氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及其在我國(guó)鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用
氫氣因其來(lái)源豐富、能量密度高、綠色低碳等諸多優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)為是最理想的清潔能源,是未來(lái)能源發(fā)展格局中的關(guān)鍵組成部分,已成為全球未來(lái)能源發(fā)展的重要方向。伴隨著全球氣候變化壓力持續(xù)增大,同時(shí)疊加氫能生產(chǎn)和利用技術(shù)的日趨成熟,全球?qū)洚a(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)注度日益高漲。美國(guó)以及歐洲等西方發(fā)達(dá)國(guó)家相繼將氫能產(chǎn)業(yè)提升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度。2016年,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》明確提出了能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新的行動(dòng)路線圖,“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”也被納入其中,標(biāo)志著氫能產(chǎn)業(yè)上升到國(guó)家戰(zhàn)略。當(dāng)前,我國(guó)主流鋼鐵生產(chǎn)工藝是高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程,這種生產(chǎn)流程決定了制造過(guò)程較高的碳排放強(qiáng)度。鋼鐵行業(yè)的碳排放量占全國(guó)排放總量的比例約為16%,“雙碳”背景下,鋼鐵企業(yè)面臨巨大的減排壓力。氫能源作為清潔、高效和可持續(xù)的“無(wú)碳能源”,與鋼鐵企業(yè)資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的訴求不謀而合。本文對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外氫能的發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃目標(biāo),重點(diǎn)以鋼鐵行業(yè)為應(yīng)用場(chǎng)景研究氫能源利用的實(shí)踐案例,最后結(jié)合我國(guó)當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題,提出鋼鐵行業(yè)氫能發(fā)展的方向及建議。
1、國(guó)內(nèi)外氫能發(fā)展現(xiàn)狀
1.1世界各國(guó)將氫能源納入國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略
在碳中和背景下,全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,關(guān)鍵核心技術(shù)日趨成熟,氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯提速,規(guī)模明顯增大,區(qū)域性氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)正在形成,燃料電池出貨量快速增長(zhǎng)且成本持續(xù)下降。在能源安全、氣候變化和技術(shù)進(jìn)步三大動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下,世界各國(guó)都將發(fā)展氫能提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面,美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和日本等26國(guó)已相繼制定氫能發(fā)展規(guī)劃、路線圖以及相關(guān)扶持政策,超過(guò)世界經(jīng)濟(jì)總量的60%。世界主要國(guó)家及地區(qū)的氫能發(fā)展規(guī)劃如表1所示。
截至2023年1月,全球共宣布了1046個(gè)大型氫能項(xiàng)目,歐洲地區(qū)仍然是氫能產(chǎn)業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)者,總投資和絕對(duì)增長(zhǎng)率均為最高,總投資達(dá)到1170億美元,占全球投資的35%左右,其次是拉丁美洲地區(qū)和北美洲地區(qū),各占已宣布投資的15%左右。其中大規(guī)模工業(yè)利用的氫能項(xiàng)目,達(dá)到553個(gè),占比超過(guò)52%;每年超過(guò)1kMW的可再生能源發(fā)電和超過(guò)20萬(wàn)t的大型制氫項(xiàng)目共有112個(gè)。據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)(HYDROGENCOUNCIL)預(yù)測(cè),到2050年,氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造3000個(gè)工作崗位、減排60億t二氧化碳、達(dá)到2.5萬(wàn)億美元產(chǎn)值,氫能在全球能源中所占比重有望達(dá)到18%。
1.2我國(guó)迎來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要窗口期
在全球氣候目標(biāo)及我國(guó)碳中和目標(biāo)的約束下,我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和二氧化碳排放量將發(fā)生重大變化。氫能作為來(lái)源廣泛、使用過(guò)程清潔、應(yīng)用領(lǐng)域多元化的新型能源,生產(chǎn)和利用技術(shù)日臻成熟,在未來(lái)綠色低碳清潔能源發(fā)展過(guò)程中,將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。2022年是我國(guó)“氫能行業(yè)爆發(fā)元年”,自此之后,我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入氫能產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展階段,已迎來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要窗口期。
一是政策頻發(fā)期,國(guó)家在“十四五”初期制定了系列工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃以及氫能規(guī)劃,此后全國(guó)多個(gè)省市自治區(qū)將氫能寫(xiě)入政府工作報(bào)告,示范城市群也發(fā)布了相應(yīng)發(fā)展規(guī)劃,氫能產(chǎn)業(yè)正加速邁入“從1到10”的進(jìn)程;二是市場(chǎng)培育期,我國(guó)已成為世界上最大的制氫國(guó),氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量同比增長(zhǎng)105.4%和112.8%,共建成加氫站310座,居全球第一,隨著氫燃料電池汽車(chē)保有量的不斷增加,以及中石化、中石油等能源央企的加入,國(guó)內(nèi)氫能市場(chǎng)將呈現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)張態(tài)勢(shì);三是技術(shù)爆發(fā)期,我國(guó)目前已在燃料電池、海水制氫、氫冶金等各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破,氫燃料電池的核心零部件實(shí)現(xiàn)百分之百的國(guó)產(chǎn)化,解決了國(guó)外技術(shù)上“卡脖子”問(wèn)題;四是應(yīng)用探索期,氫能的應(yīng)用場(chǎng)景也在逐漸擴(kuò)大,例如氫燃料電池已經(jīng)不局限于應(yīng)用在車(chē)輛上,在航運(yùn)領(lǐng)域、民用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域都有成熟應(yīng)用,氫能將成為長(zhǎng)途卡車(chē)運(yùn)輸、航運(yùn)、鋼鐵冶金等應(yīng)用場(chǎng)景中最具競(jìng)爭(zhēng)力的低碳解決方案之一。
1.3我國(guó)“制-儲(chǔ)-運(yùn)-用”氫產(chǎn)業(yè)鏈全方位發(fā)展
(1)制氫。我國(guó)是世界最大的產(chǎn)氫國(guó)。2022年我國(guó)氫氣產(chǎn)能約4100萬(wàn)t/a,產(chǎn)量3781萬(wàn)t/a,占全球制氫總量的40%。預(yù)計(jì)在2030年碳達(dá)峰愿景下,我國(guó)氫氣的產(chǎn)量預(yù)期將超過(guò)5000萬(wàn)t/a。氫的制取主要有3種較為成熟的技術(shù)路線:一是以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫;二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)制氫;三是以堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水為代表的電解水制氫。因“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦影響,我國(guó)的氫源結(jié)構(gòu)目前仍是以煤制氫為主,占比達(dá)62%,其他方式中天然氣制氫占比19%、工業(yè)副產(chǎn)氣制氫占比18%、電解水制氫僅占1%。隨著我國(guó)風(fēng)光發(fā)電成本的大幅度下降,可再生能源電解水制氫的綜合成本也將下降,其占比有望持續(xù)提升。
(2)儲(chǔ)氫。氫的儲(chǔ)存方式主要有高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)和固體儲(chǔ)氫3種。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是通過(guò)高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器中進(jìn)行儲(chǔ)存,具有充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)階段主要的儲(chǔ)氫方式,已得到廣泛應(yīng)用。儲(chǔ)氫容器可以分為高壓氫瓶和高壓容器兩大類(lèi),其中鋼質(zhì)氫瓶和鋼質(zhì)壓力容器技術(shù)最為成熟,成本較低。商用高壓儲(chǔ)氫瓶主要分為4大類(lèi)型,其中美日等國(guó)家燃料電池汽車(chē)的主流車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)是70MPa碳纖維纏繞Ⅳ型瓶,而我國(guó)仍使用35MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶,儲(chǔ)氫技術(shù)及設(shè)備與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大,且關(guān)鍵零部件仍依賴(lài)進(jìn)口。近些年隨著政策驅(qū)動(dòng)和技術(shù)不斷突破,國(guó)內(nèi)對(duì)高壓儲(chǔ)氫瓶的需求量保持高速增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2025年需求量將達(dá)到4萬(wàn)臺(tái),市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到32.9億元。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是先將氫氣液化,然后儲(chǔ)存在低溫絕熱真空容器中,我國(guó)低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域,民用領(lǐng)域尚處于起步階段。固態(tài)儲(chǔ)氫是利用物理吸附型、金屬氫化物等儲(chǔ)氫材料能夠可逆吸放氫的特性進(jìn)行儲(chǔ)氫,其發(fā)展需要依賴(lài)新型儲(chǔ)氫材料的開(kāi)發(fā),目前我國(guó)仍然處于試驗(yàn)階段。
(3)運(yùn)氫。選擇氫輸運(yùn)方式時(shí),必須考慮氫的運(yùn)輸距離、規(guī)模和最終用途。氫輸運(yùn)方式主要是氣態(tài)輸運(yùn),可分為高壓氣氫拖車(chē)和管道輸運(yùn)兩種方式。高壓氣氫拖車(chē)是氫氣近距離輸運(yùn)的重要方式,技術(shù)較為成熟,目前應(yīng)用廣泛。管道輸運(yùn)包括純氫管道輸送和天然氣摻氫管道輸送,是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞?,具有輸氫量大、運(yùn)行壓力較低、能耗小和成本低等優(yōu)勢(shì)。但目前我國(guó)氫氣輸送管網(wǎng)建設(shè)里程不足,僅有400km,尚未建成完善的氫氣管道輸送體系。從長(zhǎng)久經(jīng)濟(jì)性角度考慮,采用管網(wǎng)大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送氫氣比高壓氣氫拖車(chē)輸送氫氣更有優(yōu)勢(shì),但是在技術(shù)層面上仍有諸多關(guān)鍵難題亟待解決。
(4)用氫。在氫能應(yīng)用方面,我國(guó)氫氣主要應(yīng)用于能源及傳統(tǒng)石化、化工領(lǐng)域,在鋼鐵冶金、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于小規(guī)模應(yīng)用階段。在能源方面,風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電波動(dòng)性強(qiáng),嚴(yán)重影響并網(wǎng)供電的連續(xù)性,而氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入可以作為能源互聯(lián)網(wǎng)的樞紐,將可再生能源與電網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng)結(jié)合起來(lái),提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。氫燃料電池利用電化學(xué)反應(yīng),可以將氫能轉(zhuǎn)換為電能,常用的質(zhì)子交換膜燃料電池適用于車(chē)載發(fā)電系統(tǒng)和小型分布式電源系統(tǒng)。隨著氫燃料電池汽車(chē)迅速發(fā)展,近年來(lái)我國(guó)氫燃料電池裝機(jī)規(guī)模也屢創(chuàng)歷史新高,2022年累計(jì)裝機(jī)量已經(jīng)達(dá)到506MW。在傳統(tǒng)石化、化工領(lǐng)域,氫氣已經(jīng)有長(zhǎng)期且大量的應(yīng)用,包括煉油化工加氫、化工合成氨等應(yīng)用,技術(shù)路線成熟,但綠氫化工仍處于探索示范階段。
2、氫能在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用
近年來(lái),氫能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展期。由于鋼鐵企業(yè)在新材料上的積累,使其能夠涉足燃料電池雙極板、儲(chǔ)氫罐等細(xì)分領(lǐng)域,并紛紛在氫能領(lǐng)域布局。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟測(cè)算,鋼鐵領(lǐng)域氫能消費(fèi)量將在2030年達(dá)到5000萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤以上;在2050年達(dá)到7600萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤以上,占鋼鐵領(lǐng)域能源消費(fèi)總量的34%。
2.1“以氫代碳”是鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的根本路徑
我國(guó)主流的鋼鐵生產(chǎn)工藝是高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程,這種生產(chǎn)工藝流程決定了制造過(guò)程較高的碳排放強(qiáng)度,導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)的碳排放量占全國(guó)排放總量的比例約為16%,“雙碳”背景下,鋼鐵企業(yè)面臨巨大的減排壓力。氫能源作為清潔、高效、可持續(xù)的“無(wú)碳能源”,與鋼鐵企業(yè)資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的訴求不謀而合。鋼鐵工業(yè)既可以是利用工業(yè)副產(chǎn)氣制氫的產(chǎn)氫單位,又可以是用氫氣代替焦炭作為還原劑進(jìn)行鋼鐵冶金的用氫單位。“以氫代碳”是鋼鐵工業(yè)綠色低碳、高質(zhì)量發(fā)展的主要出路?;诋?dāng)前鋼鐵工業(yè)傳統(tǒng)工藝技術(shù)的創(chuàng)新改進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)深度脫碳,氫能冶金是替代碳還原最為可行的途徑,將對(duì)鋼鐵行業(yè)深度脫碳乃至“凈零碳”起到?jīng)Q定性作用。
2.2氫能冶金典型工藝技術(shù)
氫能冶金主流技術(shù)包括高爐富氫、氫基直接還原、氫基熔融還原等,如表2所示。
高爐富氫冶煉改造成本低,具備經(jīng)濟(jì)性,但技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)“近零碳排放”。氫基直接還原煉鐵是最具發(fā)展?jié)摿Φ牡吞家苯鸺夹g(shù)之一,不使用焦炭,可大幅降低煉鐵過(guò)程中的碳排放,純氫豎爐煉鐵碳減排能力可達(dá)到98%,據(jù)預(yù)測(cè)2040年后將具備大規(guī)模推廣條件。氫基熔融還原是將熔融還原與氫還原相結(jié)合,工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、能耗低、污染小、投資少、成本低、原料適應(yīng)性強(qiáng),是氫冶金未來(lái)重要發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外大型鋼鐵企業(yè)如中國(guó)寶武集團(tuán)、河鋼集團(tuán)、瑞典鋼鐵、奧地利聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)等紛紛發(fā)展了各自氫冶金技術(shù),并取得了成效。
2.3我國(guó)鋼鐵行業(yè)的氫能冶金
2.3.1高爐富氫噴吹
高爐煉鐵作為鋼鐵企業(yè)碳排放量最大的工序,占整個(gè)鋼鐵流程碳排放的75%以上,高爐是未來(lái)鋼鐵企業(yè)降碳的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。而在現(xiàn)有工藝中,噴吹富氫氣體是高爐降低碳排放最有效的措施之一。目前國(guó)內(nèi)外已逐步開(kāi)展高爐噴氫工業(yè)化試驗(yàn),2019年德國(guó)克虜伯9號(hào)高爐開(kāi)始噴氫試驗(yàn);2022年日本COURSE50已進(jìn)入高爐放大試驗(yàn);2022年河北昌黎興國(guó)鑄業(yè)進(jìn)行了40m3高爐噴吹純氫氣試驗(yàn)等。目前高爐噴吹的富氫介質(zhì)眾多,例如高爐噴吹天然氣、焦?fàn)t煤氣、純氫氣等,但富氫工藝的選擇不僅要考慮氫能資源現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)成本效益、輔助設(shè)備配置,更要考慮該技術(shù)的環(huán)保潛能與應(yīng)用前景。
河鋼開(kāi)展了高爐富氫氣體噴吹研究,通過(guò)構(gòu)建高爐富氫噴吹能質(zhì)平衡模型,結(jié)合數(shù)值模擬,系統(tǒng)分析富氫噴吹后風(fēng)口回旋區(qū)及高爐整體的氣流分布及溫度分布特性,對(duì)比了富氫噴吹后的煤比、理論燃燒溫度等指標(biāo)變化。并在邯鋼能嘉3200m3高爐建設(shè)了噴吹富氫氣體冶煉工程示范,氣源為焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)液態(tài)天然氣系統(tǒng)產(chǎn)生的高富氫氣體,其中H2含量80%以上。目前,已開(kāi)展了高爐富氫噴吹的生產(chǎn)試驗(yàn),富氫氣體噴吹量16000Nm3/h,噸鐵氫氣消耗量30Nm3,碳減排10%以上。
2.3.2氫基豎爐直接還原
(1)寶鋼湛江百萬(wàn)噸級(jí)氫基豎爐工程
2022年2月15日,寶鋼湛江鋼鐵零碳示范工廠百萬(wàn)噸級(jí)氫基豎爐工程正式開(kāi)工,該項(xiàng)目位于廣東省湛江市寶鋼湛江鋼鐵基地內(nèi),建設(shè)內(nèi)容為新建1座產(chǎn)能100萬(wàn)t/aCDRI氫基豎爐試驗(yàn)生產(chǎn)線。項(xiàng)目已于2023年12月建成投產(chǎn),與同等規(guī)模鐵水產(chǎn)量傳統(tǒng)鐵前全流程高爐煉鐵工藝相比,可降低二氧化碳排放量58%~89%,可減少二氧化碳排放50萬(wàn)t/a以上。寶鋼湛江未來(lái)將在氫基豎爐的基礎(chǔ)上,利用南海地區(qū)光伏、風(fēng)能配套上“光-電-氫”“風(fēng)-電-氫”綠色能源,形成與鋼鐵冶金工藝相匹配的全循環(huán)、封閉的流程,產(chǎn)線碳排放較長(zhǎng)流程降低90%以上,并通過(guò)“碳捕集”“森林碳匯”等實(shí)現(xiàn)綠氫全流程零碳工廠。
(2)河鋼集團(tuán)全球首例焦?fàn)t煤氣零重整氫冶金示范工程
2022年12月,全球首例120萬(wàn)t焦?fàn)t煤氣零重整氫冶金示范一期工程在河鋼張宣科技全線貫通,工藝流程圖如圖2所示。
目前,氫冶金項(xiàng)目生產(chǎn)穩(wěn)定,DRI日產(chǎn)量達(dá)到1617t,達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn),DRI金屬化率穩(wěn)定在94%以上,焦?fàn)t煤氣消耗量降至550Nm3/tDRI以下(最好水平達(dá)到510Nm3/tDRI),遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值的700Nm3/tDRI。與同等規(guī)模的“高爐—轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程相比,氫冶金二氧化碳減排70%,每年可減少碳排放80萬(wàn)t,相當(dāng)于塞罕壩林場(chǎng)一年的固碳量。以DRI為原料成功開(kāi)發(fā)出特材領(lǐng)域新型高強(qiáng)殷鋼、哈氏合金、耐蝕合金、精密合金等60多種高端綠色新材料,已廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、軍工及其他領(lǐng)域。
河鋼在該項(xiàng)目中自主研發(fā)了4項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù):一是首創(chuàng)了焦?fàn)t煤氣零重整氫冶金技術(shù),打破國(guó)際上采用天然氣制備還原工藝氣體的常規(guī)手段;二是國(guó)
內(nèi)首創(chuàng)微晶系統(tǒng)深度脫萘工藝技術(shù),將萘從200-300mg/m3降至5mg/m3;三是研發(fā)了高品位復(fù)合鐵精粉低成本球團(tuán)制備技術(shù),成球率超過(guò)95%,還原性指數(shù)≥4%,還原膨脹率≤15%,低溫還原粉化指數(shù)≥80%;四是開(kāi)發(fā)碳捕集利用技術(shù)(CCUS),生產(chǎn)二氧化碳副產(chǎn)品約6萬(wàn)t/a,實(shí)現(xiàn)氫冶金系統(tǒng)近零碳排放。
2.3.3富氫碳循環(huán)煉鐵
富氫碳循環(huán)冶煉是一種通過(guò)利用富氫和富碳廢氣來(lái)實(shí)現(xiàn)低碳冶金的技術(shù),是將高爐頂部的氫氣引入高爐內(nèi),與燃燒產(chǎn)生的一氧化碳發(fā)生氧化反應(yīng),生成甲烷和水蒸氣,甲烷可進(jìn)一步作為燃料,水蒸氣則通過(guò)高爐底部的富碳廢氣與其中的二氧化碳發(fā)生還原反應(yīng),生成一氧化碳和氫氣。一氧化碳和氫氣再次循環(huán)利用,形成富氫廢氣,實(shí)現(xiàn)了富氫碳循環(huán)的目的。與傳統(tǒng)高爐相比,可降低二氧化碳排放量30%以上。
(1)2020年7月15日,寶武集團(tuán)在新疆的八鋼建立低碳冶金試驗(yàn)平臺(tái),利用八鋼原有的2號(hào)430m3高爐,開(kāi)展綠色低碳冶金工業(yè)試驗(yàn)。2022年7月6日,全球首座400m3級(jí)富氫碳循環(huán)氧氣高爐在八鋼正式點(diǎn)火投運(yùn)。經(jīng)過(guò)探索與實(shí)踐,八鋼逐步完成了35%富氧、50%超高富氧,再到100%全氧冶煉工況條件下的噴吹脫碳煤氣和富氫冶煉的工業(yè)化試驗(yàn),并開(kāi)展了1200℃高溫煤氣自循環(huán)噴吹和富氫冶煉的工業(yè)化試驗(yàn),打通了富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝全流程。富氫碳循環(huán)氧氣高爐固體燃料消耗降低30%,碳減排超過(guò)21%。
(2)河鋼依托自主研發(fā)的全氧富氫碳循環(huán)還原熔化爐低碳煉鐵新工藝,投資9000余萬(wàn)元,建成全球首個(gè)全氧富氫碳循環(huán)還原融化爐,并建成河北省氫冶金實(shí)驗(yàn)室,開(kāi)展氫冶金關(guān)鍵技術(shù)研究及工程轉(zhuǎn)化。氫冶金實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展定位是建成具有重要影響力的氫冶金低碳煉鐵研究機(jī)構(gòu)和中試基地,開(kāi)放的氫冶金技術(shù)交流和工程化應(yīng)用創(chuàng)新平臺(tái)。依托實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了中試爐物料平衡熱平衡模型、分區(qū)域物料平衡熱平衡模型,確定還原熔化爐的操作條件,如表3所示;
(3)開(kāi)發(fā)了中試爐全流程工藝的參數(shù)優(yōu)化及匹配模型,實(shí)現(xiàn)不同模塊之間能源和物流的分配與優(yōu)化。研發(fā)的全氧富氫低碳煉鐵技術(shù)被納入國(guó)家發(fā)改委第一批綠色低碳先進(jìn)技術(shù)示范項(xiàng)目清單。
2.4我國(guó)鋼鐵行業(yè)氫能物流
我國(guó)在氫能物流開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域起步相對(duì)較晚,在核心技術(shù)方面,日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家處于領(lǐng)先地位,我國(guó)處于加快發(fā)展和趕超階段。氫能物流產(chǎn)業(yè)體系涉及三大關(guān)鍵環(huán)節(jié):一是核心技術(shù)的突破,即電解水制氫、燃料電池等相關(guān)技術(shù);二是構(gòu)建完整的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò);三是充足且價(jià)格合理的氫氣供應(yīng)。在氫資源方面,我國(guó)能源體系規(guī)模大、結(jié)構(gòu)多元,為開(kāi)發(fā)氫資源提供了廣闊的空間??偟膩?lái)看,在氫能源發(fā)展國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)合作當(dāng)中,我國(guó)在三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)、一個(gè)短板。應(yīng)通過(guò)整體謀劃,發(fā)揮好氫氣資源和基礎(chǔ)設(shè)施兩大優(yōu)勢(shì),補(bǔ)齊技術(shù)和材料短板,憑借我國(guó)廣闊的市場(chǎng)空間,實(shí)現(xiàn)三大環(huán)節(jié)協(xié)同發(fā)展,率先實(shí)現(xiàn)突破,帶動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。目前我國(guó)重點(diǎn)城市及大型央企、國(guó)企已經(jīng)在進(jìn)行包括制氫、儲(chǔ)氫、加氫和用氫等環(huán)節(jié)的全產(chǎn)業(yè)鏈布局,并取得了一批技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用成果。
河鋼氫能物流實(shí)踐是我國(guó)鋼鐵行業(yè)的引領(lǐng)者和示范者。河鋼發(fā)展氫能物流具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì):一是河鋼集團(tuán)位于京津冀地區(qū),面臨較大的環(huán)保壓力,發(fā)展氫能物流與河鋼集團(tuán)“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的社會(huì)使命不謀而合;二是河鋼集團(tuán)下屬鋼鐵生產(chǎn)廠與港口之間為固定路線,方便沿途布局加氫站;三是河鋼集團(tuán)焦?fàn)t煤氣提純氫氣產(chǎn)能每年達(dá)16億Nm3,擁有充足的氫氣供應(yīng)資源以及豐富的制備經(jīng)驗(yàn)。河鋼在充分考慮自身技術(shù)、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)及區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上,構(gòu)建了以氫能為核心的綠色發(fā)展戰(zhàn)略,在制氫、加氫和氫冶金方面進(jìn)行布局,包括利用鋼鐵行業(yè)富氫的焦?fàn)t煤氣建設(shè)制氫工廠,解決制氫成本問(wèn)題;建設(shè)我國(guó)鋼鐵行業(yè)首個(gè)固定式加氫示范站,京津冀重卡“柴改氫”氫能物流示范線等,如圖3所示。
2020年8月,河鋼在邯鋼建成了我國(guó)鋼鐵行業(yè)首座固定式加氫站,同步試運(yùn)營(yíng)10臺(tái)氫能重卡。2021年1月,第二座同規(guī)模的加氫示范站在唐鋼建成投用。2021年6月,依托唐山加氫示范站開(kāi)拓了我國(guó)首條商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的35輛49t氫能重卡運(yùn)輸專(zhuān)線,氫能重卡運(yùn)營(yíng)初具規(guī)模。河鋼在氫能物流領(lǐng)域形成了諸多氫能領(lǐng)域技術(shù)引領(lǐng),通過(guò)多維度氫能綜合利用實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了氫氣加注速度由1.2kg/min提升至3kg/min;站內(nèi)氫氣損耗由10%降低至5%以下;載貨狀態(tài)下百公里氫耗穩(wěn)定在11kg以下等多個(gè)行業(yè)第一。
河鋼按照“一中心、一平臺(tái)、十基地、三十站、萬(wàn)臺(tái)車(chē)、低碳綠色發(fā)展”的發(fā)展戰(zhàn)略,通過(guò)建設(shè)“氣、站、車(chē)一體化”發(fā)展模式,布局氫能物流產(chǎn)業(yè)鏈。聯(lián)合中石油、中石化、長(zhǎng)城汽車(chē)等企業(yè)創(chuàng)新合作模式,布局制氫、加氫網(wǎng)絡(luò)。與中石油合資設(shè)立河北昆侖大河新能源有限公司,重點(diǎn)布局京津冀加氫網(wǎng)絡(luò)。2023年12月,首座氫油綜合能源站在唐山建成投運(yùn)。2023年9月,與長(zhǎng)城汽車(chē)合作在唐山建成了河北省最大的日加注能力6.5t的氫電綜合能源站。截至目前,累計(jì)推廣運(yùn)營(yíng)氫能重卡255輛,累計(jì)加氫780t,行駛總里程740萬(wàn)km,二氧化碳減排約7300t。
3、我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要解決的問(wèn)題
3.1核心技術(shù)研發(fā)能力不足
我國(guó)燃料電池系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)已接近國(guó)際先進(jìn)水平,氫燃料電池汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化導(dǎo)入期,商用車(chē)燃料電池壽命已經(jīng)超過(guò)2萬(wàn)h,基本滿足車(chē)輛運(yùn)行條件;氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功率密度多項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。在燃料電池等核心技術(shù)、系統(tǒng)集成及關(guān)鍵部件、材料上取得了一定的產(chǎn)業(yè)化突破,但只是解決了“從無(wú)到有”的問(wèn)題,關(guān)鍵核心技術(shù)、基礎(chǔ)材料及核心零部件仍依靠進(jìn)口。
3.2氫能產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)缺失
我國(guó)各地區(qū)氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展存在很大程度的同質(zhì)化現(xiàn)象,普遍存在重應(yīng)用、輕研發(fā),重短期效果、輕長(zhǎng)期投入,急于求成等問(wèn)題。國(guó)家層面的規(guī)劃統(tǒng)籌稍顯不足,產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)發(fā)展不同步,尚未形成較成熟的零部件供應(yīng)體系,難以形成大范圍的集群協(xié)作效應(yīng),補(bǔ)貼和引導(dǎo)政策不配套,各環(huán)節(jié)、各地區(qū)之間政策措施不統(tǒng)一。
3.3氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善
涉及氫品質(zhì)、儲(chǔ)運(yùn)、加氫站和安全等內(nèi)容的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較少,急需制定健全的國(guó)際、國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),加快推進(jìn)氫能關(guān)鍵技術(shù)裝備和產(chǎn)品的檢驗(yàn)檢測(cè)體系,建立完備的氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)檢驗(yàn)認(rèn)證和監(jiān)督體系,推動(dòng)建立專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)檢驗(yàn)平臺(tái),優(yōu)化關(guān)鍵產(chǎn)品和環(huán)節(jié)的檢測(cè)流程與要求,以此來(lái)規(guī)范氫能行業(yè)市場(chǎng)健康發(fā)展。
3.4應(yīng)用領(lǐng)域較單一,與多元開(kāi)發(fā)應(yīng)用不相適應(yīng)
我國(guó)目前氫能源的應(yīng)用場(chǎng)景集中在交通領(lǐng)域,主要在氫燃料電池商用車(chē),對(duì)其他領(lǐng)域的氫能技術(shù)創(chuàng)新指導(dǎo)力度有限,各省市政策、資金等激勵(lì)措施與力度不足。單一化的政策引導(dǎo),既制約了氫能技術(shù)的研發(fā)投入,又限制了市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,不利于我國(guó)通過(guò)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)能源開(kāi)發(fā)利用的“彎道超車(chē)”和助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”。應(yīng)進(jìn)一步加大“綠氫”在冶金、化工等綠色化、低碳化發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)用力度。
4、鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望
鋼鐵行業(yè)與氫能產(chǎn)業(yè)的結(jié)合,是鋼鐵工業(yè)綠色低碳、高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑。在全球氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展以及碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)背景下,我國(guó)要立足氫能在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用,面向產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,應(yīng)采取如下策略:
4.1創(chuàng)新氫能產(chǎn)業(yè)合作模式,提升氫能經(jīng)濟(jì)性
鋼鐵企業(yè)應(yīng)因地制宜推動(dòng)氫能應(yīng)用,推動(dòng)規(guī)?;l(fā)展,與上下游企業(yè)共同探索形成有效的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的商業(yè)化路徑。在政策保障方面,鋼鐵行業(yè)應(yīng)推動(dòng)有關(guān)部門(mén)提供氫能政策支持,爭(zhēng)取行業(yè)氫能示范項(xiàng)目在融資、貸款、利率等方面得到切實(shí)優(yōu)惠。推動(dòng)建設(shè)鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)綠色項(xiàng)目庫(kù)和企業(yè)碳賬戶,為支持氫能產(chǎn)業(yè)的鋼鐵企業(yè)提供綠色專(zhuān)項(xiàng)投融資。在產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面,鋼鐵企業(yè)與氫產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)接交流,洽談合作,獲取技術(shù)支持,拓寬資金渠道,分散投資風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)依靠企業(yè)間合作、創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)模式、加強(qiáng)示范應(yīng)用等多種手段的持續(xù)運(yùn)行,降低氫能利用成本。
4.2拓展氫在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用途徑,助推氫能產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展
鋼鐵行業(yè)應(yīng)積極拓展上游制儲(chǔ)運(yùn)加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、下游氫能車(chē)輛推廣等多元化路徑。在產(chǎn)業(yè)上游,制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫網(wǎng)絡(luò)建設(shè)屬于氫能產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)含量較高、資金需求大的環(huán)節(jié)。鋼鐵企業(yè)具有以焦?fàn)t煤氣為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫的生產(chǎn)能力,應(yīng)充分發(fā)揮氫成本低、制氫經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)勢(shì),積極開(kāi)展制氫項(xiàng)目建設(shè),同時(shí)配套建設(shè)氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備和加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施;鼓勵(lì)搭建統(tǒng)一的新能源產(chǎn)業(yè)智能管控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)氫能平臺(tái)化、智能化、商業(yè)化和規(guī)?;l(fā)展。在產(chǎn)業(yè)下游,應(yīng)用端的商業(yè)化前景更為明確且市場(chǎng)規(guī)模更大,燃料電池應(yīng)作為氫能發(fā)展重要突破口。特別是在長(zhǎng)途重載領(lǐng)域,用氫能重卡逐漸替代傳統(tǒng)的燃油重卡已經(jīng)逐漸成為行業(yè)共識(shí)。鋼鐵企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇,在地方補(bǔ)貼政策快速落地的有利前提下,實(shí)現(xiàn)氫能重卡布局并進(jìn)行示范運(yùn)營(yíng)。
4.3構(gòu)建“以氫代碳”的氫冶金技術(shù)體系,推動(dòng)氫冶金規(guī)模化應(yīng)用
在充分考慮技術(shù)條件和產(chǎn)業(yè)特性的基礎(chǔ)上,鋼鐵工業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)應(yīng)以氫冶金為重心,逐步構(gòu)建完善技術(shù)體系。當(dāng)前,無(wú)論技術(shù)成熟度還是經(jīng)濟(jì)可行性,國(guó)內(nèi)還不具備大規(guī)模發(fā)展氫冶金的條件。氫冶金技術(shù)應(yīng)用仍然面臨綠氫成本高、技術(shù)應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)、氫基直接還原鐵產(chǎn)品下游市場(chǎng)需求不足等一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn),亟待研究解決。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,在產(chǎn)業(yè)政策方面,國(guó)家將持續(xù)推動(dòng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)政策,激勵(lì)氫冶金探索性研究和工程示范;在氫能供給方面,氫氣來(lái)源的拓展和綠電比例的擴(kuò)大,可以大幅降低氫的供給成本和工程研發(fā)示范費(fèi)用。鋼鐵企業(yè)應(yīng)瞄準(zhǔn)關(guān)鍵共性技術(shù),聯(lián)合上下游開(kāi)展協(xié)同攻關(guān)。
4.4建立完善氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系,推進(jìn)減碳量核算
在氫能標(biāo)準(zhǔn)體系方面,鋼鐵行業(yè)應(yīng)積極引導(dǎo)企業(yè)高質(zhì)量開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新工作,圍繞氫能基礎(chǔ)應(yīng)用,增加標(biāo)準(zhǔn)有效供給,加快氫冶金自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)化及推廣,氫產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)技術(shù)裝備的計(jì)量—檢測(cè)—認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)建立,支撐氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。在減碳核算方面,開(kāi)發(fā)氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目減碳方法學(xué),開(kāi)發(fā)降碳產(chǎn)品,推進(jìn)氫冶金、氫能降碳產(chǎn)品的交易。結(jié)合碳足跡全生命周期和《低碳?xì)?、清潔氫與可再生氫標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)》標(biāo)準(zhǔn),建立基于鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)的碳足跡標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量指標(biāo),制定氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展路徑。