炼焦副产氢气减排效果显著,钢企布局氢能产业应谋定而后动

2022-11-15


【摘要】:

 

应用焦炉煤气提取的灰氢也具有较好的减碳作用:灰氢炼铁,理论上可减少碳排放27%;灰氢重卡,理论上可减少碳排放21%。当前,氢能产业链技术尚不成熟,灰氢的价格并不低,绿色度也不够,焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。钢铁企业发展氢能产业,不能急也不能缓。

 

作为能源消费大户,钢铁行业是我国31个制造业门类中碳排放量最大的行业,其排放量约占全国排放总量的15%。氢冶金是当前全球钢铁行业技术研发的热点,尤其在欧洲,面临碳减排压力,欧洲钢铁企业纷纷将目光聚焦利用氢气作为还原剂,开发氢炼铁工艺技术,以期在钢铁生产中实现“气候中性”的目标。随着氢能价值的提高,国内越来越多的钢厂和独立焦化企业重新审视焦炉煤气价值,进行副产制氢。

 
一、应用焦炉煤气提取的灰氢也具有较好的减碳作用
 
(一)灰氢炼铁,理论上可减少碳排放27%
 

采用传统的高炉炼铁技术,吨铁碳排放量约1.35吨二氧化碳。

 

煤热解炼焦产生焦炭、焦炉煤气、焦油、粗苯等产品,产生其中焦炉煤气体积分数的60%左右为氢气,常用多级变压吸附工艺提取高纯度氢气。因此,炼焦过程能源消耗和碳排放需要按照相关国际标准在产品之间进行分配。在相关文献的数据基础上,对电力排放因子进行更新,煤热解制备1公斤氢气的碳排放量为5.48公斤,其中直接碳排放为3.05公斤,消耗电力、蒸汽、水产生的间接碳排放为2.43公斤。如采用管道输送,每标方氢气的耗电量不到0.1千瓦时,折合碳排放量0.058公斤。因此,煤热解制氢+管道输氢的碳排放量为5.54公斤二氧化碳/公斤氢气。

可见,制备相近品质的铁水,即使采用灰氢,理论上可降低高炉工序近27%的碳排放量。

 

(二)灰氢重卡,理论上可减少碳排放21%

 

常见的49吨柴油发动机车型百公里油耗在32升左右,1升柴油约为0.86公斤,而1吨柴油的碳足迹为3.82吨二氧化碳,那么百公里碳足迹为105公斤二氧化碳。

 

在相关文献的数据基础上,分别测算煤炭生产、煤炭运输、煤热解制氢(含变压吸附提氢)、氢气压缩、气氢拖车运输、氢气加注环节的碳排放量,折合1公斤氢气的碳排放量分别为1.65公斤、0.03公斤、5.48公斤、0.64公斤、0.46公斤、0公斤,即送到加氢站的灰氢的碳足迹为8.26公斤二氧化碳/公斤氢气。

 

随着氢燃料电池汽车的技术进步,车辆的综合氢耗水平有望逐步下降。根据我国节能与新能源汽车技术路线图,49吨载重量重卡的百公里氢耗将从目前的10公斤氢气分别降至2025年的8公斤,2030年的7.5公斤。那么,重卡使用灰氢,当前100公里车程的碳足迹约82.64公斤二氧化碳。

 

可见,对于49吨载重量重卡,即使采用灰氢,理论上仍可降低单位车程的碳足迹近21%。

 

二、当前困境

 

一是技术尚不成熟。目前,全氢直接还原技术还存在诸多技术难题,而且经济上也难以承受。

 

二是灰氢的价格并不低。氢冶金方面,据测算,传统高炉的燃料成本不到1000元/吨,而采用焦炉煤气制氢后全氢气炼铁的燃料成本高达1400元/吨,短期内没有竞争力。重卡方面,49吨柴油发动机车型百公里油耗在32升左右,0号柴油价格不到8元/升,百公里油费约256元;据测算,焦炉煤气制氢的综合成本介于9~15元/公斤,在储运及加注环节,长管拖车气态储运成本约8元/公斤,加注成本约11元/公斤。在不考虑补贴的情况下,即使按照成本价算,氢能重卡百公里耗氢费用也要超过柴油重卡。据不完全统计,当前我国氢气终端销售价格为50-80元/公斤,如按照市售氢价,百公里氢耗超过500元,远高于柴油重卡。

 

三是绿色度不够。目前,焦炉煤气制备氢气,碳足迹比“清洁氢”的碳足迹4.9公斤二氧化碳/公斤氢要高出不少。

 

四是焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。“十四五”及未来一段时间焦化行业面临节能降碳压力和下游钢铁行业产量压减的影响,国内焦炭产量将进入平台区,焦炉煤气制氢将受到炼焦产能减少的影响。

 

三、建议

 

“双碳”背景下,钢铁企业面临巨大的减排压力,同时也面临着经济绿色低碳转型的压力,应统筹好发展和减排的关系、短期目标和长期目标的关系。

 

快,加速布局加氢站和氢能重卡赛道。柴油车对环境的影响是长期存在的突出问题。一方面,服务自身物流运输。钢铁企业物流量大,每个钢厂都有大量汽油车和柴油车。另一方面,服务社会。在港口、码头、工业园区等区域,重型柴油车密集。钢铁企业可利用氢能资源优势,加快布局加氢站和氢能重卡,优先在物流园区、港口和港口城市开展“柴改氢”。

 

慢,在技术尚不成熟的氢冶金赛道,结合自身资源禀赋条件和技术优势,加大研发投入,蓄势待发,不急于投资建设。预计2030年左右,可能会迎来高炉富氢碳循环技术改造的高峰期;对具备电力、煤炭资源优势的企业可先行先试开发气基竖炉工艺。未来,全氢冶金将迎来较大发展空间。

 

按照理想的状态,假设还原和加热铁矿石都采用焦炉煤气提取的灰氢,目前还原1吨铁矿石大约需要500标方—550标方氢气,加热需要500标方氢气,那么制备1吨直接还原铁需要约93.75公斤氢气,相应的碳排放量为519.38公斤二氧化碳。考虑到后续炼钢时还需要先将直接还原铁熔化,而熔化1吨直接还原铁又需要耗电700千瓦时—800千瓦时,相应会增加碳排放464.8公斤二氧化碳。那么,用灰氢制备1吨直接还原铁水,碳排放量约984.18公斤二氧化碳。