□ 張建紅
作為能源消費大戶，鋼鐵行業(yè)是我國31個制造業(yè)門類中碳排放量最大的行業(yè)，其排放量約占全國排放總量的15%。氫冶金是當前全球鋼鐵行業(yè)技術研發(fā)的熱點，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，以期在鋼鐵生產(chǎn)中實現(xiàn)“氣候中性”的目標。隨著氫能價值的提高，國內越來越多的鋼廠和獨立焦化企業(yè)重新審視焦爐煤氣價值，進行副產(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，噸鐵碳排放量約1.35噸二氧化碳。煤熱解煉焦產(chǎn)生焦炭、焦爐煤氣、焦油、粗苯等產(chǎn)品，產(chǎn)生的焦爐煤氣體積分數(shù)的60%左右為氫氣，常用多級變壓吸附工藝提取高純度氫氣。因此，煉焦過程能源消耗和碳排放需要按照相關國際標準在產(chǎn)品之間進行分配。在相關文獻的數(shù)據(jù)基礎上，對電力排放因子進行更新，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，每標方氫氣的耗電量不到0.1千瓦時，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)，假設還原和加熱鐵礦石都采用焦爐煤氣提取的灰氫，目前還原1噸鐵礦石大約需要500標方~550標方氫氣，加熱需要500標方氫氣，那么制備1噸直接還原鐵需要約93.75公斤氫氣，相應的碳排放量為519.38公斤二氧化碳。考慮到后續(xù)煉鋼時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~800千瓦時，相應會增加碳排放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，制備相近品質的鐵水，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%。常見的49噸柴油發(fā)動機車型百公里油耗在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。
在相關文獻的數(shù)據(jù)基礎上，分別測算煤炭生產(chǎn)、煤炭運輸、煤熱解制氫（含變壓吸附提氫）、氫氣壓縮、氣氫拖車運輸、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進步，車輛的綜合氫耗水平有望逐步下降。根據(jù)我國節(jié)能與新能源汽車技術路線圖，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，當前100公里車程的碳足跡約82.64公斤二氧化碳。
可見，對于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%。
焦爐煤氣制氫面臨困境
一是技術尚不成熟。目前，全氫直接還原技術還存在諸多技術難題，而且經(jīng)濟上也難以承受。
二是灰氫的價格并不低。氫冶金方面，據(jù)測算，傳統(tǒng)高爐的燃料成本不到1000元/噸，而采用焦爐煤氣制氫后全氫氣煉鐵的燃料成本高達1400元/噸，短期內沒有競爭力。重卡方面，49噸柴油發(fā)動機車型百公里油耗在32升左右，0號柴油價格不到8元/升，百公里油費約256元；據(jù)測算，焦爐煤氣制氫的綜合成本為9元~15元/公斤，在儲運及加注環(huán)節(jié)，長管拖車氣態(tài)儲運成本約8元/公斤，加注成本約11元/公斤。在不考慮補貼的情況下，即使按照成本價算，氫能重卡百公里耗氫費用也要超過柴油重卡。據(jù)不完全統(tǒng)計，當前我國氫氣終端銷售價格為50元~80元/公斤，如按照市售氫價，百公里氫耗超過500元，遠高于柴油重卡。
三是綠色度不夠。目前，焦爐煤氣制備氫氣，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。
四是焦爐煤氣制氫受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。“十四五”及未來一段時間焦化行業(yè)面臨節(jié)能降碳壓力和下游鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量壓減的影響，國內焦炭產(chǎn)量將進入平臺區(qū)，焦爐煤氣制氫將受到煉焦產(chǎn)能減少的影響。
鋼企布局氫能應謀定而后動
“雙碳”背景下，鋼鐵企業(yè)面臨巨大的減排壓力，同時也面臨著綠色低碳轉型的壓力，應統(tǒng)籌好發(fā)展和減排的關系、短期目標和長期目標的關系。
加速布局加氫站和氫能重卡賽道。柴油車對環(huán)境的影響是長期存在的突出問題。一方面，服務自身物流運輸。鋼鐵企業(yè)物流量大，每個鋼廠都有大量汽油車和柴油車。另一方面，服務社會。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，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”。
在技術尚不成熟的氫冶金賽道，結合自身資源稟賦條件和技術優(yōu)勢，加大研發(fā)投入，蓄勢待發(fā)，不急于投資建設。預計2030年左右，可能會迎來高爐富氫碳循環(huán)技術改造的高峰期；對具備電力、煤炭資源優(yōu)勢的企業(yè)可先行先試開發(fā)氣基豎爐工藝。未來，全氫冶金將迎來較大發(fā)展空間。
（作者系中國技術經(jīng)濟學會環(huán)境技術經(jīng)濟分會理事）
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