低碳化的短流程電爐煉鋼除用綠電減碳外，另一個(gè)低碳化因素是直接還原鐵即海綿鐵的加入。直接還原鐵主要以天然氣為原料，生產(chǎn)氫基還原氣，通過氣基豎爐還原球團(tuán)鐵礦而生成。傳統(tǒng)長(zhǎng)流程煉鋼的噸鋼碳排放量約為2噸CO2，天然氣基直接還原鐵+電爐煉鋼的噸鋼碳排放量約為0.759噸CO2。
世界直接還原鐵生產(chǎn)主要使用天然氣為氫源，2020年直接還原鐵產(chǎn)量最大的國(guó)家為印度，第二名為伊朗，中東、俄羅斯、東南亞以及美國(guó)等國(guó)家和地區(qū)也有產(chǎn)能分布。中國(guó)富煤缺油少氣，天然氣價(jià)格高，以天然氣為供氫原料生產(chǎn)直接還原鐵不具經(jīng)濟(jì)性。中國(guó)缺少生產(chǎn)直接還原鐵所需的氫源，必須找到低碳且價(jià)格便宜、量大易獲得的氫源才可能解決鋼鐵工業(yè)脫碳難題，所以本文對(duì)其氫源方向和技術(shù)路徑進(jìn)行了思考和探索。
直接還原鐵氫源分析
1 天然氣與資源限制
2020年中國(guó)天然氣產(chǎn)量為1925億立方米，進(jìn)口10192.6萬噸，相當(dāng)于1427億立方米天然氣。2020年中國(guó)天然氣表觀消耗量為3289億立方米，進(jìn)口約40%以上。進(jìn)口天然氣的價(jià)格與中東及周邊低天然氣價(jià)格地區(qū)相比，沒有成本優(yōu)勢(shì)，因此利用天然氣生產(chǎn)直接還原鐵在經(jīng)濟(jì)上難以為繼。
2021年全球能源在減碳大潮及新冠疫情的影響下出現(xiàn)短缺，歐洲的天然氣價(jià)格大幅上漲，有些國(guó)家高達(dá)10元/立方米以上，許多國(guó)家以天然氣為氫源的直接還原鐵流程也難以為繼，面臨氫源經(jīng)濟(jì)可行性挑戰(zhàn)。
2 各類煤氣合成氣生產(chǎn)直接還原鐵情況
各類煤氣包括焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣及蘭炭煤氣，有效成分含有氫氣、一氧化碳和甲烷，以此生產(chǎn)合成氣與天然氣生產(chǎn)合成氣技術(shù)類似，只是凈化和干氣轉(zhuǎn)化技術(shù)更加復(fù)雜和要求高。2021年中國(guó)焦炭產(chǎn)能約5.4億噸，按1噸焦炭生產(chǎn)340m3焦?fàn)t煤氣計(jì)，焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量約為1836億立方米。
以目前山西中晉太行30萬噸/年焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)氣基還原鐵（圖1）工業(yè)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)看，原料氣加燃料氣生產(chǎn)1噸直接還原鐵所耗焦?fàn)t煤氣約840m3，中國(guó)焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵潛能約為2.18億噸。
中國(guó)的現(xiàn)實(shí)狀況是焦?fàn)t煤氣被廣泛用于民用，發(fā)電，生產(chǎn)甲醇、合成氨、乙二醇等化學(xué)品，近年用于生產(chǎn)液化天然氣和氫氣，聯(lián)合鋼鐵廠的焦?fàn)t煤氣還被用于燃料加熱蒸汽供能等。要用于直接還原鐵生產(chǎn)還需政府與市場(chǎng)雙向引導(dǎo)，把這一寶貴氫資源進(jìn)行充分高值化、低碳化應(yīng)用。從地域上看，焦化產(chǎn)能較大的幾個(gè)中部省份具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，特別是山西、河北、河南等地的獨(dú)立焦化廠擁有更多市場(chǎng)機(jī)遇。
3 煉化干氣與技術(shù)創(chuàng)新
普通燃料型煉廠碳排放的56%來自于燃?xì)饧訜釥t和煉化煙氣，42%來自于外供電力與蒸汽，煉廠燃?xì)鉅t的燃?xì)庵饕菬拸S各工段副產(chǎn)的干氣。
傳統(tǒng)的乙烯生產(chǎn)廠采用蒸汽裂解技術(shù)生產(chǎn)乙烯和丙烯，1噸乙烯能耗為0.5-0.6噸標(biāo)油，1噸乙烯約排放2噸CO2，生產(chǎn)乙烯所需能量靠燃燒副產(chǎn)的裂解干氣外加外供的天然氣，裂解干氣主要是氫和甲烷。
在雙碳目標(biāo)下，煉油廠與乙烯廠的燃?xì)鉅t若被綠電電爐替代，即電代蒸汽和電代燃?xì)?，將?shí)現(xiàn)煉油廠和烯烴廠的低碳化。若電為光伏風(fēng)電，綠電供能生產(chǎn)的乙烯產(chǎn)品將為綠電低碳產(chǎn)品，可打破碳壁壘出口歐洲。
2020年中國(guó)蒸汽裂解烯烴產(chǎn)能約5000萬噸，其中生產(chǎn)乙烯約2700萬噸，預(yù)計(jì)2025年蒸汽裂解烯烴產(chǎn)能達(dá)7000萬噸以上，乙烯產(chǎn)能達(dá)4000萬噸。以此可提供2020年生產(chǎn)直接還原鐵的氫產(chǎn)能資源1.5億噸，2025年可達(dá)2.1億噸，電爐鋼按30%-50%加入直接還原鐵，到2025年可支撐4.2億-7億噸/年的短流程煉鋼，再加上煉油廠電代燃?xì)庵脫Q出的氫資源，可支撐中國(guó)短流程煉鋼比例達(dá)42%-70%，基本達(dá)到目前歐美水平。
中國(guó)的乙烯工業(yè)主要分布在東部沿海，以此氫源與進(jìn)口鐵礦石生產(chǎn)直接還原鐵將具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，出口歐美。
4 電解水制氫
綠電電解水制氫，以目前堿性電解水技術(shù)約5度電生產(chǎn)1立方米氫氣及0.5立方米氧氣，最大裝置規(guī)模為每小時(shí)1000立方米氫氣。每套裝置價(jià)格為800-1000萬元，中國(guó)已有多套裝置在運(yùn)行。
電解水生產(chǎn)氫氣用于鋼鐵工業(yè)脫碳，顯然在工程技術(shù)上已無大的難題，主要問題是制氫的經(jīng)濟(jì)性。目前，在中國(guó)煤電標(biāo)桿電價(jià)約0.23元/度的情況下，制備1立方米氫氣的成本約為1.5元，在中國(guó)市場(chǎng)目前難以與各類煤氣及煉化干氣相競(jìng)爭(zhēng)，但隨著光伏風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步及電價(jià)的下降，電解水制氫將會(huì)成為氫冶金的主要?dú)湓矗貏e是在中國(guó)西北五省。
鋼鐵工業(yè)低碳化路徑思考
2020年中國(guó)氫耗量超過500萬噸的有3個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，分別為甲醇、合成氨和煉油化工。合成氨與甲醇折氫各約1000萬噸，主要以煤為原料制氫；煉油化工耗氫約850萬噸，主要是煤焦、干氣、天然氣及甲醇制氫。生產(chǎn)1噸直接還原鐵按需還原氣550立方米氫氣計(jì)，生產(chǎn)1億噸直接還原鐵約需490萬噸氫氣。
以中國(guó)2020年10億噸鋼產(chǎn)量計(jì)，轉(zhuǎn)型短流程電爐煉鋼，按照30%-50%添加直接還原鐵（DRI），中國(guó)需要DRI為3-5億噸/年，折氫需1500-2500萬噸/年，約為目前中國(guó)合成氨、甲醇與煉油化工三大產(chǎn)業(yè)折氫總和，中國(guó)鋼鐵低碳化轉(zhuǎn)型向氫冶金方向發(fā)展，氫資源挑戰(zhàn)巨大。
天然氣作為氫源，中國(guó)資源不具可行性，進(jìn)口難以有經(jīng)濟(jì)性，特別是在全球減碳浪潮下，世界天然氣價(jià)格走高的概率極大，在中國(guó)以天然氣生產(chǎn)直接還原鐵難有可行性。
以各類煤氣特別是焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵來看，中國(guó)有2.18億噸的資源量，在當(dāng)前轉(zhuǎn)型初級(jí)階段，充分利用現(xiàn)有資源（特別是一些獨(dú)立焦化廠甚至仍在火炬排放），在中國(guó)碳排放約束和產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)下，利用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵，在中國(guó)中部一些省份特別是山西、河北、河南等地具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此技術(shù)核心已攻克，在山西左權(quán)已完成100萬噸/年焦化配套30萬噸/年直接還原鐵的工業(yè)示范。
以電代燃?xì)庵脫Q煉油和烯烴生產(chǎn)副產(chǎn)的干氣用于直接還原鐵生產(chǎn)，適合于中國(guó)未來中期的鋼鐵低碳化轉(zhuǎn)型氫源，特別是適合于中國(guó)東部沿海，從北部渤海灣如曹妃甸到山東日照、江蘇張家港、廣東湛江及海南島。以進(jìn)口高品位鐵礦石和進(jìn)口石油，利用沿岸風(fēng)電或特高壓綠電開發(fā)世界級(jí)的低碳綠色鋼鐵生產(chǎn)基地，是中國(guó)鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略優(yōu)先選擇，兩大初級(jí)原料鐵礦石和石油受限條件小、成本低、規(guī)?？臻g大。另一個(gè)主要資源——低碳綠電，正是中國(guó)政府大力促進(jìn)的產(chǎn)業(yè)，東部沿岸風(fēng)電及西部綠電特高壓東輸具有支撐這一戰(zhàn)略的雄厚基礎(chǔ)。
本研究團(tuán)隊(duì)于2007年開始攻關(guān)電代燃?xì)饧半娤浼夹g(shù)，已到工業(yè)示范階段，計(jì)劃2022年在山東東營(yíng)和甘肅玉門進(jìn)行工業(yè)示范，2021年已完成工藝包初步設(shè)計(jì)。該成套技術(shù)重構(gòu)了中國(guó)的電力、煉化和鋼鐵產(chǎn)業(yè)，通過再電力化使煉化脫碳的同時(shí)，置換出的干氣氫資源用于鋼鐵工業(yè)脫碳，使中國(guó)煉化產(chǎn)業(yè)更加一體化、高值化，而中國(guó)鋼鐵工業(yè)在東部沿海獲得了低成本的氫源，因此更具有經(jīng)濟(jì)性和全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這一產(chǎn)業(yè)模式還可復(fù)制到中東地區(qū)，即光伏風(fēng)電、石油和鐵礦石都易獲得的地區(qū)。
電解水制氫用于直接還原鐵生產(chǎn)適用于布局中國(guó)鋼鐵工業(yè)遠(yuǎn)期規(guī)劃，主要是在西部五省利用光伏風(fēng)電電解水制氫，生產(chǎn)“零碳”甚至“負(fù)碳”的直接還原鐵，如歐洲一些鋼鐵公司目前示范展示的項(xiàng)目，西部五省生產(chǎn)的綠色鋼鐵通過中歐班列出口到歐洲，打破歐洲的綠色關(guān)稅壁壘。據(jù)報(bào)道，歐洲將于2023年立法對(duì)進(jìn)口鋼鐵產(chǎn)品征收100歐元/噸的碳邊境調(diào)節(jié)稅，2021年12月份歐洲的碳排放交易價(jià)格已達(dá)90歐元/噸。低碳鋼鐵是世界發(fā)展大趨勢(shì)，也是中國(guó)工業(yè)創(chuàng)新轉(zhuǎn)型目標(biāo)，同時(shí)也是國(guó)際貿(mào)易戰(zhàn)的工具。
