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昨天和大家分享了碳中和背景下的鋼鐵行業(yè)系列的第六部分：氫氣煉鋼的難點(diǎn)

今天和大家分享第七部分：現(xiàn)階段氫氣煉鋼發(fā)展方向

1、高爐富氫工藝：減排效果一般在 10%-20%?

1）富氫工藝在高爐煉鐵和氣基豎爐還原煉鐵裝置都可以應(yīng)用。

高爐富氫即向高爐噴吹含氫量更高的物質(zhì)，比如純氫氣和天然氣、焦?fàn)t煤氣等富氫氣體，來替代部分碳還原，減少碳排放。

目前已有大量研究和實(shí)際案例驗(yàn)證了高爐富氫的減排效果。

根據(jù) Can Yilmaz 等在 2017 年于 Journal of Cleaner Production 發(fā)布的《Modeling and simulation of hydrogen injection into a blast furnace to reduce carbon dioxide emissions》進(jìn)行的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)分別對高爐分別噴吹 10、20 和 30kg/tHM 溫度為1200攝氏度的氫氣時，焦比分別降低 9%、16%和 24%，高爐碳排放分別降低 10%、23%和21%。

模擬實(shí)驗(yàn)顯示，氫氣最佳噴入量為 27.5kg/tHM，在此之上碳排放反而隨氫氣噴入量的增加而增加。

2）實(shí)際案例中，高爐富氫主要來源于灰氫。

日本新日鐵住金君津廠、瑞典LKAB和德國蒂森克虜伯也進(jìn)行了高爐富氫工藝的試驗(yàn)，除德國蒂森克虜伯未披露氫氣來源，其他幾家的氫氣來源均是焦?fàn)t煤氣或爐頂循環(huán)煤氣，也即灰氫，結(jié)果顯示高爐富氫確實(shí)可以達(dá)到減排效果。

比如新日鐵住金君津廠碳排放降低9.4%，基本實(shí)現(xiàn)預(yù)定的碳減排目。

瑞典LKAB的試驗(yàn)高爐噴吹循環(huán)煤氣，碳排放最高可降低27%。

3）高爐富氫能起到增產(chǎn)作用，是較為經(jīng)濟(jì)的鋼鐵降碳工藝。

模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際案例中都驗(yàn)證了高爐富氫減排的積極結(jié)果，除了降碳，氫氣還能加速還原反應(yīng)，縮短爐料停留時間，起到增產(chǎn)的作用，從而提升富氫工藝的經(jīng)濟(jì)性。

梅鋼與東北大學(xué)合作研發(fā)了基于梅鋼原燃料條件的高爐風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)，根據(jù)畢傳光等于 2018 年 2 月在《鋼鐵期刊》上發(fā)布的《梅鋼 2 號高爐噴吹焦?fàn)t煤氣數(shù)值 模擬》一文，與未噴吹焦?fàn)t煤氣相比，還原速度加快，焦比降 14.43%，碳排放減少 8.61%。

當(dāng)原燃料價格為焦炭 2100 元/t、焦?fàn)t煤氣 0.7749 元/m3，加工成本為 0.2 元/m3，梅鋼 2#高爐噴吹焦?fàn)t煤 氣 50m3/tHM 時，噸鐵成本可降低 32.67 元，每年因噴吹焦?fàn)t煤氣節(jié)約的焦炭量為 7.79 萬噸，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益 5575 萬元。?

4）高爐富氫受制于氫氣利用率，減排潛力有限。

無論是模擬試驗(yàn)還是實(shí)際案例， 高爐富氫還原的減排幅度大部分在 10%-20%區(qū)間，噴吹的氫氣含量也較為有限。這主要是由于當(dāng) 氫氣濃度增加到一定程度，高爐內(nèi)氫氣利用率反而會降低，因此提升氫氣比例的進(jìn)一步減排空間受限，而且性價比也隨之降低。

2、氣基豎爐富氫工藝：試驗(yàn)證明氫氣占比最高可提升至 90%

氣基豎爐富氫即在氣基中提升氫氣在還原氣中的占比。氣基豎爐直接還原煉鐵目前是 Midrex 和 HYL 兩種工藝占主導(dǎo)，根據(jù)中晉太行礦業(yè)有限公司的《30 萬噸焦?fàn)t煤氣制還原鐵項(xiàng)目可行性研究 報告(回轉(zhuǎn)窯球團(tuán))》，這兩種工藝區(qū)別主要在于還原氣中H2/CO比例的高低。MIDREX、HYL的H2/CO 比例一般分別為 1.57、4.5 左右，由于 HYL 氫氣占比更高，需要在高溫高壓環(huán)境下工作，而 MIDREX 工藝采用常壓操作，工藝更加成熟。

1）氣基中氫氣比例越高，減排效果越好，并且減排幅度隨氫氣比例的提升呈非線性上升。

根據(jù)王兆才 于 2013 年發(fā)布的博士論文《煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝的基礎(chǔ)研究》，在還原氣體中H2/CO比 分別為 1.5、3、5，還原反應(yīng)消耗的H2/CO比例分別為 1.9、5.2、15.8，相當(dāng)于實(shí)際消耗的氫氣比例 都有所提升，但并非簡單的線性提升，還原氣中濃度越大，消耗的氫氣比例增幅會更大。由于氫氣 消耗比例比輸入比例高，可將尾氣中未利用的CO收集凈化，通過加氫將H2/CO提升至原來水平后再循環(huán)使用。根據(jù)H2、CO消耗量可推算出噸鐵還原產(chǎn)生的碳排放量為如下：

2）還原氣體按來源可分為天然氣基和煤基，我國 DRI 工藝以煤基為主。

天然氣可通過催化裂化反應(yīng)制成還原氣，Midrex 典型工藝的裂化劑為爐頂煤氣，HY 典型工藝的裂化劑為水蒸氣，所以后者的 H2/CO比例更高。

MIDREX 也在不斷提升氫氣比例的工藝，比如工業(yè)化項(xiàng)目委內(nèi)瑞拉 FMO MIDREX 廠的H2/CO比例在 3.3-3.8。煤基的還原劑可分為煤制氣和焦?fàn)t煤氣/爐頂煤氣循環(huán)，參考制氫的分類，可以理解為分別是“藍(lán)氣基”、“灰氣基”。

目前已成功工業(yè)化的 MIDREX 煤基豎爐H2/CO比例在 0.47-0.56。我國 DRI 工藝大部分采用的是煤基豎爐，比如陜西恒迪 20 萬噸海綿鐵項(xiàng)目采用的是煤制氣，山西晉中的 30 萬噸焦?fàn)t煤氣制還原鐵項(xiàng)目采用的焦?fàn)t煤氣，其焦?fàn)t煤氣改質(zhì)后H2/CO 為 1.7，略高于 MIDREX 典型工藝。

3）氣基豎爐還原煉鐵減排潛力更大，Midrex 試驗(yàn)氫氣占比90%的豎爐工藝可行，但國內(nèi)發(fā)展氣基豎爐還原需要付出較大的工藝轉(zhuǎn)換成本。

直接還原煉鐵 2019 年全球產(chǎn)量約 1 億噸，其中約 60%采用 MIDREX 氣基豎爐還原工藝，為主流路線。其目前成功工業(yè)化的項(xiàng)目H2/CO比例最高可達(dá) 3.8，相當(dāng)于氫氣濃度高達(dá) 79%，已處于較高水平。

MIDREX 公司試驗(yàn)氫氣含量 90%的氣基豎爐還原工藝，認(rèn)為該工藝可行，將隨著技術(shù)的成熟進(jìn)一步推廣。可見氫在氣基豎爐還原工藝的潛力更大，相對于高爐煉鐵，能更大程度地實(shí)現(xiàn)減排。

但國內(nèi)采用直接還原煉鐵的工藝較少，這與我國“貧礦多、組分雜”的鐵礦資源特點(diǎn)和“多煤少氣”的能源結(jié)構(gòu)有關(guān)，具備天然氣資源稟賦的國家主要發(fā)展氣基豎爐還原工藝，而國內(nèi)如果發(fā)展煤制氣-氣基豎爐還原工藝，再加上配套的電弧爐的煉鋼流程，成本與高爐+轉(zhuǎn)爐的長流程相比不具備競爭優(yōu)勢，因此氣基豎爐工藝目前在國內(nèi)市場占比較小。

這意味著，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)若想通過發(fā)展氣基豎爐還原工藝以突破高爐煉鐵工藝的減排瓶頸，在技術(shù)、設(shè)備、操作流程等方面可能都得從頭開始，需要付出比較大的工藝轉(zhuǎn)換成本。

3、國內(nèi)氫氣煉鋼推進(jìn)路線：短期應(yīng)以高爐富氫為主，未來逐 步推進(jìn)氣基豎爐富氫

1）灰氫+高爐富氫工藝能提升高爐氫含量，是國內(nèi)現(xiàn)階段應(yīng)推廣的氫氣煉鋼工藝。

目前國內(nèi)仍是高爐 煉鐵的長流程占主導(dǎo)，而氣基豎爐還原工藝，如前所述，盡管氫氣煉鋼減排潛力更大，但需要付出較大的工藝轉(zhuǎn)換成本。因此，短期內(nèi)國內(nèi)氫氣煉鋼的發(fā)展應(yīng)仍以高爐富氫工藝為主，收集并循環(huán)利用焦?fàn)t煤氣、高爐爐頂煤氣，不僅可以實(shí)現(xiàn)減排效果，提升碳利用效率，還能在一定程度上提升產(chǎn)量帶來經(jīng)濟(jì)效益，是現(xiàn)階段較為經(jīng)濟(jì)性的減排手段。

2）氣基豎爐直接還原煉鐵工藝更適宜氫氣煉鋼，在國內(nèi)占比將逐步提升。

盡管氣基豎爐工藝在國內(nèi)尚不具備大規(guī)模發(fā)展條件，但我們認(rèn)為以下趨勢將在未來為其創(chuàng)造發(fā)展條件：

①隨著國內(nèi)廢鋼可用性 增加，國內(nèi)電弧爐占比將提升，直接還原鐵在電弧爐中既可以和廢鋼搭配使用，以突破純廢鋼生產(chǎn)的產(chǎn)品限制，改善生產(chǎn)率和成本，還可以完全替代廢鋼作為電弧爐的主要原料。

②電價的不斷下降，新能源的普及將帶來電價不斷下降，這將提升電弧爐的經(jīng)濟(jì)性，也能降低通過電解質(zhì)還原鐵的生產(chǎn)成本。

③氣基豎爐的富氫工藝不斷成熟。

未來隨著新能源電力的規(guī)模化，其邊際發(fā)電成本幾乎可以忽略不計，綠氫成本也將隨之顯著下降，甚至低于天然氣或煤炭的開采成本，這將顯著提升高氫氣基豎爐還原工藝的經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)氣基豎爐有望跳過煤氣-氣基豎爐工藝，直接發(fā)展氫氣-氣基豎爐工藝。

但在新能源和氫能產(chǎn)業(yè)鏈成熟之前，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)還應(yīng)先在氣基豎爐還原工藝有所積累，由于該工藝主要應(yīng)用在國外，所以相關(guān)技術(shù)目前也需從國外引入，設(shè)備的國產(chǎn)化也比較有限，若等氫產(chǎn)業(yè)鏈成熟后才開始發(fā)展將使國內(nèi)鋼鐵行業(yè)陷入非常被動的境地。

3）具備電價、煤炭資源優(yōu)勢的地區(qū)和鋼企可先行發(fā)展氣基豎爐還原工藝。

由于目前綠氫成本還較高， 現(xiàn)階段國內(nèi)直接還原工藝中的還原氣體主要來自煤，因此在電價較低、具備廉價煤炭資源的地區(qū)直接還原鐵和電弧爐產(chǎn)鋼的成本較低，有條件發(fā)展煤氣基豎爐還原煉鐵+電弧爐的短流程，可以作為試點(diǎn)地區(qū)優(yōu)先發(fā)展氣基豎爐還原工藝。

總而言之，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)未來一段時間仍將以長流程工藝為主，節(jié)能減排也應(yīng)該立足于高爐+轉(zhuǎn)爐的設(shè)備基礎(chǔ)之上，灰氫+高爐富氫應(yīng)是國內(nèi)現(xiàn)階段應(yīng)推廣的氫能煉鋼工藝。隨著未來?xiàng)l件成熟，富氫氣基豎爐直接還原工藝將迎來較大發(fā)展空間，在此之前可在具備電價、煤炭資源優(yōu)勢的地區(qū)和鋼企先行推廣，為之后國內(nèi)大規(guī)模發(fā)展積累技術(shù)、人才等經(jīng)驗(yàn)。

碳中和背景下的鋼鐵行業(yè)系列的第七部分的內(nèi)容就分享到這里，明天和大家分享第八部分的內(nèi)容：國內(nèi)氫氣煉鋼實(shí)踐

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