V.Chevrier,Ph.D.¹, 錢良豐²

1 Midrex Technologies，2米德雷克思冶煉技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司

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2攝氏度”[1]。降低工業(yè)部門的二氣化碳 (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)大量無碳排放印跡的經(jīng)濟(jì)的綠氫，目前氫氣主要通過蒸汽甲烷重整工藝制備。

1 鋼鐵行業(yè)的主產(chǎn)品不是鋼鐵，而是碳

鋼鐵生產(chǎn)約占全球二氧化碳排放的9%。從碳基還原劑到氫等替代品的決定性轉(zhuǎn)變幾乎是不可避免的，但這必須分階段實(shí)施。

目前仍占主導(dǎo)地位的高爐/轉(zhuǎn)爐(BF/BOF)工藝生產(chǎn)的鋼液，每噸產(chǎn)品大約產(chǎn)生1.8噸二氧化碳排放到大氣中—這個(gè)數(shù)字是根據(jù)經(jīng)合組織統(tǒng)計(jì)歐洲運(yùn)行的工廠平均值計(jì)算得出的。對(duì)于行業(yè)內(nèi)的決策者來說，這些事實(shí)很難說是好消息。世界各國(guó)政府正在權(quán)衡實(shí)現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》(Paris Climate Agreement)規(guī)定的大規(guī)模減少溫室氣體排放(GHG)的選擇。為了實(shí)現(xiàn)2050年凈零碳排放這一雄心勃勃的目標(biāo)時(shí)，減排必須行動(dòng)起來，鋼鐵生產(chǎn)商將面臨更大的壓力，以大幅降低排放。碳排放交易機(jī)制即將實(shí)施并擴(kuò)大范圍，碳稅即將出臺(tái)，消費(fèi)者最終將對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的碳足跡表示關(guān)注。

世界上一些地區(qū)的生產(chǎn)商已經(jīng)感受到了碳定價(jià)帶來的痛苦。圖1所示的歐洲二氧化碳排放限額價(jià)格的制定就是一個(gè)很好的例子。在2021年年中達(dá)到峰值時(shí)，油價(jià)在四年時(shí)間里上漲了近8至10倍。隨著歐盟排放交易計(jì)劃在2021年進(jìn)入下一個(gè)階段，屆時(shí)將啟動(dòng)幾項(xiàng)措施，逐步收緊配額供應(yīng)，排放量仍接近歷史高點(diǎn)。

由于預(yù)見到此類監(jiān)管措施和市場(chǎng)壓力，世界各地的鋼鐵生產(chǎn)商正競(jìng)相采用旨在降低鋼鐵生產(chǎn)中的碳強(qiáng)度的新技術(shù)。僅僅將鋼鐵生產(chǎn)從以煤和焦炭為基礎(chǔ)的高爐轉(zhuǎn)移到以天然氣為基礎(chǔ)的直接還原工廠是不夠的。該行業(yè)將需要開發(fā)不產(chǎn)生直接碳足跡的其他能源，例如基于可再生能源的氫，以經(jīng)濟(jì)上可行的方式實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模。

如圖2所示，直接還原/電弧爐（DR-EAF）路線在DR工藝中使用天然氣，與傳統(tǒng)的BF / BOF路線相比，將生產(chǎn)鋼水的碳強(qiáng)度降低了50%以上。短流程工藝減排的力度與電弧爐工藝的電力來源相關(guān)。圖2的計(jì)算基于每千瓦時(shí)0.226千克CO2排放網(wǎng)格系數(shù)，這是2019年EU-27的平均值。采用瑞典的CO2排放網(wǎng)格系數(shù)（目前為每千瓦時(shí)0.023千克二氧化碳）將使排放量降至每噸僅181千克二氧化碳。更進(jìn)一步的降低碳排放必須通過使用“綠色” 氫氣來代替天然氣，排放量可以減少85-90%。

2 規(guī)模化制氫技術(shù)

毫無疑問，建立一種基于完全使用氫氣為能介，使鋼鐵生產(chǎn)能真正做到無碳足跡的工藝，將是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。其中一個(gè)關(guān)鍵的障礙是要支撐鋼鐵行業(yè)的大規(guī)模升級(jí)將消耗的海量氫氣，其消耗強(qiáng)度將是巨大和驚人的。將一個(gè)典型的年產(chǎn)500萬噸的聯(lián)合鋼鐵工廠從煤和焦炭轉(zhuǎn)化為氫氣，每小時(shí)至少需要48萬Nm³(相當(dāng)于44噸) 的氫氣供應(yīng)。從這個(gè)角度來看，目前正在運(yùn)行的最大的質(zhì)子交換膜 (PEM)電解槽每小時(shí)僅產(chǎn)生約3000 Nm³ (即0.25噸) 的氫氣。

不僅需要大量額外的氫氣來支持鋼鐵工業(yè)，而且還必須使用可再生能源來生產(chǎn)氫氣。目前，大約95%的氫是“灰色”的，這意味著它是通過從化石燃料中提取氣體產(chǎn)生的。利用碳捕獲和存儲(chǔ)(CCUS)技術(shù)可以防止二氧化碳排放到大氣中，從而產(chǎn)生 “藍(lán)色” 氫。但這只有在特定的地質(zhì)上安全的地方才能儲(chǔ)存捕獲的碳，比如海底或地下深處。 

截至今天，大多數(shù)工業(yè)用氫氣都是由蒸汽甲烷重整器（SMR）生產(chǎn)的。由于為這些重整器（甲烷 - CH4）供給的天然氣含有碳，因此產(chǎn)生的“灰色”氫氣會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的CO2排放。如果以降碳排放為目的而新建煉鐵工廠，其氫氣必須通過使用非化石能源從水中電解來制取才有意義。自2000年以來，全球已有230多個(gè)氫電解項(xiàng)目（包括基于可再生能源和傳統(tǒng)能源的項(xiàng)目）投入運(yùn)營(yíng)。他們中的大多數(shù)，如H2Future項(xiàng)目，都位于歐洲。但在澳大利亞，中國(guó)和美洲也已經(jīng)啟動(dòng)或宣布了一些新的項(xiàng)目。幾乎所有工廠的規(guī)模都小于10兆瓦，但一座20兆瓦的工廠現(xiàn)在在加拿大投入運(yùn)營(yíng)，最近還有幾個(gè)正在討論中的項(xiàng)目規(guī)模超過100兆瓦。

目前主要有三種電解制氫技術(shù)：堿性，質(zhì)子交換膜（PEM）和高溫蒸汽電解。暫時(shí)最先進(jìn)的技術(shù) - 也是最近普遍應(yīng)用于商業(yè)電解水制氫項(xiàng)目的技術(shù)是質(zhì)子交換膜技術(shù)或PEM（圖3）。它將電極連接到固體聚合物膜的兩側(cè)，作為電解質(zhì)和分離器，以防止產(chǎn)生的氣體混合。氫離子在陽極形成，穿過膜，并與來自陰極的電子結(jié)合形成氫氣。PEM型電解槽具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它效率高，功率密度高，并且具有很寬泛的動(dòng)態(tài)工作范圍，允許它直接耦合到可再生能源 -它可以快速響應(yīng)電力供應(yīng)的變化。模塊的功率范圍為 3 至 100 MW，每小時(shí)可產(chǎn)生高達(dá) 20,000 Nm³（或約 2 噸）的氫氣。

3 氫基直接還原技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用

氫氣早就是直接還原工藝中還原氣體混合物的一部分。直接還原工藝的靈活性為工廠所有者過渡到氫氣提供了一種漸進(jìn)的方式，可以隨著價(jià)格下降和供應(yīng)增加，時(shí)間的推移增加氫氣的添加量。這突顯了對(duì)直接還原工廠進(jìn)行新投資的價(jià)值：無論未來在排放法規(guī)或原材料價(jià)格方面有怎樣的變化和進(jìn)展，直接還原的減排潛力可以幫助工廠實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性。

MIDREX®直接還原工廠生產(chǎn)了全球約60%的直接還原鐵。還原氣體（主要是 H2 和CO的混合物）由天然氣在特殊的CO2重整爐中產(chǎn)生。無需對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何修改，本工藝允許高達(dá)30%的天然氣被氫氣取代（圖4）。例如，可以引入60,000 Nm³/h的氫氣來替代20,000 Nm³/h的天然氣。通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行輕微改造就可以達(dá)到甚至100%全氫還原的目標(biāo)，現(xiàn)實(shí)的條件下，會(huì)按照產(chǎn)品中所需的碳含量決定氫氣使用比例。本工藝可以輕松適應(yīng)加氫比例的波動(dòng)，使工廠能夠?qū)κ褂蔑L(fēng)能或太陽能等可再生能源從水電解中獲取氣體時(shí)預(yù)期的氫氣供應(yīng)變化做出反應(yīng)。

如果要將氫氣用作唯一的還原劑（MIDREX H2 ™），則可以用還原氣體加熱爐替換天然氣重整爐（圖 5）。氫氣在還原過程中將轉(zhuǎn)化為H2O，并在頂部氣體洗滌器中冷凝。由于過程回路中沒有CO源，因此不需要CO2去除系統(tǒng)。該工藝每噸DRI使用約650Nm³的氫氣進(jìn)行還原。此外，每噸DRI需要約250Nm³的H2用于加熱，這也可以由其他能源（例如電能）替代。當(dāng)然，工廠還可以設(shè)計(jì)為在目前條件下先用天然氣，然后按需要靈活利用氫氣（0 - 100%氫氣）來替代天然氣。

4 結(jié)論
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