氢能运用：氢冶金是什么？未来是否具备竞争优势？
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，在未来能源结构变革中将占有重要地位。围绕实现温室气体零排放的目标，许多国家将氢能利用提升为国家战略，氢能技术研发应用成为热点。
2月7日，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、生态环境部三部门联合印发《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，文件中明确提出推进钢铁行业碳达峰，积极推进氢冶金、低碳冶金等工艺技术的发展应用，加大钢铁等焦化行业绿色环保改造力度。
碳中和催化钢铁行业低碳升级，氢冶金技术是实现钢铁行业零碳排放的有效途径。“十四五”更趋严格的能耗“双控”要求和“双碳”目标约束，促使钢铁行业将碳减排摆在更突出的位置。钢铁行业要实现大幅碳减排，需要对传统冶炼工艺进行创新性变革，而氢冶金是实现低碳近零排放的终极冶金技术。氢能在冶金领域的创新与应用，将推动传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变，使钢铁生产摆脱对化石能源的绝对依赖，从源头上解决碳排放问题。
01
氢冶金：以氢代碳的还原反应
氢冶金定义是基于碳冶金的概念提出的。碳冶金是钢铁工业代表性发展模式，冶炼基本反应式为
Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2；
还原剂采用碳，产物是二氧化碳。氢冶金基本反应式：
Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O；
还原剂为氢气，最终产物是水，二氧化碳排放是零。碳一直以来是钢铁工业最重耍的还原剂，同时造成了二氧化碳的大量排放。非碳冶金是不使用含碳物质为燃料，不使用含碳介质为还原剂的冶金过程。
氢冶金工艺目前主要有富氢还原高炉与气基直接还原竖炉两类工艺：
富氢还原高炉
即通过喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体参与炼铁过程。相关实验表明，高炉富氢还原炼铁在一定程度上能够通过加快炉料还原，减少碳排放，但由于该工艺是基于传统的高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，氢气喷吹量存在极限值，一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度可达10%-20%，效果不够显著。
气基直接还原竖炉
即通过使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。氢气作为还原剂的加入使碳排放得到了有效控制。相较于富氢还原高炉，吨二氧化碳排放量可减少50%以上。这种方式更适合用于氢冶金。
高炉富氢减碳幅度为10%-20%，效果有限；气基直接还原竖炉工艺是直接还原技术，不需要炼焦、烧结、炼铁等环节，能够从源头控制碳排放，相较于高炉富氢还原减碳幅度可达50%以上，减排潜力较大，是迅速扩大直接还原铁生产的有效途径。但气基竖炉存在吸热效应强、入炉H2气量增大、生产成本升高、还原速率下降、产品活性高和难以钝化运输等诸多问题。无论是高炉炼铁还是气基竖炉直接还原铁，采用氢冶金方式均具备明显的减碳作用。
氢气是一种优良的还原剂和清洁燃料，用氢气取代碳作为还原剂和能量源的氢冶金技术研究，可改变钢铁工业环境现状，是发展低碳经济的最有利选择，将为冶金行业的可持续发展带来希望。
02
氢冶金的市场
世界钢铁协会统计数据显示，全球平均每生产1吨钢会排放1.8吨CO2，钢铁行业CO2排放量约占全球CO2总排放量的6.7%，低碳转型面临巨大压力。
欧洲重视和支持发展氢能冶金，将氢能看作未来减少碳排放的重要能源选项，有望实现对化石燃料的大规模替代。根据对欧洲氢能发展现状和未来潜力的研究，化石燃料制氢+碳捕集和封存是目前低碳制氢的现实方式，未来电解水制氢将逐渐成为低碳低成本制氢的方法。过去十年，钢铁行业在全球严格的资源和环保政策约束下，世界主要产钢国开始致力于开发能够显著降低CO2排放的突破性低碳冶金技术。开展的典型的氢冶金项目见下图。
我国氢冶金工艺研究起步较晚，钢铁企业近年来开始布局氢冶金领域，典型的氢冶金项目见下表。
在钢铁行业面对去产能、调结构、促转型的形势下，氢能行业和钢铁企业合作可形成互补双赢效应。氢能利用可帮助钢铁企业实现节能减排、产业延伸和转型，钢铁企业可为氢能行业提供更多更具规模的产业化示范。我国氢冶金相关部分公司及其项目动态进展如下所示。
03
氢冶金：未来将具有竞争优势
全球氢冶金项目研究主要分三步：
2025年之前，建立中试示范项目验证大规模氢冶金的可行性；
到2030年，利用焦炉煤气等副产品中的氢进行氢冶金生产；
到2050年，实现绿氢对灰氢的替代，进行氢冶金工业化生产。
目前来看，氢能源与钢铁产业的合作是双赢的结果：氢冶金有利于钢铁企业节能减排、完成低碳转型；钢铁企业为氢能源提供了更多的落地应用，丰富氢能下游产业链。氢能源和钢铁产业相辅相成，利于新能源的发展。
不过，如果从成本上，看影响氢冶金成本的可变因素主要由氢气成本及碳税成本构成。当与其他冶金方式对比具有成本竞争力时，氢冶金才具有大规模推广的先决条件。
氢气使用成本是制约氢冶金发展最重要的因素。以氢气直接还原铁和长流程高炉炼铁比较，只考虑氢气和焦炭的成本，可得出氢冶金的竞争性成本优势。根据预测，预计到2030年，碳税在200-250元/吨，氢冶金在930-993元/吨具有成本优势，此时，氢冶金在氢成本小于10.45-11.15元/千克时，成本优势显现。以2030年氢成本11.15元/千克、每电解生成1立方米氢气需要4.5千瓦时电、电力成本占总成本的70%推算，电力成本为0.146元/千瓦时，绿氢直接还原铁的成本竞争力开始突显，氢冶金的应用推广价值随之呈现。
钢铁行业氢冶金应用仍然面临绿氢经济性仍有待提升、技术应用缺乏经验、氢能储存运输成本高、氢基直接还原铁产品下游市场需求不足等一系列严峻挑战。
当今世界，资源能源利用效率已经成为衡量国家制造业竞争力的重要因素，绿色发展已经成为全球范围内转型升级的大趋势。随着国家“双碳”政策的刚性约束不断加大，未来钢厂炼钢要计算碳的成本，伴随着市场碳价上涨，将会加速倒逼行业技术改革，氢冶金将形成竞争优势。
推
荐
阅
读
1、年发电量约47亿千瓦时！中国能建国内首个兼具氢能利用一体化综合能源基地项目开工
2、2000套氢燃料电池系统！美锦能源与丰田中国签订战略合作备忘录
3、【干货】燃料电池车辆加氢基础设施方案成本设计与规划面临的挑战4、400亿！远景在赤峰投建绿氢、绿氨一体化示范项目5、氢燃料电池迎重大突破，新型碳涂层镍阳极有望取代贵金属6、【干货】风电耦合海水淡化制氢技术及成本研究7、【干货】氢气的输运情况与经济性分析
8、重磅！国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》（附原文）
审核：李虹 编辑：戴欣馨联系邮箱：daixinxin@acmi.org.cn
添加管理员微信（微信号：ranliaodianchijun），加入氢燃料电池行业微信交流群
【免责声明】1、鉴于本平台发布稿件来源广泛、数量较多，如因作者联系方式不详或其它原因未能与著作权拥有者取得联系，著作权人发现本平台转载了其拥有著作权的作品时，请主动与本平台联系， 提供相关证明材料，本平台将及时处理；2、本平台文章转载目的在于传递更多信息，并不代表本平台赞同其观点和对其真实性负责；3、如其他媒体、网站或个人转载使用，需保留本平台注明的“稿件来源”，并自负法律责任；4、对免责声明的解释、修改及更新权均属于全球氢能所有。
【版权声明】图文转载于网络，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如有异议，请联系我们进行删除。