碳中和背景下的钢铁行业系列5---氢气炼钢的减排原理

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昨天和大家分享了碳中和背景下的钢铁行业系列的第四部分：氢气炼钢能实现多少减排

今天和大家分享第五部分：氢气炼钢的减排原理

氢气炼钢通过以氢还原代替碳还原，可以取缔还原反应的碳排放。

炼铁工艺的碳排放是炼钢最主要的碳排放环节，而炼铁产生的碳排放主要是碳还原的化学反应产生，氢气炼钢是以氢代替碳作为还原剂，从而降低碳还原的碳排放，针对的是钢铁生产流程中的炼铁工艺，即长流程中的高炉炼铁和短流程中的直接还原炼铁环节，全部采用废钢的短流程由于取消了炼铁环节，不涉及氢冶金。

对于长流程，除了消除还原反应的碳排放，还可以省去煤炭焦化环节产生的碳排放。

根据碳还原铁反应的化学式，还原1mol铁需要的还原剂碳为1.5-3mol（取决于直接还原和间接还原参与比 例），按照56：12：44的铁、碳和二氧化碳摩尔质量比例，则生产1吨铁的碳还原反应产生的二氧化碳排放量为0.59吨（44/56*1.5/2）-1.18吨（44/56*1.5），加上前述典型长流程中的焦化碳排放0.1 吨，相当于长流程理论上可降低约0.69-1.28吨碳排放，降幅达34-62%。

Fe2O3 + 1.5C → 2Fe + 1.5CO2 直接还原 

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2间接还原 

对于以天然气为气基的DRI生产工艺同理，由于天然气本身含氢元素，参与还原反应的碳比高炉少， 约为0.47吨（44/56*1.5*1/2.5）,将该部分也已氢还原替代，则DRI短流程的碳排放可降至约0.49吨， 降幅达49%。

CH4 + H2O → CO + 3H2水蒸气重整 

CH4 + CO2 → 2CO + 2H2二氧化碳重整 

通过上述测算，可以发现理论上氢气炼钢的减排潜力确实很大，但实现需要诸多前提。

比如制氢来源和过程本身是否存在碳排放，如果是火力发电再电解制氢，碳单耗反而比传统长流程工艺更多。

再比如氢完全代替碳，则没有碳燃烧作为热能释放来源，而氢还原铁本身是吸热反应，热量补充从何而来，若还是通过化石燃料燃烧发热则减排效果将大打折扣。

可见，如果氢气炼钢只着眼于单一环节，那也不过是拆东墙补西墙，反而有违氢气炼钢的初衷。

从焦炭炼钢到氢能炼钢，表面上只是还原方法的不同，但要实现降低碳排放的目标，需要整个流程系统性的规划和配套产业链的发展，做到绿色制氢、绿色用氢，而这也是目前发展氢气炼钢遇到的主要瓶颈。

碳中和背景下的钢铁行业系列的第五部分的内容就分享到这里，明天和大家分享第六部分的内容：氢气炼钢的难点

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