CCER 项目减排效益测算系列汇总
昨天和大家分享了碳中和背景下的钢铁行业系列的第六部分：氢气炼钢的难点
今天和大家分享第七部分：现阶段氢气炼钢发展方向
1、高炉富氢工艺：减排效果一般在 10%-20%
1）富氢工艺在高炉炼铁和气基竖炉还原炼铁装置都可以应用。
高炉富氢即向高炉喷吹含氢量更高的物质，比如纯氢气和天然气、焦炉煤气等富氢气体，来替代部分碳还原，减少碳排放。
目前已有大量研究和实际案例验证了高炉富氢的减排效果。
根据 Can Yilmaz 等在 2017 年于 Journal of Cleaner Production 发布的《Modeling and simulation of hydrogen injection into a blast furnace to reduce carbon dioxide emissions》进行的数值模拟实验，当分别对高炉分别喷吹 10、20 和 30kg/tHM 温度为1200摄氏度的氢气时，焦比分别降低 9%、16%和 24%，高炉碳排放分别降低 10%、23%和21%。
模拟实验显示，氢气最佳喷入量为 27.5kg/tHM，在此之上碳排放反而随氢气喷入量的增加而增加。
2）实际案例中，高炉富氢主要来源于灰氢。
日本新日铁住金君津厂、瑞典LKAB和德国蒂森克虏伯也进行了高炉富氢工艺的试验，除德国蒂森克虏伯未披露氢气来源，其他几家的氢气来源均是焦炉煤气或炉顶循环煤气，也即灰氢，结果显示高炉富氢确实可以达到减排效果。
比如新日铁住金君津厂碳排放降低9.4%，基本实现预定的碳减排目。
瑞典LKAB的试验高炉喷吹循环煤气，碳排放最高可降低27%。
3）高炉富氢能起到增产作用，是较为经济的钢铁降碳工艺。
模拟实验和实际案例中都验证了高炉富氢减排的积极结果，除了降碳，氢气还能加速还原反应，缩短炉料停留时间，起到增产的作用，从而提升富氢工艺的经济性。
梅钢与东北大学合作研发了基于梅钢原燃料条件的高炉风口喷吹焦炉煤气技术，根据毕传光等于 2018 年 2 月在《钢铁期刊》上发布的《梅钢 2 号高炉喷吹焦炉煤气数值 模拟》一文，与未喷吹焦炉煤气相比，还原速度加快，焦比降 14.43%，碳排放减少 8.61%。
当原燃料价格为焦炭 2100 元/t、焦炉煤气 0.7749 元/m3，加工成为 0.2 元/m3，梅钢 2#高炉喷吹焦炉煤 气 50m3/tHM 时，吨铁成本可降低 32.67 元，每年因喷吹焦炉煤气节约的焦炭量为 7.79 万吨，产生直接经济效益 5575 万元。
4）高炉富氢受制于氢气利用率，减排潜力有限。
无论是模拟试验还是实际案例， 高炉富氢还原的减排幅度大部分在 10%-20%区间，喷吹的氢气含量也较为有限。这主要是由于当 氢气浓度增加到一定程度，高炉内氢气利用率反而会降低，因此提升氢气比例的进一步减排空间受限，而且性价比也随之降低。
2、气基竖炉富氢工艺：试验证明氢气占比最高可提升至 90%
气基竖炉富氢即在气基中提升氢气在还原气中的占比。气基竖炉直接还原炼铁目前是 Midrex 和 HYL 两种工艺占主导，根据中晋太行矿业有限公司的《30 万吨焦炉煤气制还原铁项目可行性研究 报告(回转窑球团)》，这两种工艺区别主要在于还原气中H2/CO比例的高低。MIDREX、HYL的H2/CO 比例一般分别为 1.57、4.5 左右，由于 HYL 氢气占比更高，需要在高温高压环境下工作，而 MIDREX 工艺采用常压操作，工艺更加成熟。
1）气基中氢气比例越高，减排效果越好，并且减排幅度随氢气比例的提升呈非线性上升。
根据王兆才 于 2013 年发布的博士论文《煤制气-气基竖炉直接还原工艺的基础研究》，在还原气体中H2/CO比 分别为 1.5、3、5，还原反应消耗的H2/CO比例分别为 1.9、5.2、15.8，相当于实际消耗的氢气比例 都有所提升，但并非简单的线性提升，还原气中浓度越大，消耗的氢气比例增幅会更大。由于氢气 消耗比例比输入比例高，可将尾气中未利用的CO收集净化，通过加氢将H2/CO提升至原来水平后再循环使用。根据H2、CO消耗量可推算出吨铁还原产生的碳排放量为如下：
2）还原气体按来源可分为天然气基和煤基，我国 DRI 工艺以煤基为主。
天然气可通过催化裂化反应制成还原气，Midrex 典型工艺的裂化剂为炉顶煤气，HY 典型工艺的裂化剂为水蒸气，所以后者的 H2/CO比例更高。
MIDREX 也在不断提升氢气比例的工艺，比如工业化项目委内瑞拉 FMO MIDREX 厂的H2/CO比例在 3.3-3.8。煤基的还原剂可分为煤制气和焦炉煤气/炉顶煤气循环，参考制氢的分类，可以理解为分别是“蓝气基”、“灰气基”。
目前已成功工业化的 MIDREX 煤基竖炉H2/CO比例在 0.47-0.56。我国 DRI 工艺大部分采用的是煤基竖炉，比如陕西恒迪 20 万吨海绵铁项目采用的是煤制气，山西晋中的 30 万吨焦炉煤气制还原铁项目采用的焦炉煤气，其焦炉煤气改质后H2/CO 为 1.7，略高于 MIDREX 典型工艺。
3）气基竖炉还原炼铁减排潜力更大，Midrex 试验氢气占比90%的竖炉工艺可行，但国内发展气基竖炉还原需要付出较大的工艺转换成本。
直接还原炼铁 2019 年全球产量约 1 亿吨，其中约 60%采用 MIDREX 气基竖炉还原工艺，为主流路线。其目前成功工业化的项目H2/CO比例最高可达 3.8，相当于氢气浓度高达 79%，已处于较高水平。
MIDREX 公司试验氢气含量 90%的气基竖炉还原工艺，认为该工艺可行，将随着技术的成熟进一步推广。可见氢在气基竖炉还原工艺的潜力更大，相对于高炉炼铁，能更大程度地实现减排。
但国内采用直接还原炼铁的工艺较少，这与我国“贫矿多、组分杂”的铁矿资源特点和“多煤少气”的能源结构有关，具备天然气资源禀赋的国家主要发展气基竖炉还原工艺，而国内如果发展煤制气-气基竖炉还原工艺，再加上配套的电弧炉的炼钢流程，成本与高炉+转炉的长流程相比不具备竞争优势，因此气基竖炉工艺目前在国内市场占比较小。
这意味着，国内钢铁行业若想通过发展气基竖炉还原工艺以突破高炉炼铁工艺的减排瓶颈，在技术、设备、操作流程等方面可能都得从头开始，需要付出比较大的工艺转换成本。
3、国内氢气炼钢推进路线：短期应以高炉富氢为主，未来逐 步推进气基竖炉富氢
1）灰氢+高炉富氢工艺能提升高炉氢含量，是国内现阶段应推广的氢气炼钢工艺。
目前国内仍是高炉 炼铁的长流程占主导，而气基竖炉还原工艺，如前所述，尽管氢气炼钢减排潜力更大，但需要付出较大的工艺转换成本。因此，短期内国内氢气炼钢的发展应仍以高炉富氢工艺为主，收集并循环利用焦炉煤气、高炉炉顶煤气，不仅可以实现减排效果，提升碳利用效率，还能在一定程度上提升产量带来经济效益，是现阶段较为经济性的减排手段。
2）气基竖炉直接还原炼铁工艺更适宜氢气炼钢，在国内占比将逐步提升。
尽管气基竖炉工艺在国内尚不具备大规模发展条件，但我们认为以下趋势将在未来为其创造发展条件：
①随着国内废钢可用性 增加，国内电弧炉占比将提升，直接还原铁在电弧炉中既可以和废钢搭配使用，以突破纯废钢生产的产品限制，改善生产率和成本，还可以完全替代废钢作为电弧炉的主要原料。
②电价的不断下降，新能源的普及将带来电价不断下降，这将提升电弧炉的经济性，也能降低通过电解质还原铁的生产成本。
③气基竖炉的富氢工艺不断成熟。
未来随着新能源电力的规模化，其边际发电成本几乎可以忽略不计，绿氢成本也将随之显著下降，甚至低于天然气或煤炭的开采成本，这将显著提升高氢气基竖炉还原工艺的经济性，国内气基竖炉有望跳过煤气-气基竖炉工艺，直接发展氢气-气基竖炉工艺。
但在新能源和氢能产业链成熟之前，国内钢铁行业还应先在气基竖炉还原工艺有所积累，由于该工艺主要应用在国外，所以相关技术目前也需从国外引入，设备的国产化也比较有限，若等氢产业链成熟后才开始发展将使国内钢铁行业陷入非常被动的境地。
3）具备电价、煤炭资源优势的地区和钢企可先行发展气基竖炉还原工艺。
由于目前绿氢成本还较高， 现阶段国内直接还原工艺中的还原气体主要来自煤，因此在电价较低、具备廉价煤炭资源的地区直接还原铁和电弧炉产钢的成本较低，有条件发展煤气基竖炉还原炼铁+电弧炉的短流程，可以作为试点地区优先发展气基竖炉还原工艺。
总而言之，国内钢铁行业未来一段时间仍将以长流程工艺为主，节能减排也应该立足于高炉+转炉的设备基础之上，灰氢+高炉富氢应是国内现阶段应推广的氢能炼钢工艺。随着未来条件成熟，富氢气基竖炉直接还原工艺将迎来较大发展空间，在此之前可在具备电价、煤炭资源优势的地区和钢企先行推广，为之后国内大规模发展积累技术、人才等经验
碳中和背景下的钢铁行业系列的第七部分的内容就分享到这里，明天和大家分享第八部分的内容：国内氢气炼钢实践
