Midrex Technologies, Inc., 米德雷克思冶煉技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司

　　1 背景

　　巴黎協(xié)議在2016年地球日簽署，于當(dāng)年11月4日生效。協(xié)議的目標(biāo)是“應(yīng)對(duì)氣侯變化的威脅，共同擔(dān)負(fù)起保證地球溫度在本世紀(jì)比前工業(yè)化時(shí)代升溫不超過(guò)2攝氏度”[1]。降低工業(yè)部門(mén)的二氣化碳 (CO2) 排放被視為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，其中鋼鐵工業(yè)是溫室氣體排放的最大戶，占總排放量的7-9% ，因?yàn)槠渲饕棵鹤鳛槿剂?。世界大約75%的鋼鐵是由高爐和轉(zhuǎn)爐聯(lián)合工藝生產(chǎn)，高爐用焦炭作為燃料生產(chǎn)含碳~4.5%左右的鐵水，鐵水中的碳在轉(zhuǎn)爐中被噴吹的氧氣氧化為二氧化碳來(lái)提供煉鋼升溫的熱源。BF/BOF 聯(lián)合工藝不管采用哪種具體技術(shù)，其CO2排放大約在1.6-2.0 kgCO2/kg 范圍內(nèi)。天然氣基的MIDREX?直接還原聯(lián)合電爐的煉鋼工藝是目前基于原礦的冶煉工藝中CO2排放最低的商業(yè)化的路線，排放在1.1-1.2 kgCO2/kg鋼。通過(guò)配備CO2脫除系統(tǒng)，MIDREX工藝還可以進(jìn)一步降低CO2排放到BF/BOF流程的三分之一左右。

　　然而通過(guò)采用氫氣為燃料和還原劑的工藝有更大的降排放潛力。最徹底的降低鋼鐵工業(yè)碳排放的方式是采用綠氫（使用可再生能源制備的氫氣）。用MIDREX豎爐生產(chǎn)直接還原鐵煉鋼。MIDREX H2?就是這一技術(shù)，可以在現(xiàn)有工廠基礎(chǔ)上改造實(shí)現(xiàn)，也可以新建基于氫氣的工廠。實(shí)現(xiàn)氫基直接還原的最重要障礙是生產(chǎn)大量無(wú)碳排放印跡的經(jīng)濟(jì)的綠氫，目前氫氣主要通過(guò)蒸汽甲烷重整工藝制備。

　　2 朝向氫經(jīng)濟(jì)的

　　除了核能，今天使用的能源大部分都來(lái)自于碳?xì)浠衔镔Y源：石油，煤，天然氣。風(fēng)能、太陽(yáng)能、水利發(fā)電等可再生能源逐步擴(kuò)大份額，但其普及仍受制于地理?xiàng)l件及電網(wǎng)承受可再生能源波動(dòng)的能力（這也被稱之為鴨子曲線）。電能的儲(chǔ)存和傳輸成本也非常高。

　　氫經(jīng)濟(jì)是采用氫氣為能源的體系。它可以解決使用傳統(tǒng)碳?xì)浠衔锬茉吹囊恍┍锥?

　　例如產(chǎn)生CO2, CO和未被燃燒的殘余物等。世界范圍內(nèi)的氫經(jīng)濟(jì)提倡者認(rèn)為氫能對(duì)終端用戶來(lái)說(shuō)是更清潔的能源，不會(huì)排放污染物，它不產(chǎn)生粉塵，CO2，燃燒產(chǎn)物是水。

　　但氫能仍需要克服一些問(wèn)題才能變成主要經(jīng)濟(jì)能源。例如，氫氣重量載能效率很高，但體積載能效率很低，因此需要壓縮或者液化，其次氫燃料生產(chǎn)成本太高。其它問(wèn)題諸如儲(chǔ)存，供給基礎(chǔ)設(shè)施，氫純度，安全性等。

　　還有“先有雞還是先有蛋的問(wèn)題”，潛在的氫氣生產(chǎn)單位需要需求達(dá)到一定規(guī)模才開(kāi)始投資規(guī)?；纳a(chǎn)氫氣，而消費(fèi)端聲稱只有氫氣能大規(guī)模低成本供給才會(huì)考慮應(yīng)用。工業(yè)部門(mén)，學(xué)術(shù)部門(mén)，政府和消費(fèi)者需要一起合作來(lái)解決這些挑戰(zhàn)。許多國(guó)家和政府已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)一些嘗試，探索實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)的可能性。

　　3 目前氫氣的制備和用戶

　　氫氣現(xiàn)在主要有兩大用戶，大約一半的氫用于制造合成氨化肥，另一半用于重油加氫制輕油。氫氣裂解可以將貧質(zhì)資源如焦油和葉巖油改質(zhì)為輕油。2016年統(tǒng)計(jì)96%的氫氣來(lái)源于化石原料，其中48%從天然氣制備，30%來(lái)自于油，18%來(lái)自于煤。大部分這類“藍(lán)”氫在制氫現(xiàn)場(chǎng)使用，并沒(méi)有被交易或輸送。大量的氫氣是用天然氣與蒸汽重整反應(yīng)生成，重整反應(yīng)生成一份氫氣同時(shí)產(chǎn)生一份一氧化碳，然后分離出一氧化碳制得氫氣。這種制氫方式并不能大幅降低CO2排放。雖然有捕集分離CO2的工藝可配備，但CO2產(chǎn)生量大大超出高純CO2的需求量，因此并不能有效降低CO2排放。直接還原鐵工藝也屬于通過(guò)天然氣制氫并在現(xiàn)場(chǎng)消耗掉其產(chǎn)生的氫氣的一種工藝。

　　4 綠氫

　　另外一種制氫的主要工藝是電解水，制氫同時(shí)也制取氧氣，其占比在4%左右。因?yàn)殡娊馑脑现胁⒉缓?，所以似乎是綠氫。然而它的推廣有兩個(gè)問(wèn)題：1）在大部分國(guó)家，電主要靠化石能源來(lái)發(fā)，過(guò)程中的碳足跡非常明顯。2）用電制取氫氣的成本非常高，因?yàn)殡姳旧碓诤芏鄧?guó)家就很貴（其成本是蒸汽重整的兩倍）。

　　2016年，美國(guó)能源部推出H2@Scale計(jì)劃來(lái)促進(jìn)氫氣應(yīng)用，改善制氫的經(jīng)濟(jì)性，增加運(yùn)輸、儲(chǔ)存，調(diào)節(jié)其相對(duì)其它能源的使用效益【2】。這包括聯(lián)合大學(xué)，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，工業(yè)部門(mén)共同推進(jìn)，設(shè)立研發(fā)項(xiàng)目，提供融資支持。制氫方式也不僅僅限于利用可再生能源，還考慮了其平衡發(fā)電與用電需求波動(dòng)的作用，將富余電力制氫。這種靈活的制氫和使用氫的方式比單純用可再生能源制氫更經(jīng)濟(jì)，更易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

　　綠氫在很多方面取得進(jìn)步，用于交通運(yùn)輸最顯著，現(xiàn)在已有商業(yè)化的交通工具例如氫能公共汽車，短駁貨車，叉車等。加州有氫能車的示范項(xiàng)目，但把這種集中式的項(xiàng)目推廣至大范圍應(yīng)用仍需要大量的昂貴氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。而且安全，高能量?jī)?chǔ)存密度的儲(chǔ)氫裝備仍是需要攻克的技術(shù)難題。工業(yè)用氫氣可以在現(xiàn)場(chǎng)制備，其儲(chǔ)運(yùn)成本很低。鋼鐵廠也有條件實(shí)現(xiàn)用蒸汽或其它氣體制取氫氣。

　　在制取，輸送，儲(chǔ)存和使用氫氣眾多環(huán)節(jié)中，工業(yè)制氫是目前最有可為的領(lǐng)域，現(xiàn)在已有很多可選的技術(shù)來(lái)用水制取氫氣，最成熟的技術(shù)是堿性電解。質(zhì)子交換薄膜技術(shù)已在商業(yè)化應(yīng)用階段，固體氧化物電解排在示范階段。雖然這些技術(shù)的制氫成本暫時(shí)競(jìng)爭(zhēng)不過(guò)蒸汽重整工藝，但已降低差距到兩倍不到。圖1是關(guān)于氫經(jīng)濟(jì)性的愿景：如果每度電的成本是1美分，制取氫氣的成本與蒸汽重整差不多（從左數(shù)第二個(gè)柱），今后的研發(fā)改進(jìn)還會(huì)降低電解氫氣的成本。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，增大規(guī)模能降低電解工藝的投資。世界制氫規(guī)模正在不斷迅速擴(kuò)張，2017年美國(guó)能源部估計(jì)電解制氫規(guī)模約為100MW.目前商業(yè)化的電解制氫裝備單臺(tái)規(guī)模已達(dá)1MW，更大規(guī)模的電解制氫裝備正在到來(lái)，例如 voestalpine 正在調(diào)試一臺(tái)6MW 裝備，Air Liquide在2019年2月宣制在加拿大開(kāi)始建設(shè)一臺(tái)20MW 裝備. 2018年，挪威內(nèi)爾 簽訂了1GW 的合同，其最大裝備功率達(dá)360MW。目前的技術(shù)產(chǎn)氫效率在 ~200Nm3/h 每 MW，不同技術(shù)略微有些差別。

　　降低制氫成本的另一方面是降低電的成本，表1說(shuō)明了為達(dá)到與蒸汽重整相同的制氫成本需要的電價(jià)。電力成本不同國(guó)家差別很大，但電力成本今后很長(zhǎng)一段時(shí)間都難以達(dá)到這樣的水平。

　　5 氫煉鐵

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