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以氢代煤”炼铁,氢能冶金何时才能到来?

当今世界,资源能源利用效率已经成为衡量国家制造业竞争力的重要因素,绿色发展已经成为全球范围内转型升级的大趋势。

2020年9月我国首次提出“碳达峰”和“碳中和”国家战略目标,在此背景下,钢铁行业转型升级势在必行,其中“以氢代煤”炼铁被认为是行业发展的一大趋势,我国的氢冶金目前发展到哪一步,距离真正到来还要多久?

从能源结构来看,中国富煤、贫油、少气,90%的碳排放来自煤炭,多年来煤炭一直是最为重要的能源来源。中国从碳达峰到碳中和的期限只有30年,远低于发达国家40—60年的时间期限,可谓时间短任务重,而“以氢代煤”正是双碳目标实现的重要途径和发展方向。

2020年,中国碳排放量达99亿吨,位居全球第一。从碳排放占比看,电力行业、建筑建材及制造业、交通运输行业占全国碳排放量近90%。

工信部资料显示,2020年中国全国生产生铁、粗钢和钢材产量分别为8.88亿吨、10.53亿吨和13.25亿吨,同比分别增长4.3%、5.2%和7.7%,粗钢产量首次超过10亿吨,一直稳居全球第一。

钢铁工业作为国民经济重要的基础原材料工业,属于能源、水资源、矿石资源消耗大的资源密集型产业,生产过程中会产生大量的二氧化碳等污染物。

世界钢铁协会统计数据显示,全球平均每生产1吨钢会排放1.8吨CO2,钢铁行业CO2排放量约占全球CO2总排放量的6.7%,而我国作为钢铁大国,钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量约15%,低碳转型压力可想而知。

国家控制产能的措施虽然在短时间内可以起到一定的减排效果,但绿色转型是钢铁行业可持续发展的必然选择。钢铁工业必须通过持续优化钢铁制造流程、全面实施绿色低碳工程、适度降低粗钢产量等一系列措施,实现碳排放目标。

在传统的工艺流程中,需要在高炉中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作为还原剂,才能生产出1吨生铁。而以氢代煤的钢铁冶金能大大减少污染物的排放。

在钢铁生产中,氢气可用作为铁矿石的无排放还原剂,对气候保护十分有益。氢气燃烧的副产物只有水,并不产生有害气体。它能以高能量密度的液体或气体形式储存和运输,且用途广泛。由于其多功能性,氢气在向清洁、低碳能源系统的过渡过程中起着关键作用。

在冶金行业,将氢气代替煤炭作为高炉的还原剂,能够减少乃至完全避免钢铁生产中的二氧化碳排放。其原理是,将氢气代替煤炭作为高炉的还原剂,以减少乃至完全避免钢铁生产中的二氧化碳排放。

2019年,位于德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂就首次进行了以氢代煤的尝试,他们将氢气通过一个风口被注入高炉中,并视情况逐渐扩展至该高炉的全部28个风口。预计到2022年,钢厂的另外三个高炉也将实现“以氢代煤”的技术应用。此外,日本、韩国、瑞典等国家也都在积极进行相关技术研发和探索。

我国对氢能的发展也相当重视,“十四五规划和2035年远景目标纲要(草案)”中明确,在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域,组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业。而氢冶金已经成为钢铁龙头企业的制高点。

近年来,中国钢铁业寻求低碳转型,加快研发和储备重大技术的态势明显加快。今年5月,河钢集团在河北张家口启动了“世界首个富氢气体直接还原示范工程”建设,今年第三季度,中国宝武将在湛江钢铁有限公司开工建设(一期)百万吨级氢基竖炉直接还原示范项目及配套设施。此外,首钢、建龙、酒钢、日照钢铁等一批钢铁企业也建立了低碳冶金示范项目。

世界钢协主席、河钢集团董事长于勇曾表示,氢能是21世纪最具发展潜力的清洁能源。未来,氢能的应用要实现完全的低碳和零排放,就必须在能源结构和工艺结构方面创新。氢冶金技术的应用,将会带领传统的钢铁冶金技术走上新的道路。

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