钢铁生产的氢气和脱碳

钢铁生产的氢气和脱碳

可持续能源未来的主要驱动力围绕以下需求（i）减少全球二氧化碳（CO2）排放和改善空气质量，（ii）确保能源供应安全并转向使用可持续能源，以及（ iii) 创建一个新的工业和技术能源基础，对未来经济至关重要。所有对全球能源期货的现代评估都认为，需求的增长将越来越多地通过多样化的能源组合来满足，其中包括可再生能源或可持续能源。

有形环境问题的增长正在为可持续能源发展提供主要驱动力之一。在这些担忧中，最主要的是二氧化碳和其他气候变化气体释放和积累到大气中的问题。这些排放现在无可争辩地远高于工业化前的水平，并被认为是通过温室气体 (GHG) 效应提高全球（平均）温度的原因。除非通过各种活动大幅减少环境中释放的二氧化碳量，否则将对全球气候造成潜在的灾难性后果。这些担忧无疑正在改变能源及其载体的评估和使用方式，将平衡从传统的碳氢化合物基础转向可再生或可持续能源。

氢是一种有吸引力的替代燃料。然而，与煤炭、天然气或石油不同，它不是主要能源。相反，它的作用更接近于电力作为次要的“能量载体”，它首先使用来自其他来源的能量来生产，然后运输以供将来使用，以充分利用其潜在的化学能。

氢提供了真正可持续的全球能源未来的希望。近年来，由于对能源使用对环境影响的日益关注以及对化石燃料供应安全的担忧，人们对氢作为一种提供能源服务的方式的兴趣一直在增长。氢气是一种众所周知的、用途广泛的清洁能源载体，在工业中得到广泛应用。大多数与氢有关的技术都有悠久的历史。使用氢气的行业记录以及目前在多种应用中使用氢气证明了其安全性。氢气为生产、分销和使用提供了多种选择。它目前的用途可以安全地扩展到其他用途。

氢作为一种能源载体，原则上可以取代当今使用的所有形式的最终能源。它可以为所有经济部门提供能源服务。与化石燃料相比，它具有潜在的环境优势。在使用点，氢气可以以不产生有害排放的方式燃烧。如果在不排放任何二氧化碳的情况下生产氢气，那么它可以构成真正可持续的能源系统的基础，这就是所谓的氢经济。

氢经历了高期望的循环，然后是不切实际的现实。可再生能源价格的下降以及气候变化导致的严格监管要求正在导致目前世界范围内从碳经济向氢经济的范式转变。然而，向氢经济的过渡不会一蹴而就，因为它需要专门的战略和努力。

氢是元素周期表中的第一个元素。它是宇宙中最轻、最丰富、最古老的化学元素之一。在地球上，氢存在于更复杂的分子中，例如水或碳氢化合物。氢气，因为它以纯净的形式使用，必须被提取出来。氢火焰是无色无味的。它需要添加着色剂和气味剂才能使其可见和可检测。此外，氢气的分子比天然气小，因此更容易泄漏。氢气的这种特性可能是一个特殊的问题，因为氢气泄漏会导致封闭空间中氢气浓度的增加。

氢可以在全球工业脱碳中发挥关键作用。在当前情况下，氢经济是重中之重。净零二氧化碳排放需要全面淘汰化石燃料。氢对气候的影响完全取决于它的制造方式。为了控制全球气候变化，由可再生能源驱动的水电解产生的氢气对于实现气候中和是必不可少的。然而，向氢经济的过渡需要对新的基础设施进行大量投资，以生产、运输、储存氢并将其输送给最终用户。

越来越多的共识认识到有必要在 2050 年实现净零排放，以限制全球气温比工业化前水平升高 1.5 摄氏度。为了实现这一目标，有必要找到一种方法来替代目前满足全球五分之四能源需求的化石燃料。为了将全球变暖导致的温度升高限制在 1.5 摄氏度，氢气始终作为能源载体发挥着核心作用。作为能源载体的氢在碳经济中所起的作用可与煤炭、石油或天然气所起的作用相媲美。用于生产钢铁、水泥、玻璃和化学品的工业过程都需要高温加热。目前，这种热量是通过燃烧化石燃料产生的。对于这些难以减少二氧化碳排放的工业部门，如果不使用氢气，基本上就无法达到所需规模的净零排放。

未能使经济脱碳不是目前可用的选择。从长远来看，氢气和可再生能源发电有能力为钢铁行业等难以减排的行业提供脱碳解决方案。但是，也存在一些需要克服的挑战。

氢是一种用途广泛的基础化学品，既可以用作能源，也可以用作工业过程的原料，例如用于肥料的氨生产、精炼以及食品、电子、玻璃和金属工业。然而，使用氢作为能源对于经济的脱碳具有重要意义。新证据表明，氢气在减少工业热排放方面具有重要的潜在作用，特别是在火焰（和随后的燃烧气体）需要与正在生产的材料或产品直接接触的情况下（例如在熔炉和窑炉中）。

氢有许多有用的特性。它可以通过多种低碳方式生产，无论是通过燃烧还是燃料电池中的电化学反应，它的使用都不会产生温室气体排放。在燃料电池中，使用氢气不会产生空气污染物排放，因为唯一的副产品是水。与它所取代的化石燃料相比，这显着改善了空气质量。

氢的燃烧会产生高温，这意味着它可以在需要高温热量的情况下用作化石燃料的替代品，例如在工业应用中。然而，由于氢气在较高温度下燃烧，因此有害污染物氮氧化物 (NOx) 可能会成为一个问题。

尽管氢的能量密度明显低于化石燃料，但在压缩时，它具有显着的高能量密度。它可以大量存储，数量可以持续数月而不是数小时或数天。此外，作为一种可压缩气体，氢气可以通过管道高速输送。

氢作为一种能量载体，在某些方面类似于电。两者都必须产生，而不是像化石燃料那样以有用的、可提取的形式出现。它可以通过基于低碳电力的电解或通过应用碳捕获和储存或利用 (CCS/U) 结合碳氢化合物的气化或重整（例如生物质、天然气）以一系列低碳方法生产.

氢可以以多种方式储存和分配。氢具有高（重量）能量密度。运输选项可与化石能源运输工具相媲美，包括气态/液化卡车运输、船舶运输和通过管道泵送气态氢。融入现有的天然气电网也是可能的，而且可能变得很重要，尤其是在过渡时期。有多种存储选项，其中一些仍处于开发阶段。

工业过程向可持续制氢方法的转变在很大程度上取决于对绿色燃料的日益认可以及绿色工业产品的合适定价，这可以通过适当的碳价格和监管框架来实现。在工业过程中使用绿色氢还具有促进大规模氢需求并因此降低生产成本的优势，这反过来又可以对交通等其他领域产生积极影响。

氢不是能源而是能量载体。它是在使用前生产和储存的。储存能量的氢气分子可以通过燃烧它或通过燃料电池来恢复它。一公斤氢气燃烧释放的能量是一公斤汽油的三倍，并且只产生水。在燃料电池的情况下，氢和氧的化学能通过一对氧化还原（还原-氧化）反应转化为电能。反应的废物是水。

氢气的二氧化碳减排影响取决于其生产方式的二氧化碳足迹和使用氢气的活动的排放量。与制氢相关的二氧化碳排放与所使用的技术以及为该过程提供电力的电网结构密切相关。当前氢气生产的脱碳具有挑战性，但将对二氧化碳排放产生积极影响，并可在实现成本下降方面发挥重要作用。此外，可再生能源电解制氢成本有望降低。

制氢工艺基本上有两类。一种是用电（即电解）从水中提取氢气，第二种是利用化石燃料作为能源和/或氢气的来源。当使用或从化石燃料（例如天然气、石油或煤）中提取氢气时，CO2 排放被锚定在正在催化的化学反应中。在使用电力运行电解过程的情况下，相关排放是由电源的 CO2 强度引起的。

所使用的能源和用于生产氢气的方法决定了它是否被非正式地视为灰色、蓝色或绿色氢气。目前，大约 96% 的氢气是通过碳密集型工艺由化石燃料生产的。这些过程产生的氢被称为灰氢。两个主要过程是用蒸汽重整甲烷和煤气化。当通过这两个过程生产氢气的过程中排放的二氧化碳通过碳捕获和储存或利用 (CCS/U) 被隔离时，产生的氢气被称为蓝色氢气。氢资产的 CCS/U 的捕获率范围高达 90 %，从温室气体的角度来看，这使得这条生产路线非常有效。

使用可再生资源产生的电能通过电解过程产生的低排放或零排放氢气被称为绿色氢气。还有另一种颜色代码。由核电站供电的电解槽产生的氢被称为黄色（或紫色）氢。目前使用水电解制氢的方法很少，因为它需要大量电力，而且价格昂贵。该技术通常仅用于生产纯度非常高的氢气。

与电解有关的另一个问题是水的消耗。纯水消耗量一般在每公斤氢气输出10升到15升之间，进水需要去离子。在没有淡水资源的情况下，选项包括海水淡化或废水回收。

生产零排放氢气的三种主要途径是 (i) 通过蒸汽甲烷重整 (SMR)、使用生物甲烷或与 CCS/U 结合，(ii) 通过使用可再生能源产生的电力进行电解，以及 (iii) 通过生物质气化。虽然 SMR 和电解是成熟的技术，但生物质气化和使用 CCS/U 的 SMR 仍在开发中。目前，几乎所有的氢气生产都是通过化石燃料重整，因为这是目前最经济的途径。

关于蓝氢途径，水的消耗是一个经常被忽视的方面。蓝色氢路径消耗大量的水，在某些情况下甚至高于电解过程。通过生命周期清单比较实体水，结果表明，SMR工艺每公斤氢气的耗水量高达24升，煤气化工艺耗水量高达38升。

有时被称为绿松石（绿蓝色）氢的附加途径仍处于 TRL（技术准备水平）阶段。它由甲烷的热解组成。目前，全球多个地区正在开发不同的技术解决方案。在这个过程中，天然气被用作原料，而能源消耗来自电力，可能来自低碳资源。甲烷在高温下分解成氢气和固体碳（也称为炭黑）。图 1 用颜色表示的氢生成途径识别。

图1用颜色表示的氢生成途径识别

关于氢的水电解工艺，碱性电解槽代表了最先进的工艺。其他正在开发的工艺是处于示范阶段的质子交换膜（PEM）技术，而固体氧化物电解槽仍处于研发阶段。 PEM 电解槽可在能耗相当的情况下提供一系列优势，包括更高的输出压力、更好的部分负载范围以及更快的启动和负载变化。

目前，氢气几乎完全由天然气和煤炭供应。氢气已经在全球范围内以工业规模部署，但它的生产是造成每年二氧化碳排放量的原因。从低碳能源生产氢气的成本很高。目前，绿色氢气是一种昂贵的气体。然而，利用可再生电力生产氢气的成本正在迅速下降。

虽然通过“剩余”可再生能源和/或核能电解生产氢可能是一种具有成本效益的替代方案，但与对氢的潜在需求相比，这种机会的规模很小。目前，从电解中大量生产氢气的成本要高得多，并且需要极具挑战性的发电能力建设速度。使用可再生电力生产的绿色氢预计将在未来几年迅速增长。许多正在进行和计划中的项目都指向这个方向。

来自可再生能源的绿色氢在技术上是可行的，并且正在迅速接近经济竞争力。可再生能源成本下降以及可变可再生能源供应份额上升导致的系统集成挑战推动了对这种供应选择的兴趣不断增加。目前的重点是部署和边做边学，以降低电解槽成本和供应链物流。

三个主要参数对于可再生能源制氢的经济可行性至关重要。这些是（i）电解池资本支出，（ii）过程中使用的可再生电力成本（平准化电力成本，LCOE）和每年的运行小时数（负载系数）。一旦固定投资被更高数量的产品输出稀释，电解槽负载系数越高，一单位氢气的成本就越便宜。在目前的投资成本水平下，电解槽的负载率通常超过 50%，但接近最佳的氢气成本开始达到超过 35%。然而，近年来绿色氢气的电解槽容量却呈指数级增长。

电解槽的扩大规模非常迅速。随着技术的不断发展，规模从兆瓦 (MW) 规模扩大到千兆瓦 (GW) 规模。进展是渐进的，预计不会有根本性的突破。电解槽的成本预计到 2040 年到 2050 年将减半，而可再生电力成本也预计将继续下降。可再生氢很可能很快成为未来许多绿色领域应用中最便宜的清洁氢供应选择。

在从现在到 2050 年以脱碳为主要推动力的全球能源转型中，需要用可再生能源取代目前 24,000 TWh（太瓦时）的发电量。此外，预期的人口增长和生活水平的提高将产生额外 23,000 TWh 的需求，这些电力将由可再生能源产生。这基本上意味着，即使没有氢，未来 30 年全球电力消耗也将翻一番。成功发展绿色氢经济将需要另外 20,000 TWh。这是向氢经济转型所面临的巨大挑战。

从电力采购/定价的角度来看，储氢可以带来好处，但对于工艺概念来说并不那么重要。今天，最具成本效益的氢储存替代方案是地下加压储存，其中存在用于储存在地下盐层中的最具成本效益的替代方案。这种储氢技术已经在工业规模上进行了测试。目前引起很多兴趣的其他解决方案包括利用天然气管道和转化为氨或碳氢化合物作为中间储氢。瑞典目前用于天然气的衬砌岩洞 (LRC) 技术的初步评估也被认为是有希望的。其他正在开发的储氢替代方法是金属氢化物和多孔材料中的储氢。

对氢的几项投资需要 10 年到 20 年的长期投资。尤其是在最初几年，在消费者需求增加之前需要基础设施投资。特定行业缺乏明确且具有约束力的减排目标或刺激措施，阻碍了潜在投资者承担长期风险。

今天对氢的主要需求是其作为工业原料的用途。然而，这些过程中使用的氢气目前并非来自低碳源。未来主要的工业加热应用包括钢铁生产，目前钢铁工业现在使用煤炭。还原赤铁矿 (Fe2O3) 所需的氢气化学计量消耗量为每吨铁 54 公斤。因此，以氢气还原为基础的每年 100 万吨钢厂将需要在 STP（标准温度和压力）每小时氢气的情况下达到 70,000 立方米的氢气工厂产能。

将钢铁行业的依赖从煤炭转向氢气不仅仅是技术和财务挑战。它还会影响钢铁行业在国家、地区和全球层面的组织方式。从历史上看，获取煤炭的便利性是确定钢铁厂选址的一个重要方面。因此，钢厂经常建在靠近国内煤田的地方，或者是在港口设施附近依赖进口煤的钢厂。

利用氢气生产钢铁是目前处于开发阶段的技术。目标是用称为直接还原铁的工艺取代高氧炉 (BOF) 工艺，该工艺是初级炼钢的主要技术，使用焦煤作为热源并从铁矿石中还原氧气。 DRI)，其中氢气是热源和还原剂。

使用氢气作为还原剂的想法主要与气候变化问题有关。炼铁过程的脱碳需要用另一种气体代替还原反应中的碳/一氧化碳，这可以降低或零碳排放。这种气体可以是甲烷或氢气。使用甲烷 (CH4)，一种同时含有碳和氢的化合物，可以减少二氧化碳的排放，部分地用水蒸气 (H2O) 代替它们，但不是完全地。氢气的使用使得该过程完全脱碳成为可能，因为它只产生水蒸气作为化学副产物。

这两种选择在技术上都很好理解。甲烷是天然气的主要成分，因此可以大量使用。它已经在有限程度上用于钢铁生产，但更广泛的使用允许过程的部分脱碳。另一方面，氢气可以使炼钢过程完全脱碳。然而，到目前为止，氢气的生产量有限，其在钢铁生产中的用途仍需进一步微调，以实现工业规模生产。

因此，钢铁生产过程的脱碳提出了两个主要挑战，即（i）通过试点工厂优化和扩大钢铁生产的氢基路线，以及（ii）扩大氢的生产，以更低的产量生产更多的氢。成本更高，效率更高。迟早，在钢铁生产中改用氢气将需要以前所未有的规模建立新的氢气生产设施。因此，以氢为基础的钢铁生产能否成功，关键取决于以尽可能低的成本尽可能广泛地获得大量氢气。

在钢铁生产中通常有两种使用（绿色）氢气的方法。首先，它可以用作PCI（煤粉喷射）的替代喷射材料，以提高传统高炉的性能。尽管 PCI 的使用很常见，但最近已经建立了第一批使用氢气注入的试点工厂，以评估脱碳潜力。然而，虽然向高炉注入（绿色）氢气可以减少高达 20% 的碳排放，但这并不能提供碳中和的钢铁生产，因为普通焦煤仍然是高炉中必需的还原剂。

其次，氢气可以用作替代还原剂来生产直接还原铁，该还原铁可以使用 EAF（电弧炉）进一步加工成钢。使用氢气作为还原剂只会释放水（即不会产生碳排放）。 DRI / EAF 路线是一种经过验证的生产工艺，目前使用天然气作为还原剂。然而，直接还原过程也可以用氢气进行。基于使用绿色氢以及来自风能、太阳能或水的可再生电力，DRI / EAF 设置可实现近乎碳中和的钢铁生产。瑞典和德国的组织一直在试验使用清洁氢气加热的“绿色钢”，并于 2020 年在瑞典进行了首次成功试验。

绿色氢基直接还原铁和废料与电弧炉相结合，用可再生能源生产的氢气代替了直接还原铁生产阶段的化石燃料。它代表了一种经过技术验证的生产方法，可以实现几乎无排放的钢铁生产。所有主要的欧洲钢铁企业目前都在建设或已经在测试氢基钢铁生产工艺，或者使用氢作为 PCI 替代品，或者使用氢基直接还原。

然而，建立纯氢基钢铁生产（直接还原铁加电弧炉）以及所需的氢运输和储存的资本要求相当高。图2为典型的氢气直接还原工艺流程图。

图2氢气直接还原工艺典型流程图

目前，直接还原铁用于全球约 8% 的铁生产是通过直接还原生产的。目前铁的直接还原使用源自天然气或煤的还原气体。 2016 年，三家瑞典公司（SSAB、LKAB 和 Vattenfall AB）宣布了他们计划开发一种通过使用氢气作为还原气体来使铁生产过程脱碳的方法，即“直接还原”。他们的概念被称为氢突破炼铁技术（HYBRIT）。 HYBRIT 基于氢气作为唯一的还原气体，其产生的副产品是水而不是二氧化碳。由此产生的“直接还原铁”（DRI）可以使用电弧炉制成钢，与使用传统 DRI 的方式相同。图3为HYBRIT工艺原理流程图。

图3 HYBRIT工艺原理流程图

HYBRIT 工艺的主要特点是 (i) 非化石燃料用于颗粒生产，(ii) 使用无化石电力通过电解生产氢气，(iii) 将氢气储存在专门设计的装置中用作缓冲到电网，(iv) 竖炉用于铁矿石还原，(v) 定制球团用作铁矿石原料，(vi) 还原气体/气体混合物在注入竖炉之前进行预热，(viii ) 产品可以是 DRI 或 HBI（热压块铁），并且 (ix) DRI/HBI 在 EAF 中与回收的废料一起熔化。

HYBRIT 流程已经评估了与新供应链设置和高炉参考案例相关的端到端能源消耗。该分析还包括从地下提取铁矿石的采矿活动。根据这项分析，高炉生产一吨粗钢时，燃烧炼焦煤和石油会排放 1,600 公斤二氧化碳。 DRI 路线仅排放 25 公斤二氧化碳，同时消耗约 50 公斤氢气，反过来使用 2,633 千瓦时的电力。这表明每 kg H2 的减排效果为 32 kg CO2。

虽然这是对消耗的氢气实现的减排量的准确计算，但 DRI 工艺会产生一种临时海绵铁产品，需要在电弧炉 (EAF) 中加工以生产粗钢，即 BOF 的最终产品。为了标准化与氢的其他最终用途的比较，EAF 中每吨粗钢 855 kWh 的电力消耗可以用来生产另外 16 kg 的氢，这意味着每 kg H2 的标准化效率为 24 kgCO2。图4 BF-BOF炼钢与HYBRIT工艺对比。

图4 BF-BOF炼钢与HYBRIT工艺对比

现在，使用电弧炉生产氢基钢铁在技术上是可行的，并且已经被认为是钢铁行业大规模脱碳的潜在长期解决方案的一部分。问题不在于这种转变是否会发生，而在于何时以及在何种程度上会发生。然而，有多种相互依存的因素决定了钢铁行业何时会出现脱碳临界点。有一些外部因素将影响绿色氢基钢的未来发展和采用时间。

向氢基钢的转变不可能在一夜之间发生。目前，只有一种关键的生产技术可以用来实现碳中和钢铁工业。来自可再生能源的廉价能源的未来可用性和监管问题将成为采用氢基钢的两个关键驱动因素。尽管在未来 28 年左右仍要实现碳中和的目标，但现在就采取行动至关重要。工业用地的使用寿命超过 50 年，投资规划期限为 10 至 15 年。现在需要做出资产和足迹决策，并遵循明确的脱碳路线图。路线图本身是将长期目标与可操作的速赢相结合，以便逐步转向脱碳，让所有利益相关者都参与进来。

总体而言，在炼钢过程中及时从碳到氢的转换需要在广泛的领域采取协调一致的政治行动，在推高碳价格的同时降低氢的价格。反过来，降低氢的价格需要制定广泛而协调的措施。这些措施对于促进对氢的需求和提高供应能力至关重要，作为向氢经济的连贯推动的一部分。