氢能冶金 碳中和正在进行时，炼铁氢还原替代碳还原的新时代已至！( 二 )
五、氢的还原剂时代
【 氢能冶金|碳中和正在进行时，炼铁氢还原替代碳还原的新时代已至！】氢，元素周期表中排名第一，易与氧结合，氢还原铁的方式最简单清洁，未来可能成为炼铁的主力还原剂。含氢的气体还原剂主要包括天然气（CH4）和氢气，使用天然气还原氧化铁仍会生成二氧化碳，而使用氢气还原铁则只产生水蒸气。
氢气是炼铁的最理想还原剂，但是在工业化应用中却存在诸多困难。当前氢气制取技术主要有电解水制氢、煤炭制氢、甲烷（天然气）重整制氢、工业副产气提纯制氢等，能够大规模绿色可持续制氢的方式有且仅有一种——电解水。从当前的技术发展方向看，电解水制氢冶金的发展前途最广阔。
根据瑞典HYBRIT项目2018年的运行结果，其采用的氢冶金成本比传统高炉冶炼高20%~30%。吨钢二氧化碳排放量仅为25公斤（降低1575公斤），吨钢电力消耗为4051千瓦时。
六、氢能冶金相关技术待持续突破
和传统高炉炼钢相比，氢能炼钢的区别主要在于流程简化，重构成本。总的来看，变化主要有以下两块：
1、电力用量大幅增加，无需焦炭
电解水制氢成本较高，其成本的一半以上在电力成本上。另外，不同于一氧化碳还原放热，仅用氢还原铁是吸热反应，冶炼出来的海绵铁需要经过电炉加热融化，也是耗电的另一方面。同时，使用氢气炼铁可以完全节约焦炭，大幅减少二氧化碳排放。
2、氢还原铁速度快
氢还原铁的速度可达一氧化碳还原的四倍以上，在1000℃下，使用氢气还原铁矿石，98%的还原发生在20分钟内，而对于一氧化碳，83%的还原发生在60分钟内。反应速度的提升有利于提高生产效率，节约时间成本。
新变化带来新发展，氢能冶金的用电从何而来？从已有的项目来看，瑞典钢铁HYBRIT项目是使用光伏、风电等清洁电力；德国萨尔茨吉特钢铁SALCOS项目则全采用风电制氢；奥钢联H2FUTURE项目使用奥地利电网电解氢；宝钢则在探索核冶金、核能制氢技术；河钢集团、酒钢集团也在探索氢冶金技术。
总体来看，各种清洁能源均有用武之地，钢厂需要因地制宜，使用适合当地实际情况的清洁能源，在我国西北地区，光伏发电、风电资源丰富，西南地区水电资源丰富，沿海地区则适合使用核电或风电。另外，特高压电网的建设也将使未来的氢能冶金项目能随时随地使用上稳定清洁的电力。
对未来的钢厂来说，自建或参与建设清洁能源发电项目，在为本厂冶金提供电力的同时将富裕电力外卖，同时利用好碳排放权市场，将清洁能源发电及冶金带来的碳排放权变现，实现效益最大化，或许是一条可以走的路径。
文章插图
七、为什么氢能冶金有望成功？
1、清洁电力成本不断降低
目前来看电解水制氢发展前景最广，在这一技术路线的氢能冶金下，对电力的需求将大幅上升，电力成本将显著影响氢能冶金的发展，未来清洁电力成本的下降将有助于氢能冶金的发展。以光伏发电为例，其发电成本基本每年降低10%，目前已基本实现和煤电平价，未来随着装机量的不断上升，规模效应将进一步显现，同时特高压输电技术的突破也为低成本大规模跨区域送电创造了条件。据Energy Intelligence的数据，全球光伏发电成本2000年达到50.0美分/千瓦时峰值；2020年成本为5.9美分/千瓦时；2050年预测成本为2.4美分/千瓦时，而我国作为集齐光伏发电全产业链技术的国家，成本将在此基础上还有下降。
2、氢能冶金最为绿色
氢能冶金过程中几乎没有任何污染，与传统的碳还原剂相比，如果完全使用清洁能源电解水制氢并完全的用氢气炼铁，其碳足迹可降低95%以上，即使使用混合气体炼铁，其碳足迹也可大幅降低。根据东吴证券的研究，截至2020年，我国钢铁企业平均吨钢碳排放量1765公斤。采用基于天然气的炼铁工艺，可以将吨钢碳排放降至940公斤；而使用80%的氢气和20%的天然气则可以降至437公斤；如果完全使用氢气炼钢，则可以实现二氧化碳的几乎“零排放”。
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