。同时，由于规模的增加和成本的通缩，到2025 年电解槽的成本将降低40%（见图4），这一变化与过去五年电池成本的变化非常相似。

图4 电解槽、电池、风光电成本下降趋势比价

氢气工程管道规模将增加100 倍以上。2020年氢气项目管道平均规模为2 MW。高盛（Goldman Sachs）预测到2025 年，平均规模将超过200 MW。到2025年，一些地区（氢燃料充足）的绿色氢燃料成本将与灰色氢燃料（1.5美元/kg）的价格相同，到2027 年长途重型公路运输中的氢燃料成本将与柴油燃料价格相同。

随着对绿氢需求的增加，对电解槽、用水量、金属和矿产的需求也随之增加。高盛预测氢能产业的发展将导致全球的能源需求增加50%，每年1/3的可再生能源将用来生产绿氢。到2050年制氢用水的需求将达70亿cm3，而电解槽和燃料电池的制造将分别使镍和铂的年均需求量增加5%和18%，而矿物铱的年需求量将增加数倍。

绿色氢能在全球市场上的发展，将影响能源供应的地缘政治。未来全球30%的氢气量可能涉及跨境运输，高于天然气。未来四年可再生能源发电（主要由风力发电和太阳能发电组成）的投资将占中国碳减排投资的大部分（55%），可占2022 年至2025年年均名义GDP的0.6%（见图5）。

图5 可再生能源等减碳技术投资占GDP比例的变化（2021-2060年）

结合中国国内的情况，国务院发布的《2030 年前碳达峰行动方案》，发展规模化、高质量的风能和太阳能发电是能源转型的一项重点任务。到2030年，风能和太阳能发电总装机容量需要超过1 200 GW，是2021 年的两倍多。地方政府也制定了更积极的可再生能源投资计划。

2025年之前，鉴于新增风电和太阳能发电的装机量目标分别为271 GW 和336 GW，预计2022-2025 年可再生能源发电累计投资规模将达到3万亿元。四年期间投资3万亿元对经济的影响似乎还很小，仅占年度名义GDP的0.75%。与住宅房地产投资相比，可再生能源发电投资仅相当于住宅固定资产投资的10%左右，不足以抵消房地产多年下行周期对经济的影响。虽然可再生能源发电投资的规模可能不足以抵消房地产低迷的不利影响，但可再生能源发电投资的连锁效应将更接近房地产投资，这意味着可再生能源投资也可能通过供应链效应为其他经济领域创造附加值。

也就是说，100 元可再生能源投资将给其他经济领域带来82元的溢出效应，接近100元房地产投资带来的88 元溢出效应。上游行业对应的初始投资是连锁效应的最大受益者。

可再生能源投资的供应链主要包括装备制造和有色金属，而房地产投资的上游行业主要涉及有色金属产品和黑色金属。如果扩大可再生能源投资规模，其通过供应链对其他经济领域的溢出效应也将相当可观。

中国能源转型总投资比2020 年增长60%，进一步巩固了其全球领先地位。2021年，中国的风能和太阳能发电量增长了19%，电气化交通也占了大部分投资。美国去年在清洁能源方面投资了1 140亿美元，比2020 年增长了17%。一些欧洲国家也排在前十位，德国、英国和法国排在前五位，欧洲国家在能源转型方面共投资了2 190亿美元。

以下是2021 年按行业划分的能源转型投资明细（见表1）。

表1 不同行业能源转型投资明细表

未可再生能源占2021年总投资的近50%。然而，随着几个国家引领向电动汽车的过渡，电气化运输推动了大部分增长。随着人们越来越相信核能可以提供可靠、无碳的电力，核能也获得了约320亿美元的投资，而对可持续材料的投资，包括回收和生物塑料，增加了一倍多。

未来随着氢价的下降，氢能在钢铁行业的应用量将大幅增加，以200万t钢厂为例：

1）200 万 t 钢厂需要 8.8 TWh（4 400 kWh/t steel）的绿电，等于 300～1 100 个风力发电机组的发电量。

2）供氢安全。200 万 t 钢厂需要绿氢 14.4 万 t，对应900 MW 的水电解机组，目前最大的电解槽机组是100 MW（2万m3/h H2）。

3）原材料。BF/BOF或DRI/EAF工艺，使用氢，增加了对DR 原料的需求，DR 供应的安全性很重要，需要和铁矿石供应商合作。

4）生产技术。DRI/EAF工艺需要原料和能源供应得到保障，从NG变成氢，DRI/EAF也可以生产出高品质产品。

5）客户愿意买单。考虑到钢铁在全球经济中的重要性，顾客的支持、接受度和最终的需求是氢基工艺能推广应用的关键。只有顾客愿意为零碳钢买单，生产工艺的改变才能完成。

6)碳边界税。

氢基钢是欧洲钢铁工业重生的机会。钢铁工业的发展方向是绿色、低碳、智能、高效。

3 用氢技术及装备

制氢技术有很多种，本文不作为重点介绍，几种代表性的简列见表2，制氢的核心零碳、安全、低成本可靠性。

表2 代表性制氢方式比较

氢气的使用技术包括氢气的预处理技术和氢气的反应器等两大技术。

3.1 氢气的预处理技术

当高炉使用氢气时，需要氢气的温度达到900 ℃以上，需要压力达到9 kg 以上，考虑到氢气的特性，需要开发专门的装备对氢气进行预处理。

需要开发耐高温、高压，耐氢腐蚀材料及换热器，才能完成高压氢气的加热（见图6），目前国内外对氢气加热系统的研究现状见表3。

表3 氢气加热系统国内外研究现状

图6 氢气加热系统

另外，可以采用等离子加热的技术来实现氢气的加热。开发2 MW 和5 MW 两种功率的冶金还原煤气等离子体加热系统，具备对多组分、高压力、大流量冶金还原煤气加热的能力，并在400 m 33级高炉开展工业试验研究；实现高炉风口喷吹等离子体加热后的冶金还原煤气，等离子加热系统加热的煤气温度不低于1 800 ℃；验证等离子炬的工作寿命；形成高炉喷吹等离子体加热煤气工艺技术，为下一步高炉广泛应用等离子加热煤气技术提供技术基础。

3.2 氢气的还原反应器技术及装备

炼铁的本质是通过还原将铁矿石进行脱氧、通过造渣进行渣铁分离，其工艺离不开还原剂和升温两个因素（见图7）。高炉炼铁还原和升温所需的能源目前主要依靠的是碳，当前高炉工艺合理的还原剂还离不开碳，但是加热所需要的能源可以通过清洁能源来替代，这样高炉将可以减少或取消用于加热升温所需要的碳素消耗。

图7 常规高炉原理示意图

从高炉第二热平衡计算结果可知，氧化物还原耗热占全炉热支出的34%左右，剩余66%的热支出是满足高炉加热升温的需求（见表4）。

表4 高炉热平衡表

若高炉只考虑还原耗碳，则高炉极限碳素的消耗如下：

根据上述反应方程式，还原出945 kg 金属铁需要消耗106 kg碳素，加上碳素，加上45 kg渗碳，每吨铁水需要151 kg 碳素，对应的理论极限焦比约174 kg。

以氢为还原剂的氢还原反应器，主要是指氢气竖炉，其涉及结构设计和工艺控制（见图8 和表5）。

表5 氢气反应器国内外开发现状

图8 氢气还原反应器

3.3 高炉常规喷吹装置

宝钢早期大容积高炉采用“重油”喷入炉内来减少焦炭消耗。随着高炉热风温度的不断提高，“直接喷煤”是现在高炉降低焦炭使用量的重要手段，而煤粉喷枪的结构和使用寿命是减少高炉休风提高产量的关键。

我们现在制作的双管带弯头煤粉喷枪，从最初45天使用寿命提高到现在的120天，达到了与高炉休风检修一致的预期，使得宝钢炼铁的煤焦比达到世界领先水平，吨铁喷煤量200 kg（见图9）。

图9 喷枪一（A.B.粉煤喷枪）

现在又进行喷兰碳粉+煤粉的试用，对喷枪提出更高要求，目前包括太钢等均已开始使用（见图10）。

图10 喷枪二（A.兰炭喷枪,B粉尘喷枪）

俄罗斯NLMK 和Cherepovets Metallurgical Combine- Severstal (CherMK)喷吹装置，3 号高炉2 000 m3目前天然气喷吹量120 m3/t，总焦比400 kg/t，炉顶煤气H2含量10%～12%。Severstal 5号高炉的天然气喷吹量为110 Nm3/t，鼓风氧含量30%左右，烧嘴结构见图11。

图11 俄罗斯天然气喷吹装置

U. S. Steel’s Fairfield Works 的8 号高炉天然气喷枪的直径要求出口速度达到150 m/s，煤粉喷枪的出口速度要求达到30 m/s，烧嘴结构见图12。图13为日本研发的同类烧嘴。

图12 U.S.Steel’s Fairfield Works 的NG喷枪

图13 日本研发的喷嘴

3.4 高炉喷氢装备研发

为实现在高炉上喷吹氢，需要借鉴原来天然气喷嘴的设计，对气喷嘴进行专门的设计。天然气通过管道从风口水腔进入，管道的出口孔射流与热风垂直或向后，出口管直径20 mm 左右，射流出口处距风口前端10～20 cm，沿热风方向，煤粉喷枪出口在气体射流口的后端。布置要既利于天然气和煤粉的燃烧，又要避免两者射流的干扰，尤其不能破坏煤粉射流。按照现有的风口结构（单通道，单室），风口、天然气管均重新设计，同时还需进行实验和模拟验证（见图14）。

图14 天然气喷嘴改氢喷嘴示意图

后续还可以采用NG 单喷天然气、NG+H2复合喷吹、单喷H2三种组合工况组织喷吹实验。

4 氢冶金的发展路线图

在以长流程为主的中国钢铁生产工艺，可以走高炉喷氢和全氢竖炉结合发展的道路，一方面通过开发高炉用氢技术及装备试点，掌握自主技术，探索减碳效果，争取在常规高炉采用喷氢可以实现减碳20%～30%（见图15），将常规高炉的一步法改为还原+熔炼的两步法，还原全部使用绿氢，加热全部由绿电完成，则高炉实现了绿电、绿氢化，实现了零碳。随着氢气价格的逐步下降，在合适的时间点实现经济性。另外就是开发新的以氢为主的如竖炉这样的新型反应器，同时对等离子加热实现加热电气化的核心装备要花大力气研发。

图15 常规高炉喷氢

展望未来炼铁技术的发展，将会从常规高炉→富氢碳循环高炉→全绿氢全绿电炉发展［1-5］，最后通过绿氢还原，绿电加热，实现全氢冶金，实现零碳排放（见图16）。

图16 常规高炉-富氢碳循环高炉-全氢绿电供热零碳高炉的演变

5 结论

高炉工艺是目前最成熟的炼铁工艺，但是其工艺是建立在碳还原和碳加热的基础上，由此成为主要的碳排放源，面对全人类向低碳转型的趋势，高碳排放的钢铁业必须在原来节能减碳的基础上向零碳方向转型。绿电和绿氢是钢铁业实现零碳的主要途径，是否能转型成功，需要建立在能源价格低廉，能源量有保障的基础上，并需要相应建立新的原料的供应保障，这些新体系的建成，需要有政策和资金的配套，也需要钢厂的共同努力。总之零碳排放是决定钢铁业未来生存的关键，而其中的能源保障系统更是重中之重。