煉焦副産氫氣減排效果顯著，鋼企布局氫能産業應謀定而(ér)後動
2022-11-15
【摘要(yào / yāo)】：
應用焦爐煤氣提取的(de)灰氫也(yě)具有較好的(de)減碳作用：灰氫煉鐵，理論上(shàng)可減少碳排放27%；灰氫重卡，理論上(shàng)可減少碳排放21%。當前，氫能産業鏈技術尚不(bù)成熟，灰氫的(de)價格并不(bù)低，綠色度也(yě)不(bù)夠，焦爐煤氣制氫受到(dào)煉焦産能減少的(de)影響。鋼鐵企業發展氫能産業，不(bù)能急也(yě)不(bù)能緩。
作爲(wéi / wèi)能源消費大(dà)戶，鋼鐵行業是(shì)我國(guó)31個(gè)制造業門類中碳排放量最大(dà)的(de)行業，其排放量約占全國(guó)排放總量的(de)15%。氫冶金是(shì)當前全球鋼鐵行業技術研發的(de)熱點，尤其在(zài)歐洲，面臨碳減排壓力，歐洲鋼鐵企業紛紛将目光聚焦利用氫氣作爲(wéi / wèi)還原劑，開發氫煉鐵工藝技術，以(yǐ)期在(zài)鋼鐵生産中實現“氣候中性”的(de)目标。随着氫能價值的(de)提高，國(guó)内越來(lái)越多的(de)鋼廠和(hé / huò)獨立焦化企業重新審視焦爐煤氣價值，進行副産制氫。
采用傳統的(de)高爐煉鐵技術，噸鐵碳排放量約1.35噸二氧化碳。
煤熱解煉焦産生焦炭、焦爐煤氣、焦油、粗苯等産品，産生其中焦爐煤氣體積分數的(de)60%左右爲(wéi / wèi)氫氣，常用多級變壓吸附工藝提取高純度氫氣。因此，煉焦過程能源消耗和(hé / huò)碳排放需要(yào / yāo)按照相關國(guó)際标準在(zài)産品之(zhī)間進行分配。在(zài)相關文獻的(de)數據基礎上(shàng)，對電力排放因子(zǐ)進行更新，煤熱解制備1公斤氫氣的(de)碳排放量爲(wéi / wèi)5.48公斤，其中直接碳排放爲(wéi / wèi)3.05公斤，消耗電力、蒸汽、水産生的(de)間接碳排放爲(wéi / wèi)2.43公斤。如采用管道(dào)輸送，每标方氫氣的(de)耗電量不(bù)到(dào)0.1千瓦時(shí)，折合碳排放量0.058公斤。因此，煤熱解制氫+管道(dào)輸氫的(de)碳排放量爲(wéi / wèi)5.54公斤二氧化碳/公斤氫氣。
可見，制備相近品質的(de)鐵水，即使采用灰氫，理論上(shàng)可降低高爐工序近27%的(de)碳排放量。
（二）灰氫重卡，理論上(shàng)可減少碳排放21%
常見的(de)49噸柴油發動機車型百公裏油耗在(zài)32升左右，1升柴油約爲(wéi / wèi)0.86公斤，而(ér)1噸柴油的(de)碳足迹爲(wéi / wèi)3.82噸二氧化碳，那麽百公裏碳足迹爲(wéi / wèi)105公斤二氧化碳。
在(zài)相關文獻的(de)數據基礎上(shàng)，分别測算煤炭生産、煤炭運輸、煤熱解制氫（含變壓吸附提氫）、氫氣壓縮、氣氫拖車運輸、氫氣加注環節的(de)碳排放量，折合1公斤氫氣的(de)碳排放量分别爲(wéi / wèi)1.65公斤、0.03公斤、5.48公斤、0.64公斤、0.46公斤、0公斤，即送到(dào)加氫站的(de)灰氫的(de)碳足迹爲(wéi / wèi)8.26公斤二氧化碳/公斤氫氣。
随着氫燃料電池汽車的(de)技術進步，車輛的(de)綜合氫耗水平有望逐步下降。根據我國(guó)節能與新能源汽車技術路線圖，49噸載重量重卡的(de)百公裏氫耗将從目前的(de)10公斤氫氣分别降至2025年的(de)8公斤，2030年的(de)7.5公斤。那麽，重卡使用灰氫，當前100公裏車程的(de)碳足迹約82.64公斤二氧化碳。
可見，對于(yú)49噸載重量重卡，即使采用灰氫，理論上(shàng)仍可降低單位車程的(de)碳足迹近21%。
二、當前困境
一(yī / yì ／yí)是(shì)技術尚不(bù)成熟。目前，全氫直接還原技術還存在(zài)諸多技術難題，而(ér)且經濟上(shàng)也(yě)難以(yǐ)承受。
二是(shì)灰氫的(de)價格并不(bù)低。氫冶金方面，據測算，傳統高爐的(de)燃料成本不(bù)到(dào)1000元/噸，而(ér)采用焦爐煤氣制氫後全氫氣煉鐵的(de)燃料成本高達1400元/噸，短期内沒有競争力。重卡方面，49噸柴油發動機車型百公裏油耗在(zài)32升左右，0号柴油價格不(bù)到(dào)8元/升，百公裏油費約256元；據測算，焦爐煤氣制氫的(de)綜合成本介于(yú)9~15元/公斤，在(zài)儲運及加注環節，長管拖車氣态儲運成本約8元/公斤，加注成本約11元/公斤。在(zài)不(bù)考慮補貼的(de)情況下，即使按照成本價算，氫能重卡百公裏耗氫費用也(yě)要(yào / yāo)超過柴油重卡。據不(bù)完全統計，當前我國(guó)氫氣終端銷售價格爲(wéi / wèi)50-80元/公斤，如按照市售氫價，百公裏氫耗超過500元，遠高于(yú)柴油重卡。
三是(shì)綠色度不(bù)夠。目前，焦爐煤氣制備氫氣，碳足迹比“清潔氫”的(de)碳足迹4.9公斤二氧化碳/公斤氫要(yào / yāo)高出(chū)不(bù)少。
四是(shì)焦爐煤氣制氫受到(dào)煉焦産能減少的(de)影響。“十四五”及未來(lái)一(yī / yì ／yí)段時(shí)間焦化行業面臨節能降碳壓力和(hé / huò)下遊鋼鐵行業産量壓減的(de)影響，國(guó)内焦炭産量将進入平台區，焦爐煤氣制氫将受到(dào)煉焦産能減少的(de)影響。
三、建議
“雙碳”背景下，鋼鐵企業面臨巨大(dà)的(de)減排壓力，同時(shí)也(yě)面臨着經濟綠色低碳轉型的(de)壓力，應統籌好發展和(hé / huò)減排的(de)關系、短期目标和(hé / huò)長期目标的(de)關系。
快，加速布局加氫站和(hé / huò)氫能重卡賽道(dào)。柴油車對環境的(de)影響是(shì)長期存在(zài)的(de)突出(chū)問題。一(yī / yì ／yí)方面，服務自身物流運輸。鋼鐵企業物流量大(dà)，每個(gè)鋼廠都有大(dà)量汽油車和(hé / huò)柴油車。另一(yī / yì ／yí)方面，服務社會。在(zài)港口、碼頭、工業園區等區域，重型柴油車密集。鋼鐵企業可利用氫能資源優勢，加快布局加氫站和(hé / huò)氫能重卡，優先在(zài)物流園區、港口和(hé / huò)港口城市開展“柴改氫”。
慢，在(zài)技術尚不(bù)成熟的(de)氫冶金賽道(dào)，結合自身資源禀賦條件和(hé / huò)技術優勢，加大(dà)研發投入，蓄勢待發，不(bù)急于(yú)投資建設。預計2030年左右，可能會迎來(lái)高爐富氫碳循環技術改造的(de)高峰期；對具備電力、煤炭資源優勢的(de)企業可先行先試開發氣基豎爐工藝。未來(lái)，全氫冶金将迎來(lái)較大(dà)發展空間。
按照理想的(de)狀态，假設還原和(hé / huò)加熱鐵礦石都采用焦爐煤氣提取的(de)灰氫，目前還原1噸鐵礦石大(dà)約需要(yào / yāo)500标方—550标方氫氣，加熱需要(yào / yāo)500标方氫氣，那麽制備1噸直接還原鐵需要(yào / yāo)約93.75公斤氫氣，相應的(de)碳排放量爲(wéi / wèi)519.38公斤二氧化碳。考慮到(dào)後續煉鋼時(shí)還需要(yào / yāo)先将直接還原鐵熔化，而(ér)熔化1噸直接還原鐵又需要(yào / yāo)耗電700千瓦時(shí)—800千瓦時(shí)，相應會增加碳排放464.8公斤二氧化碳。那麽，用灰氫制備1噸直接還原鐵水，碳排放量約984.18公斤二氧化碳。