碳中和背景下的钢铁行业系列6---氢气炼钢的难点

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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五部分：氢气炼钢的减排原理

今天和大家分享第六部分：氢气炼钢的难点

难点1：规模化用氢 氢气对碳基还原剂的替代是存在极限值的，尤其是高炉炼铁工艺。

对于长流程高炉炼铁，碳除了作为还原剂，还起到多种关键作用：

①作为燃料，提供高炉冶炼所需热量，高炉热量一般由焦炭、喷 吹燃料的燃烧及外部通入的热风提供，其中高炉内焦炭燃烧供热占比高达75%-80%。

②作为骨架，支撑炉料。

③作为生铁渗碳的碳源，一般生铁中碳含量4%，全部来源于焦炭。氢的密度和元素构 成显然无法替代碳的支撑和渗碳作用，炭的使用难以避免，而且氢气还原是吸热反应，氢气比例达 到一定程度后，需要额外供热来实现热量互补，如果这部分热能来源还是通过碳燃烧，那碳排放只是有增无减。

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O ∆H＝98.12KJ 

C + O2 → CO2 ∆H＝ − 393.52KJ 

对于气基竖炉还原炼铁工艺，同样存在渗碳来源、热量互补问题，而且如果是纯氢气作为还原剂需要对纯氢气进行加压和加热，根据唐珏等于2020年11月在《河北冶金》发表的《我国氢冶金发展现 状及未来趋势》一文，氢气理论上加压到1MPa以上，加热到1000摄氏度以上，可以达到设计指标，但竖炉如果长期在如此高温、高压极限条件下工作，不符合安全目标。

因此，在上述问题解决之前，氢气对碳基还原剂的替代是存在极限值的，尤其是高炉炼铁工艺，对温度的要求更高，用氢受限程度也因此更大。

难点2：经济化制氢 除了规模化用氢，如何实现经济地制氢也是一个难点。

目前已有较为成熟的制氢工艺，按制取原材料分类，氢气可划分为灰氢、蓝氢和绿氢，分别指化石燃料制氢、工业副产氢和可再生能源电解制氢，只有绿氢才是真正零排放制氢方式。

按照化学反应式和原子摩尔质量比，可以测算出还原吨铁耗氢气53.6kg，耗碳约321千克。

参考目前焦炭的价格约2000元/吨，制氢成本参考宝丰能源于2021 年4月19日披露《宁夏宝丰能源集团股份有限公司关于拟对外投资设立子公司的公告》，其200MWp 光伏发电及20000标方/小时电解水制氢示范项目在试生产过程中的氢气综合成本，即 1.34 元/标方。

考虑碳元素在焦炭比例约85%，则还原吨铁的碳、氢气成本约为756、804元/吨，可见，若不考虑还原剂变化带来的其他成本变动，氢气作为还原剂的经济性尚不及碳。

据测算，氢气成本需降至1.26元 /标方，或者对吨碳排放征收碳税25元，才能达到氢碳还原平价。宝丰能源披露远期氢气综合成本可降至0.7元/标方，届时吨铁氢还原成本或降至420元/吨，若能实现，将大大增强氢还原的经济性。

除经济地“脱碳”制氢外，其大规模储运至今仍是工业上的难题。

由于氢气特殊的物理化学性质---密度不足空气的1/15，且易燃易爆，因此储运需要极其特殊的条件，目前储氢方法主要分为气态、液态和固体储氢三种。

低温液态储氢由于价格昂贵，目前主要在航天领域应用；有机液态和固态储氢尚处于示范阶段，还未成熟；高压气态储氢尽管已得到广泛应用，但由于体积比容量较低，不适用于大规模用氢场景，目前主要在燃料电池车应用。

氢气的运输同样是个问题，由于氢能产业尚未成熟，氢气运输成本和前期建设较高，而运力较低，经济性有待提升。

尽管在当前的技术水平和产业发展程度下，要彻底地实现氢气炼钢尚存诸多难题，通过氢气炼钢来经济地大幅降低钢铁行业碳排放恐难以实现。但正视当下困难的同时，也要看到氢气炼钢的发展潜力，富氢工艺是现阶段氢气炼钢可着眼的发展方向。

碳中和背景下的钢铁行业系列的第六部分的内容就分享到这里，明天和大家分享第七部分的内容：现阶段氢气炼钢发展方向

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