0 引言
全球范围内的升温已经威胁到人类生命安全及可持续发展,减排温室气体以减缓气候变化已成为全球共识。钢铁行业作为工业碳排放的主要来源之一,是节能减排措施实施的重点领域,以氢替代焦炭作为还原剂的炼钢方式是钢铁生产低碳化的重要技术途径[1]。欧盟钢铁行业在2004年就启动了研发氢冶金技术的超低CO2排放炼钢工艺项目,目标是到2050年吨钢二氧化碳排放比当前吨钢排放最高水平（1.85 t[2]）下降50%。瑞典的突破性氢炼铁技术项目通过在块矿和球团矿的挖掘和制造过程以及制氢和电弧炉工艺中使用可再生电力,预期在2035年前实现钢铁生产的零化石能源消耗,进一步实现零碳排放炼钢[3],目前,HYBRIT项目已进入中试阶段。广东省宝钢湛江钢铁有限公司采用氢基竖炉系统对高炉炼钢法进行产能置换,预计于2023年底完成氢基竖炉系统建设,直接还原铁（direct reduced iron, DRI）产能为100万吨/年[4]。
国内外学者对氢能在钢铁行业中的应用及其可能产生的减排效益做了许多研究。采用水电-电解水的方式制取的氢气用于炼钢[5],可使吨钢碳排放下降84%,即吨钢二氧化碳排放为0.3 t[6]。在推广氢冶金应用时,需平衡焦炭与氢作为还原剂的竞争关系、热平衡和化学平衡之间的关系,并需考虑氢冶金的能源利用效率以及生产成本,需要对两种炼钢方案的吨钢能耗和生产成本进行评估[7]。KUSHNIR等[8]对瑞典氢冶金技术的评估报告指出,瑞典政府为实现所承诺的2045年零碳愿景需要大规模推动氢冶金工艺的应用。然而,目前氢冶金技术对传统炼钢技术的替代比例仍然较低,姚同路等[9]提出中国钢铁行业实现“双碳”目标的技术路线图,但当前氢冶金技术在国内尚处于“实验室阶段”;张真等[10]对钢铁行业参与碳交易情况下氢冶金的减碳能力及成本进行了评估;车彦民等[11]对国内几种大规模制氢方式及氢冶金技术的应用进行了评估,提出要由焦炉煤气逐渐过渡为低碳氢作为还原剂的炼钢工艺。综上,目前研究明确了氢冶金技术可有效减少钢铁行业的碳排放,但在综合了区域钢铁产业发展实际和不同制氢路线的产能潜力的前提下,对氢能替代的生产成本、能源消耗、碳排放的研究并不充分。
广东省的钢铁产能占全国的4%,是中国钢铁产能集中地区。广东省钢铁行业的能耗占全省终端能耗的4.6%,碳排放占全省总排放的17%,是影响全省实现碳达峰碳中和目标的关键行业之一。本文以广东省钢铁行业为研究对象,运用情景分析方法,对广东省2020—2035年推广氢冶金技术替代所产生的吨钢能耗、吨钢碳排放等影响进行量化评估,在不同时间节点的分析考虑了氢能技术和氢冶金技术的进步;对广东省2020—2035年的粗钢产量需求进行预测,对氢冶金技术的成熟度、替代成本做量化分析,并考虑了工业副产物制氢、网电制氢、风电制氢、光伏制氢四条制氢路线,对广东可能选择的制氢路线组合以及形成的产氢能力、氢冶金技术替代率进行情景预测。本研究可为研究人员及政策决策者把握氢冶金技术和制氢技术的进步、制定最优的钢铁行业碳减排战略提供依据。
1 研究方法
1.1 氢能替代工艺
Fig. 1 Steelmaking process roadmap for blast furnace method图1 高炉法炼钢工艺路线图 |
Fig. 2 Hydrogen metallurgy process roadmap图2 氢冶金法工艺路线图 |
1.2 广东省制氢结构及能力分析
广东省工业副产物制氢包括炼油制氢、丙烷脱氢、烧碱制氢、次氯酸钠制氢以及炼焦制氢五种类型,其中以炼油制氢和丙烷脱氢为最主要的制氢方式,工业副产氢为在满足生产之余供给其他部门的氢。
Fig. 3 Product energy flow diagram framework-hydrogen route overview图3 产品能流图框架-制氢路线概览 |
Fig. 5 Hydrogen production structure in Guangdong Province in 2020 (a) and 2035 (b)图5 广东省2020年（a）和2035年（b）制氢结构 |
1.3 广东省制氢成本分析
根据广东省可再生能源资源禀赋及制氢产业部署情况,对在广东实施工业副产物制氢、网电制氢、风电制氢、光伏制氢这四条制氢路线进行了成本分析,图6为制氢成本预测模型。
Fig. 6 Hydrogen production-cost prediction model图6 制氢产量-成本预测模型 |
工业副产物制氢以丙烷脱氢代表进行成本分析,制氢成本估值式为：
${{C}_{\text{h-p}}}=3{{C}_{\text{l}}}+10.3{{C}_{\text{e}}} $ (1)
电解水制氢的成本估值式为：
${{C}_{\text{h-p}}}=55{{C}_{\text{e}}} $ (2)
式中： ${{C}_{\text{h-p}}} $为制氢全生命周期成本,元/kg; ${{C}_{\text{l}}} $为液化石油气（liquefied petroleum gas, LPG）的价格,元/kg; ${{C}_{\text{e}}} $为不同来源电力的电价,可以是网电、风电和光伏发电,元/(kW∙h)。
考虑到不同制氢技术的成熟度和成本可接受度,广东省在未来一段时间内的制氢路线为四种技术并举,因此,第j年份的综合制氢成本为：
${{C}_{\text{h},j}}\text{=}\sum\limits_{i\text{=}1}^{n}{{{C}_{\text{h-p},i\text{,}j}}\cdot {{\delta }_{i\text{,}j}}} $ (3)
式中： ${{C}_{\text{h,}j}} $为第j年广东的综合制氢成本,元/kg; ${{C}_{\text{h-p,}i\text{,}j}} $为第j年广东省采用第i种制氢路线的成本,元/kg; ${{\delta }_{i\text{,}j}} $为第j年第i种制氢路线制氢量在全省制氢总产量中的所占百分比。
在可再生电力快速平价上网情景中,广东省LPG与谷电上网电价与政策情景保持一致,可再生电力制氢于2025年与电网谷电电价相同,制氢结构与政策情景相同。
如图7所示,可再生能源发电实现平价上网的时间对广东省制氢成本影响很大。在政策情景中,由于2025—2030年广东省“绿电”价格还高于“谷电”电价,因此随着可再生电力制氢量占比的提高,综合制氢成本出现上升的趋势,到2030年,“绿电”价格与“谷电”电价平价之后,由于可再生电力制氢的成本小于网电制氢成本,因而制氢成本随着可再生电力制氢的大规模发展而下降。在可再生电力快速平价上网情景中,“绿电”价格于2025年就与谷电电价平价,因此,随着可再生电力制氢的快速发展,自2025年起制氢成本就呈现下降趋势。
Fig. 7 Forecast of hydrogen production cost in Guangdong Province (2020-2035)图7 广东省综合制氢成本预测（2020—2035年） |
1.4 广东省粗钢产量预测
Fig. 8 Trend of crude steel production per unit of GDP in Guangdong Province (data cited from reference [25])图8 广东省单位GDP粗钢产量变化趋势（数据引自文献β[25]） |
2020年后,广东省GDP水平保持持续增长态势,根据《广东省国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》目标,2025年广东省GDP将达到14万亿元,2020—2025年的年平均增长率为5.5%,根据广东省未来经济高质量发展的战略部署,预计2025—2030年,年平均增长率为5%,2030—2035年的平均增长率为4.5%。据此,到2035年广东省GDP总量将达到23万亿元左右,粗钢产量在2025年以后增长速度趋缓,到2035年粗钢产量约为4 700万吨,粗钢产量约为350 kg/人,比2020年高25%。图9所示为广东省粗钢产量与GDP变化趋势。
Fig. 9 Trend of crude steel production and GDP in Guangdong Province (data cited from reference [25])图9 广东省粗钢产量与GDP变化趋势（数据引自文献β[25]） |
1.5 广东省高炉炼钢氢冶金技术替代分析的情景参数设置
1.5.1 两种技术方案的吨钢能耗
当前高炉法及氢冶金法的吨钢能耗情况见表1。
1.5.2 冶金技术进步引起的吨钢能耗变化
由于高炉法炼钢工艺技术成熟度较高,因此随着时间变化,采用高炉炼钢技术的吨钢能耗维持不变,根据表1数据计算,高炉法炼钢吨钢标煤能耗为519 kg。
氢冶金工艺的关键技术包括氢冶金工艺以及氢基竖炉中多场耦合的工况优化调控两部分。在氢冶金的工艺层面,Energiron-ZR-H2工艺能够使用煤制气、焦炉煤气、天然气等多种气源进行制氢,并可融合电解水制氢等方式,能够最大限度地利用制氢资源,本研究选择这一氢冶金直接还原工艺,Energiron-ZR-H2工艺包含竖炉、CO2脱除装置、气体加热器等关键设备,还原温度在930β℃以上,金属转化率约为94%[28]。
在氢基竖炉内多场耦合优化,还原气流场组织、氢碳比、温度等因素调控会直接影响还原铁产出质量,随着Energiron-ZR-H2工艺及氢基竖炉的工况优化调控,氢冶金法的吨钢氢耗能够进一步降低。因此,假设氢冶金法炼钢的吨钢耗氢量以每年0.45%的幅度下降（如图10所示）,到2035年吨钢耗氢量由当前的91.7 kg下降到85.45 kg,吨钢标煤能耗为430.8 kg。
Fig. 10 Hydrogen consumption per ton of steel by hydrometallurgy considering technological progress图10 考虑技术进步时氢冶金法吨钢耗氢量 |
1.5.3 制氢过程的碳排放
根据制氢技术LCA碳排放评估[16]可知,广东省网电制氢在2020年的碳排放量（均指二氧化碳排放量）为44.44 kg/kg,考虑到电力结构中可再生能源发电的占比会不断提高,假设南方电网的碳排放因子以每年2%的速度减小,预计网电制氢碳排放量会在2035年降至32.83 kg/kg;工业副产物制氢技术已经成熟,可认为制氢碳排放量不变,即1.1 kg/kg;光伏制氢与风电制氢的碳排放量为0。
Fig. 11 Carbon emissions of hydrogen produced in Guangdong Province, 2020-2035图11 2020—2035年广东省制氢的碳排放量 |
1.5.4 不同情景下的氢冶金工艺替代率
设置三种氢冶金工艺替代情景,即基准情景、替代情景和深度替代情景。如图12所示,氢冶金工艺在粗钢炼制中的替代率逐年增加。
Fig. 12 Replacement rate of hydrogen metallurgy process in steelmaking in Guangdong Province图12 氢冶金工艺在广东省炼钢中的替代率 |
基准情景下,不进行氢冶金工艺的替代。替代情景下,广东省将在2025年部署两期100万吨/年的项目,预计2023年完成一期建设,2025年完成二期建设,新建的氢还原剂DRI工艺设施达到国际先进水平。2025年后,广东省将不断推进氢冶金工艺替代高炉法炼钢,预计2035年氢冶金法粗钢产量达到1 000万吨,氢冶金工艺替代率为21.2%。深度替代情景下,到2035年广东省氢冶金法的粗钢产量为2 000万吨,替代率达到42.4%。
2 结果与讨论
2.1 粗钢生产能源消费和吨钢能耗分析
Fig. 13 Trends in steelmaking energy consumption in Guangdong Province under different scenarios图13 不同情景下广东省粗钢生产能源消费变化趋势 |
Fig. 14 Trends in energy consumption per ton of steel in Guangdong Province under different scenarios图14 不同情景下广东省吨钢能耗变化趋势 |
2.2 粗钢生产碳排放和吨钢碳排放分析
相对于基准情景,替代情景和深度替代情景都呈现出明显的粗钢生产碳排放总量下降趋势。图15中,替代情景下碳排放总量在2029年达到峰值,碳排放量为7 624万吨;深度替代情景下,碳排放总量提前一年达峰,峰值为7 496万吨CO2。可为广东省钢铁行业碳排放总量在2030年前达峰发挥重要作用。
Fig. 15 Trends in carbon emissions from steelmaking in Guangdong Province under different scenarios图15 不同情景下广东省炼钢碳排放变化趋势 |
图16反映了不同情景下广东省吨钢碳排放变化趋势。到2035年,替代情景、深度替代情景的吨钢碳排放量相对于基准情景分别下降10.9%、23.1%。
Fig. 16 Trends of carbon emission per ton of steel in Guangdong Province under different scenarios图16 不同情景下广东省吨钢碳排放变化趋势 |
2.3 氢冶金技术替代传统粗钢生产工艺的吨钢经济性分析
氢冶金法炼钢的吨钢设备成本共计1 740 元[27],其吨钢能耗和物耗成本清单见表3,氢气价格按16元/kg核算,得到吨钢物料消耗成本合计2 760 元,2020年广东省氢冶金法炼钢的吨钢总成本4 500 元,物料成本占据60%,氢气作为炼钢工艺的还原剂,约占据总成本的三分之一。对比两种炼钢技术成本可知氢冶金法比高炉-转炉法的吨钢成本增加了约15%,其中氢冶金法设备成本比高炉法高8.8%,物料成本比高炉-转炉法高19%。可见,降低用氢成本是提高氢冶金法利用率的重要方法。根据文献[20],预计到2035年,制氢成本可望下降到13.5 元/kg,即氢冶金法成本可降至4 200 元/t（图17）。如考虑焦炭价格变化的因素,根据邹绍辉等[29]采用几何布朗模型对中国煤炭价格的预测,2035年煤炭价格约比2020年提高20%,高炉法炼钢的成本将达到4 050 元,届时氢冶金法成本将接近传统高炉法,开始具备市场竞争力。
Fig. 17 Comparison of blast furnace and hydrogen metallurgy steelmaking cost trends per ton of steel图17 高炉法与氢冶金法炼钢吨钢成本趋势比较 |
不同情景下广东省吨钢成本变化趋势如图18所示,与基准情景相比,2025年以后替代情景、深度替代情景粗钢生产吨钢成本增加,到2035年,替代情景、深度替代情景下的吨钢成本分别比基准情景高1.6%、3.2%。
Fig. 18 Trends in cost per ton of steel in Guangdong Province under different scenarios图18 不同情景下广东省吨钢成本变化趋势 |
2.4 广东省钢铁行业炼钢能量流动分析
Fig. 19 Energy flow diagram of crude steelmaking products in Guangdong steel industry in 2035 under the baseline scenario (coke and natural gas used as “feedstock” are also accounted for as “energy” consumption, and the same applies to hydrogen)图19 基准情景下,2035年广东省钢铁行业粗钢炼制产品能流图（将作为“原料”使用的焦炭、天然气也记作“能源”消耗,同样也适用于氢） |
图20为深度替代情景下2035年广东省钢铁行业炼钢能量流动情况。考虑到广东省的氢气生产能力,该情景下氢冶金工艺的替代率为42.4%,仍有50%以上的粗钢采用传统方法炼制。这一过程消耗1 625万吨的煤炭制备焦炭,消耗38万吨标煤的天然气作为还原剂;156万吨标煤的石油消费用于丙烷脱氢制取氢气,电解水制氢的电力消费分别来自电网谷电、太阳能发电和风能发电,共计电力消费1 105万吨标煤,制备所需要的715万吨标煤的氢（170万吨氢）,电力流向包括炼钢直接用电、制氢用电以及损失三个部分,分别占比9%、67%、24%。根据情景预测,广东省2035年能够供应230 ~ 270万吨的氢[20],利用本省内部的制氢资源,能够满足深度替代情景下钢铁行业的氢气需求。
Fig. 20 Energy flow diagram of crude steelmaking products in Guangdong Province in 2035 under the deep substitution scenario图20 深度替代情景下,2035年广东省钢铁行业粗钢炼制产品能流图 |
综合来看,氢冶金工艺的推广能够显著推动广东省炼钢工业的节能减排进程。在2035年,广东省制氢结构中仍有一半来自化石能源制氢,其中工业副产物制氢占比19%、网电制氢的占比32%,这部分制氢过程中的碳排放有待于可再生能源制氢技术的进步和成本减低,也需要推进广东省可再生能源发电装机规模不断扩大,以及大幅提高外购电中的绿电比例来降低电网的碳排放因子。通过进一步优化广东省电力结构,提高可再生电力制氢的比例,氢冶金工艺在脱碳方面的潜力将得到进一步发挥。
3 结论
预测了广东省2020—2035年的粗钢产量,对未来可实现的制氢技术路线和产氢能力进行了研判,在此基础上,研究了广东省钢铁行业2020—2035年的氢冶金技术不同替代情景,对比不同情景下的能耗、碳排放和经济性,主要结论如下：
（1）随着氢冶金工艺替代率的提高及氢冶金工艺吨钢氢耗量的降低,替代情景下,长流程炼钢的总能耗可于2034年前后达到峰值,到2035年,替代情景、深度替代情景下的吨钢能耗与基准情景相比分别下降2.3%、7.2%。
（2）相对于基准情景,替代情景、深度替代情景下钢铁行业碳排放总量显著降低,可在2030年前达到峰值。随着氢冶金工艺的推广率提高、氢冶金工艺吨钢氢耗降低及制氢结构中绿氢占比提高,吨钢碳排放将不断下降,到2035年,替代情景、深度替代情景下的吨钢碳排放量相对于基准情景分别下降10.9%、23.1%。
（3）当前广东省的制氢成本为16元/kg,氢冶金法炼钢的成本约4 500元/t,其中氢气成本占三分之一,降低用氢成本是提高氢冶金法经济性的关键。到2035年,随着制氢结构中的绿氢占比提高以及风电成本不断降低且已实现平价上网,制氢成本可望下降到13元/kg左右。届时氢冶金法的炼钢成本可降低450元/t。
（4）与基准情景相比,由于氢冶金技术对传统炼钢工艺的逐步替代,替代情景、深度替代情景下的吨钢成本在2025年后开始增加,在2030年前后,吨钢成本增加最大,之后由于制氢和氢冶金技术成本不断降低,两种情景下的吨钢成本开始下降,到2035年,比基准情景成本增加的比例降到1.6%、3.2%。考虑到今后的技术进步、焦炭价格及碳价格上涨的因素,广东省氢冶金技术替代传统高炉法炼钢的经济性会逐渐为市场所接受。