□ 張建紅
作為能源消費(fèi)大戶，鋼鐵行業(yè)是我國(guó)31個(gè)制造業(yè)門類中碳排放量最大的行業(yè)，其排放量約占全國(guó)排放總量的15%。氫冶金是當(dāng)前全球鋼鐵行業(yè)技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)，尤其在歐洲，面臨碳減排壓力，歐洲鋼鐵企業(yè)紛紛將目光聚焦利用氫氣作為還原劑，開發(fā)氫煉鐵工藝技術(shù)，以期在鋼鐵生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)“氣候中性”的目標(biāo)。隨著氫能價(jià)值的提高，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的鋼廠和獨(dú)立焦化企業(yè)重新審視焦?fàn)t煤氣價(jià)值，進(jìn)行副產(chǎn)制氫。
煉焦副產(chǎn)氫減排效果較好
灰氫煉鐵，理論上可減少碳排放27%。采用傳統(tǒng)的高爐煉鐵技術(shù)，噸鐵碳排放量約1.35噸二氧化碳。煤熱解煉焦產(chǎn)生焦炭、焦?fàn)t煤氣、焦油、粗苯等產(chǎn)品，產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣體積分?jǐn)?shù)的60%左右為氫氣，常用多級(jí)變壓吸附工藝提取高純度氫氣。因此，煉焦過(guò)程能源消耗和碳排放需要按照相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)品之間進(jìn)行分配。在相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)電力排放因子進(jìn)行更新，煤熱解制備1公斤氫氣的碳排放量為5.48公斤，其中直接碳排放為3.05公斤，消耗電力、蒸汽、水產(chǎn)生的間接碳排放為2.43公斤。如采用管道輸送，每標(biāo)方氫氣的耗電量不到0.1千瓦時(shí)，折合碳排放量0.058公斤。因此，煤熱解制氫+管道輸氫的碳排放量為5.54公斤二氧化碳/公斤氫氣。
按照理想的狀態(tài)，假設(shè)還原和加熱鐵礦石都采用焦?fàn)t煤氣提取的灰氫，目前還原1噸鐵礦石大約需要500標(biāo)方~550標(biāo)方氫氣，加熱需要500標(biāo)方氫氣，那么制備1噸直接還原鐵需要約93.75公斤氫氣，相應(yīng)的碳排放量為519.38公斤二氧化碳。考慮到后續(xù)煉鋼時(shí)還需要先將直接還原鐵熔化，而熔化1噸直接還原鐵又需要耗電700千瓦時(shí)~800千瓦時(shí)，相應(yīng)會(huì)增加碳排放464.8公斤二氧化碳。那么，用灰氫制備1噸直接還原鐵水，碳排放量約984.18公斤二氧化碳。
可見(jiàn)，制備相近品質(zhì)的鐵水，即使采用灰氫，理論上可降低高爐工序近27%的碳排放量。
灰氫重卡，理論上可減少碳排放21%。常見(jiàn)的49噸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車型百公里油耗在32升左右，1升柴油約為0.86公斤，而1噸柴油的碳足跡為3.82噸二氧化碳，那么百公里碳足跡為105公斤二氧化碳。
在相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分別測(cè)算煤炭生產(chǎn)、煤炭運(yùn)輸、煤熱解制氫（含變壓吸附提氫）、氫氣壓縮、氣氫拖車運(yùn)輸、氫氣加注環(huán)節(jié)的碳排放量，折合1公斤氫氣的碳排放量分別為1.65公斤、0.03公斤、5.48公斤、0.64公斤、0.46公斤、0公斤，即送到加氫站的灰氫的碳足跡為8.26公斤二氧化碳/公斤氫氣。
隨著氫燃料電池汽車的技術(shù)進(jìn)步，車輛的綜合氫耗水平有望逐步下降。根據(jù)我國(guó)節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖，49噸載重量重卡的百公里氫耗將從目前的10公斤氫氣分別降至2025年的8公斤，2030年的7.5公斤。那么，重卡使用灰氫，當(dāng)前100公里車程的碳足跡約82.64公斤二氧化碳。
可見(jiàn)，對(duì)于49噸載重量重卡，即使采用灰氫，理論上仍可降低單位車程的碳足跡近21%。
焦?fàn)t煤氣制氫面臨困境
一是技術(shù)尚不成熟。目前，全氫直接還原技術(shù)還存在諸多技術(shù)難題，而且經(jīng)濟(jì)上也難以承受。
二是灰氫的價(jià)格并不低。氫冶金方面，據(jù)測(cè)算，傳統(tǒng)高爐的燃料成本不到1000元/噸，而采用焦?fàn)t煤氣制氫后全氫氣煉鐵的燃料成本高達(dá)1400元/噸，短期內(nèi)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。重卡方面，49噸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車型百公里油耗在32升左右，0號(hào)柴油價(jià)格不到8元/升，百公里油費(fèi)約256元；據(jù)測(cè)算，焦?fàn)t煤氣制氫的綜合成本為9元~15元/公斤，在儲(chǔ)運(yùn)及加注環(huán)節(jié)，長(zhǎng)管拖車氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)成本約8元/公斤，加注成本約11元/公斤。在不考慮補(bǔ)貼的情況下，即使按照成本價(jià)算，氫能重卡百公里耗氫費(fèi)用也要超過(guò)柴油重卡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國(guó)氫氣終端銷售價(jià)格為50元~80元/公斤，如按照市售氫價(jià)，百公里氫耗超過(guò)500元，遠(yuǎn)高于柴油重卡。
三是綠色度不夠。目前，焦?fàn)t煤氣制備氫氣，碳足跡比“清潔氫”的碳足跡4.9公斤二氧化碳/公斤氫要高出不少。
四是焦?fàn)t煤氣制氫受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。“十四五”及未來(lái)一段時(shí)間焦化行業(yè)面臨節(jié)能降碳?jí)毫拖掠武撹F行業(yè)產(chǎn)量壓減的影響，國(guó)內(nèi)焦炭產(chǎn)量將進(jìn)入平臺(tái)區(qū)，焦?fàn)t煤氣制氫將受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。
鋼企布局氫能應(yīng)謀定而后動(dòng)
“雙碳”背景下，鋼鐵企業(yè)面臨巨大的減排壓力，同時(shí)也面臨著綠色低碳轉(zhuǎn)型的壓力，應(yīng)統(tǒng)籌好發(fā)展和減排的關(guān)系、短期目標(biāo)和長(zhǎng)期目標(biāo)的關(guān)系。
加速布局加氫站和氫能重卡賽道。柴油車對(duì)環(huán)境的影響是長(zhǎng)期存在的突出問(wèn)題。一方面，服務(wù)自身物流運(yùn)輸。鋼鐵企業(yè)物流量大，每個(gè)鋼廠都有大量汽油車和柴油車。另一方面，服務(wù)社會(huì)。在港口、碼頭、工業(yè)園區(qū)等區(qū)域，重型柴油車密集。鋼鐵企業(yè)可利用氫能資源優(yōu)勢(shì)，加快布局加氫站和氫能重卡，優(yōu)先在物流園區(qū)、港口和港口城市開展“柴改氫”。
在技術(shù)尚不成熟的氫冶金賽道，結(jié)合自身資源稟賦條件和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加大研發(fā)投入，蓄勢(shì)待發(fā)，不急于投資建設(shè)。預(yù)計(jì)2030年左右，可能會(huì)迎來(lái)高爐富氫碳循環(huán)技術(shù)改造的高峰期；對(duì)具備電力、煤炭資源優(yōu)勢(shì)的企業(yè)可先行先試開發(fā)氣基豎爐工藝。未來(lái)，全氫冶金將迎來(lái)較大發(fā)展空間。
（作者系中國(guó)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)環(huán)境技術(shù)經(jīng)濟(jì)分會(huì)理事）
評(píng)論