【氢云洞见】助力绿色化改造 钢铁产业的氢能时代来临
摘要
钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业，以低碳、零碳发展理念加快实施绿色化改造升级，发展节能环保、可再生能源等新兴技术，是加快实现钢铁行业实现新旧动能转换的重要方式，氢能与钢铁行业的结合正是一个良好的示范。
作者：yong，新能源分析师
| 氢云链 |
在供给侧改革和环保双重压力下，钢铁企业既要寻找拓展业务的途径、又要寻找节能减排的方法。随着国家政策释放出对氢能与燃料电池产业的利好信号，央企里的钢铁巨头率先涉足氢能源，探索新的可能。
中国钢研与宝武集团都加入了中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟（简称中国氢能联盟）。中国钢研连续参与了济南“中国氢谷”和常州氢能源产业建设，宝武集团更是拥有华东地区规模领先的高纯氢生产和配送基地。
氢能源能否帮助钢铁企业拓展业务，实现节能减排，完成绿色化改装？
一、钢铁企业开拓制氢能业务具有天然优势
1、钢铁企业有丰富的原料气
在钢铁冶炼的过程中氢气会作为中间产物产生，在钢铁冷轧时用氢气作为保护气体，因此钢铁企业对氢气并不陌生，对氢气的生产和使用有着丰富的经验。
图1 钢铁生产工艺总流程
来源：网络资料
从原材料讲，生产钢铁产品时产生的副产煤气是制氢的优质原料气，主要包括高炉煤气（BFG）、焦炉煤气（COG）、转炉煤气（LDG），另外在生产铁水的过程中会产生COREX煤气，具体成分见表1。
表1 副产煤气成分
来源：《钢铁制造流程煤气制氢技术分析》
以2017年为例，公开资料显示中国焦炭产能达6.5亿吨，产量达4.31亿吨，理论上来说，焦炉煤气总产量达1853亿立方米，产量巨大。
由于近年来环保要求日渐严格，副产煤气已回收循环利用，以焦炉煤气为例，除50%左右回炉助燃外，另外50%被用于生产合成氨、甲醇等。随着氢能产业的传出各种利好，钢铁企业将副产煤气转向制氢也很有可能。
2、副产煤气制氢技术可行
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。
图2 COG制氢工艺流程图
来源：《钢铁制造流程煤气制氢技术分析》
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。
综上，钢铁企业开拓制氢能业务具有天然优势，能够同时起到减少排放和扩展业务的效果。对于氢能源来说，增加了市场上氢气的来源，促进氢能市场发展，一举多得。
二、氢气制钢，节能减排的最佳技术
1、减排压力重于泰山
我国钢铁工业二氧化碳排放量约占全国二氧化碳排放量的15%，占全球钢铁行业碳排放量的60%以上！降低二氧化碳排放一直是我国钢铁企业的重大任务。
根据《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》，要求在“十三五”期间能源消耗总量和污染物排放总量分别下降10%和15%以上。随着环保要求日渐严格，钢铁企业的减排压力只会越来越大。
钢铁企业如何面对越来越严格的排放要求？
2、“氢气炼钢”是最佳的减排方法
业内一位专家表示：“除了通过基于氢气的直接还原技术和碳捕获与封存技术实现减排以外，关于减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放，当前没有更多的方式。而碳捕获与封存技术属于末端解决方案，并没有从根源上解决问题。”可以认为，“氢气炼钢”是钢铁工业当前已知的最佳减排技术。
《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：
直接还原工艺与先进节能的煤炭制气技术；
焦炉煤气制气技术；
蓄热式管式加热炉技术；
蓄热式燃气熔融冶炼技术等。
可见产业政策制定者们同样重视“氢气炼钢”。
3、“氢气炼钢”的实践
国外的同行们已经进行了实践，如瑞典SAAB、德国SFG、美国LTV等，其中LTV公司在1999年就建立了基于Circored工艺的直接还原工厂，但由于技术问题，在2001年停止了项目。
下面介绍一下瑞典SAAB的HYBRIT项目。
2016年，欧洲最大的铁矿石生产商LKAB公司、欧洲著名电力生产商瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）和钢铁产品制造商瑞典钢板公司（SSAB）联合创建了HYBRIT工厂，将氢气替代煤炭作为还原剂来生产钢铁，其目的是“完全取代”传统铁矿石生产方式，将瑞典的二氧化碳排放量减少10％。
在“直接还原工艺”中，工厂将使用氢气作为还原气体来还原特制的铁矿球团，除了排出中间产物、海绵铁或直接还原铁（DRI）外，只有水蒸气从炉顶排出，这样就大量减少了碳排放。高炉工艺和HYBRIT工艺流程对比见图3。
图3 高炉工艺和HYBRIT工艺生产铁水和海绵铁流程对比
来源：网络资料
随着工厂的落成，HYBRIT项目将进入将进入中试阶段；2025年~2035年，HYBRIT项目将进入实证阶段，进行小规模的工业生产；到2045年，SSAB将达成实现非化石能源炼钢的目标。而据国际氢能委员会预计，2050年氢能达到全球能源总需求的18%——HYBRIT项目正好赶在氢能大规模应用时完成。
“氢气炼钢”让钢铁企业同时进行大规模制氢与用氢，让钢铁产业更加环保，钢铁产业生态更加完善。
三、氢能与钢铁产业的合作是双赢
氢能与钢铁产业的合作是双赢的结果：氢能帮助钢铁企业节能减排、延伸业务、完成转型，钢铁企业为氢能提供了更多的落地应用，促进发展。氢能和钢铁是一个互相促进的产业组合。
钢铁企业还有很多其他生产方式可以利用氢能，如将制氢加入热电联产中形成储能，使用氢气作为氛围气体等。氢气加入钢铁企业的产业链中，是一个相互促进，相互发展的双赢局面。
钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业，而氢能行业是处于起步阶段的行业，氢能和钢铁的合作形成了互补，有着良好的示范效应，能够吸引更多行业涉足氢能。氢能产业处于发展的早期，不仅需要努力发展技术，也需要向社会提供更多的想象力，才能引来更多的资金和人才，才能更好地促进产业发展。