中國鋼鐵工業(yè)低碳綠色生產(chǎn)氫源思考與探索

周穎，周紅軍，徐春明

（1 中國石油大學(xué)（北京）理學(xué)院，北京 102249；2 中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

中國的鋼鐵產(chǎn)業(yè)是繼煤電產(chǎn)業(yè)之后我國的第二大CO排放源，為實(shí)現(xiàn)我國30?60 雙碳目標(biāo)，鋼鐵產(chǎn)業(yè)減碳轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。2020 年中國鋼鐵工業(yè)的CO排放量占全國碳排放總量的16%左右，在國家政策的導(dǎo)引下，光伏風(fēng)電的突破性發(fā)展可能會(huì)解決煤電產(chǎn)業(yè)的替代和低碳化，但鋼鐵工業(yè)的低碳化路徑何在？

世界鋼鐵工業(yè)主要分為長流程和短流程。長流程即以煤焦炭為主的高爐煉鐵加轉(zhuǎn)爐煉鋼；短流程為電爐鋼加直接還原鐵加工，其中直接還原鐵的加入占廢鋼的30%～50%，主要作用是降低電爐鋼主要原料回收廢鋼中的雜質(zhì)，生產(chǎn)高質(zhì)量的軋材和優(yōu)質(zhì)特鋼，同時(shí)主要以電代煤為能源供給，若為綠電生產(chǎn)過程，則更加低碳化。2020 年中國鋼產(chǎn)量為10.64億噸（其中長流程鋼鐵產(chǎn)量為9.54億噸，占89.6%；而短流程電鋼產(chǎn)量為1.1億噸，占10.4%），產(chǎn)量占世界鋼鐵總產(chǎn)量的50%以上。美國短流程鋼鐵已達(dá)產(chǎn)量的75%以上，歐洲已達(dá)55%，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)降碳減排國際、國內(nèi)壓力巨大。

低碳化的短流程煉鋼流程除用綠電電爐煉鋼減碳外，另一低碳化因素是直接還原鐵，即海綿鐵的加入。世界上直接還原鐵主要以天然氣為原料，生產(chǎn)氫基還原氣，通過氣基豎爐還原球團(tuán)鐵礦而成。傳統(tǒng)長流程煉鋼的碳排約1t 鋼排放2t CO，天然氣短流程直接還原鐵煉鋼，1t鋼可實(shí)現(xiàn)減排0.759t CO。世界直接還原鐵生產(chǎn)主要使用天然氣為氫源，2020 年產(chǎn)量最大國為印度，第二名為伊朗，此外中東、俄羅斯、東南亞以及美國等國家和地區(qū)也有產(chǎn)能分布。

中國富煤缺油少氣，天然氣價(jià)格高，以天然氣為供氫原料生產(chǎn)直接還原鐵不具經(jīng)濟(jì)性，直至2020 年底中國才有第一套焦?fàn)t氣為原料的氣基豎爐工業(yè)裝置。中國缺少生產(chǎn)直接還原鐵所需氫源，必須找到低碳且價(jià)格便宜、量大易獲得的氫源才可能解決中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳難題，所以氫源方向和技術(shù)路徑為何？本文進(jìn)行了如下的思考和探索。

1 直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)

世界上主要是以天然氣制合成氣生產(chǎn)還原鐵，主要反應(yīng)機(jī)理如式(1)～式(4)。

還原氣生產(chǎn)

鐵礦石還原

H還原FeO是吸熱反應(yīng)，CO 還原FeO是放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程中要控制H與CO的比例，否則易造成氣基豎爐的溫度下降而使還原難以進(jìn)行。圖1 所示是典型的直接還原煉鐵MIDREX 工藝，但在中國實(shí)施該技術(shù)的主要難題是沒有低成本的氫源，中國的天然氣價(jià)格難以使還原鐵具有經(jīng)濟(jì)性。圖2 所示為山西左權(quán)工藝流程簡圖及工業(yè)裝置圖，以焦?fàn)t煤氣為氫源生產(chǎn)直接還原氣。

圖1 MIDREX工藝流程簡圖[4]

2 中國直接還原鐵氫源分析

2.1 天然氣與資源限制

2020 年中國天然氣產(chǎn)量達(dá)1925 億立方米，進(jìn)口10192.6 萬噸，相當(dāng)于1427 億立方米天然氣。2020 年中國天然氣表觀消耗量達(dá)3289 億立方米，進(jìn)口約40%以上。進(jìn)口天然氣的價(jià)格與中東及周邊低天然氣價(jià)格地區(qū)相比，中國利用天然氣生產(chǎn)直接還原鐵既沒有資源優(yōu)勢，也難以在經(jīng)濟(jì)上可行。

2021 年全球能源在減碳大潮及疫情的影響下開始短缺，歐洲的天然氣價(jià)格大幅上漲，有些國家高達(dá)10CNY/m以上，許多國家以天然氣為氫源的直接還原鐵流程也難以為繼，面臨氫源經(jīng)濟(jì)可行性挑戰(zhàn)。

2.2 各類煤氣與政策導(dǎo)向

各類煤氣包括焦?fàn)t、高爐、轉(zhuǎn)爐及蘭炭煤氣，有效成分含有氫氣、一氧化碳和甲烷，以此生產(chǎn)合成氣與天然氣生產(chǎn)合成氣技術(shù)類似，只是凈化和干轉(zhuǎn)化技術(shù)更加復(fù)雜和要求高。中國2021 年焦?fàn)t產(chǎn)能約5.4 億噸，按1t 焦炭生產(chǎn)340m焦?fàn)t煤氣計(jì)，中國焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量約為1836 億立方米，以目前山西中晉太行30萬噸/年焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)氣基還原鐵工業(yè)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)看，原料氣加燃料氣生產(chǎn)1t 直接還原鐵所耗焦?fàn)t煤氣約840m，中國焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵潛能約為2.18億噸。圖2(b)為世界第一套焦?fàn)t氣干轉(zhuǎn)化氣基還原鐵工業(yè)裝置，也是中國第一套氣基豎爐還原鐵工業(yè)裝置，本文作者團(tuán)隊(duì)2007 年申請(qǐng)第一個(gè)專利，歷經(jīng)三代課題組，并與中晉太行公司合作，歷經(jīng)10年攻關(guān)而成。

圖2 山西左權(quán)30萬噸/年焦?fàn)t氣氣基豎爐還原鐵流程圖及工業(yè)裝置

中國現(xiàn)實(shí)狀況是：焦?fàn)t煤氣被廣泛用于民用、發(fā)電，生產(chǎn)甲醇、合成氨、乙二醇等化學(xué)品，近年用于生產(chǎn)液化天然氣和氫氣，綜合鋼鐵廠的焦?fàn)t煤氣還被用于燃料加熱蒸汽供能等。要用于直接還原鐵生產(chǎn)還需政府與市場雙導(dǎo)引，把這一寶貴氫資源進(jìn)行充分高值化低碳化應(yīng)用。

從地域上看，焦化產(chǎn)能較大的幾個(gè)中部省份具有競爭優(yōu)勢，特別是山西、河北、河南等的獨(dú)立焦化廠更具有市場機(jī)遇。

2.3 煉化干氣與技術(shù)創(chuàng)新

普通燃料型煉廠碳排放的56%來自于燃?xì)饧訜釥t和煉化煙氣，42%來自于外供電力與蒸汽，煉廠燃?xì)鉅t的燃?xì)庵饕菬拸S各工段副產(chǎn)的干氣。

傳統(tǒng)的乙烯生產(chǎn)廠采用蒸汽裂解技術(shù)生產(chǎn)乙烯和丙烯，1t乙烯能耗為0.5～0.6t標(biāo)油，1t乙烯約排放2t CO，生產(chǎn)乙烯所需能量靠燃燒副產(chǎn)的裂解干氣外加外供的天然氣，裂解干氣主要是氫和甲烷。

在30?60雙碳目標(biāo)下，煉油廠與乙烯廠的燃?xì)鉅t若被綠電電爐替代，即電代蒸汽和電代燃?xì)?，將?shí)現(xiàn)煉油廠和烯烴廠的低碳化。若電為光伏風(fēng)電，綠電供能生產(chǎn)的乙烯產(chǎn)品將為綠電低碳產(chǎn)品，可打破碳壁壘出口歐洲。本文作者團(tuán)隊(duì)于2007 年開始研發(fā)電代燃?xì)饧夹g(shù)，即電烯氫技術(shù)，經(jīng)過15 年的攻關(guān)，已完成催化劑和相關(guān)裝備及工藝的開發(fā)，計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范，以此創(chuàng)新技術(shù)1度電約置換出1m氫資源。1t 烯烴生產(chǎn)需1000～1500 度電，1t 烯烴約副產(chǎn)1500m氫，電供能生產(chǎn)直接還原鐵需500～550m氫，1t烯烴可副產(chǎn)3t直接還原鐵的氫資源。

2020 年中國蒸汽裂解烯烴產(chǎn)能約5000 萬噸，其中生產(chǎn)乙烯約2700 萬噸，預(yù)計(jì)2025 年蒸汽裂解烯烴產(chǎn)能達(dá)7000 萬噸以上，乙烯產(chǎn)能達(dá)4000 萬噸。以此可提供生產(chǎn)直接還原鐵氫產(chǎn)能資源2020年1.5 億噸加工，2025 年可達(dá)2.1 億噸加工，電爐鋼按30%～50%加入直接還原鐵，到2025年可支撐（4.2～7）億噸/年的短流程煉鋼，再加上煉油廠電代燃?xì)庵脫Q出的氫資源，可支撐中國短流程煉鋼比例達(dá)42%～70%，基本達(dá)到目前美歐水平。

地域上，中國的乙烯工業(yè)主要分布在東部沿海，以此氫源與進(jìn)口鐵礦石生產(chǎn)直接還原鐵將具世界市場競爭力，出口歐美。

2.4 電解水制氫

綠電電解水制氫以目前堿性電解水技術(shù)約5度電生產(chǎn)1m氫及0.5m氧，最大裝置規(guī)模為每小時(shí)1000m氫。每套裝置800～1000 萬元（人民幣，下同），中國已有多套裝置在運(yùn)行。

電解水生產(chǎn)氫用于鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳，顯然工程技術(shù)上已無大的難題，主要問題是制氫的經(jīng)濟(jì)性。在中國目前煤電標(biāo)桿電價(jià)約0.23元/度的情況下，1m氫的成本約為1.5 元，在中國市場目前難以與各類煤氣及煉化干氣競爭，但隨著光伏風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步及電價(jià)下降，電解水制氫將會(huì)成為氫冶金的主要?dú)湓?，特別是在中國的西北五省。

3 中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳化路徑思考與實(shí)踐

2020 年中國氫耗過500 萬噸的有3 個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，分別為甲醇、合成氨和煉油化工。合成氨與甲醇折氫各約1000 萬噸，主要以煤為原料制氫；煉油化工耗氫約850萬噸，主要是煤焦、干氣、天然氣及甲醇制氫。生產(chǎn)1t直接還原鐵按還原氣550m氫氣計(jì)，1億噸加工約需490萬噸氫。

以中國2020 年10 億噸鋼鐵產(chǎn)量計(jì)，轉(zhuǎn)型短流程電爐鋼，按照30%～50% 添加直接還原鐵（DRI），中國需要（3～5）億噸/年DRI，折氫需(1500～2500)萬噸/年，約為目前中國合成氨、甲醇與煉油化工三大產(chǎn)業(yè)折氫總和，中國鋼鐵低碳化轉(zhuǎn)型向氫冶金方向發(fā)展，氫資源挑戰(zhàn)巨大。

天然氣作為氫源，中國資源不具可行性，進(jìn)口難以有經(jīng)濟(jì)性，特別是在全球減碳浪潮下，世界天然氣價(jià)格走高的概率極大，在中國以天然氣生產(chǎn)直接還原鐵難有可行性。

以各類煤氣，特別是焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，中國有2.18億噸的資源量，在當(dāng)前轉(zhuǎn)型初級(jí)階段，充分利用現(xiàn)有資源，特別是一些獨(dú)立焦化廠甚至仍在火炬排放，在中國CO排放和產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)引下，利用焦?fàn)t氣生產(chǎn)直接還原鐵，在中國中部一些省，特別是山西、河北、河南等具有競爭優(yōu)勢。此技術(shù)核心已攻克，在山西左權(quán)已完成100 萬噸/年焦化配30萬噸/年直接還原鐵工業(yè)示范。

以電代燃?xì)庵脫Q煉油和烯烴生產(chǎn)副產(chǎn)的干氣用于直接還原鐵生產(chǎn)，適于中國未來中期的鋼鐵低碳化轉(zhuǎn)型氫源，特別是適于中國東部沿海，從北部渤海灣如草妃甸到山東日照、江蘇張家港、廣東湛江及海南島。以進(jìn)口高品位鐵礦石和進(jìn)口石油利用沿岸風(fēng)電或特高壓綠電開發(fā)世界級(jí)的低碳綠色鋼鐵生產(chǎn)基地，是中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)國際化的戰(zhàn)略優(yōu)先選擇，兩大初級(jí)原料鐵礦石和石油受限條件小、成本低、規(guī)?？臻g大。另一主要資源低碳綠電正是中國政府大力促進(jìn)的產(chǎn)業(yè)，東部沿岸風(fēng)電及西部綠電特高壓東輸具有支撐這一戰(zhàn)略的雄厚基礎(chǔ)。

本文作者團(tuán)隊(duì)于2007 年開始組團(tuán)隊(duì)攻關(guān)電代燃?xì)饧半娤浼夹g(shù)，已到工業(yè)示范階段，計(jì)劃2022 年在山東東營和甘肅玉門進(jìn)行工業(yè)示范，2021 年已完成工藝包初步設(shè)計(jì)。該成套技術(shù)重構(gòu)了中國的電力、煉化和鋼鐵產(chǎn)業(yè)，通過再電力化使煉化脫碳的同時(shí)，置換出的干氣氫資源用于鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳，同時(shí)使中國煉化產(chǎn)業(yè)更加一體化、高值化，而中國鋼鐵工業(yè)在東部沿海獲得了低成本的氫源而具有經(jīng)濟(jì)性和全球市場競爭力。這一產(chǎn)業(yè)模式還可復(fù)制到中東地區(qū)，即光伏風(fēng)電、石油和鐵礦石都易獲得的地區(qū)。

電解水制氫用于直接還原鐵生產(chǎn)適用于布局中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)期規(guī)劃，主要是在西部五省利用光伏風(fēng)電電解水制氫，生產(chǎn)零碳甚至負(fù)碳的直接還原鐵，如歐洲一些鋼鐵公司目前示范展示的項(xiàng)目，西部五省生產(chǎn)的綠色鋼鐵通過中歐班列出口到歐洲，打破歐洲的綠色關(guān)稅壁壘。據(jù)報(bào)道，歐洲將于2023 年立法對(duì)進(jìn)口鋼鐵產(chǎn)品征收100EUR/t 的碳邊境調(diào)節(jié)稅，2021 年12 月份歐洲的碳排放交易價(jià)格已達(dá)90EUR/t。低碳鋼鐵是世界發(fā)展大趨勢，也是中國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型目標(biāo)，同時(shí)也是國際貿(mào)易戰(zhàn)的工具。

4 結(jié)語與展望

鋼鐵作為支撐世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低碳化是必然趨勢，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)應(yīng)對(duì)這一轉(zhuǎn)型的最大挑戰(zhàn)是直接還原鐵生產(chǎn)所需的氫資源。各類煤氣是中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳化的當(dāng)前首選，中期2025—2030 年為煉化干氣與電烯氫，遠(yuǎn)期2030 年以后為電解水制氫，沿固體煤到液體油，再到氣氫邏輯演變。成功的轉(zhuǎn)型離不開低碳核心技術(shù)的突破及政府政策的引導(dǎo)，以及頭部企業(yè)的戰(zhàn)略布局和工業(yè)示范。中國目前已擁有上述三階段氫源所需核心關(guān)鍵技術(shù)及裝備，已擁有氣基豎爐技術(shù)并完成工業(yè)示范，需要鋼鐵頭部企業(yè)在國家政策引導(dǎo)下完成資源集成與創(chuàng)新，打破中國氫源短缺瓶頸，為中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳生產(chǎn)找到出路。