碳中和情景下工業(yè)領(lǐng)域的氫能發(fā)展機遇
當(dāng)前,氫能主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,如煉油、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)、煉鋼等,絕大部分氫能來源于化石燃料。這里面煉油和氨生產(chǎn)對氫氣的使用量最大,大約能達到33%和27%。鋼鐵行業(yè)目前用氫量較少,僅為3%左右。
在工業(yè)領(lǐng)域,鋼鐵、冶金、水泥等高耗能產(chǎn)業(yè)既是碳排放的大戶,又是深度減碳的難點。
全球工業(yè)碳排放的45%來自鋼鐵、水泥等高耗能產(chǎn)業(yè),其中高耗能產(chǎn)業(yè)碳排放的45%來自于工業(yè)原料的使用,35%是為生產(chǎn)高位熱能而排放,20%來自于生產(chǎn)低位熱能環(huán)節(jié)。
人們常說的電能替代并不能解決高耗能產(chǎn)業(yè)的減碳問題。為什么這么說呢?因為即使使用可再生能源電氣化手段,也只能降低高耗能產(chǎn)業(yè)中低位熱能那部分碳排放,而這部分只占20%左右。對于工業(yè)領(lǐng)域因原料和高位熱能而產(chǎn)生的80%的碳排放,目前還是無能為力。(數(shù)據(jù)來源于麥肯錫《工業(yè)部門脫碳方案》)
鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產(chǎn)過程中需要大量的高位熱能,所謂高位熱能是指需要高于400℃的熱能,這部分熱能很難用電氣化的方式來解決。
以鋼鐵行業(yè)為例,鋼鐵是工業(yè)的碳排放大戶,當(dāng)前全球鋼鐵的75%采用高爐進行生產(chǎn),在高爐所采用的“長流程”生產(chǎn)方式中,都是添加焦炭作為鐵礦石還原劑。在這種情況下,每生產(chǎn)一噸生鐵需要消耗1.6噸的鐵礦石、0.3噸的焦炭和0.2噸的煤粉。也就是說,生產(chǎn)每噸鋼鐵的碳排放強度達到2.1噸。
高爐的還原過程所產(chǎn)生的碳排放占到鋼鐵生產(chǎn)全部碳排放的90%。因為碳排放過多,人們已經(jīng)開始使用天然氣代替焦炭作為還原劑,然后通過電弧爐將海綿鐵轉(zhuǎn)化為鋼,這是人們?yōu)榱藴p少煉鋼過程中碳排放的一種嘗試,可惜仍然無法達到深度脫碳。
為了進一步解決鋼鐵行業(yè)的碳排放壓力,很多歐美國家開始探索氫冶金技術(shù),而且取得了巨大的進展。
(1)在最新的氫能煉鋼工藝中,在低于礦石的軟化溫度下,用氫氣直接作為還原劑可以將鐵礦石直接還原成海綿鐵,海綿鐵中碳和硅的含量較低,成分已經(jīng)類似于鋼,可以替代廢鋼直接用于煉鋼。
?。?)用氫代替焦炭和天然氣作為還原劑,可以基本消除煉鐵和煉鋼過程中的絕大部分碳排放。如果隨著可再生能源成本下降,以及制氫工藝的成熟,能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源電解水制氫,在軋鑄環(huán)節(jié)使用可再生能源發(fā)電,最后基本可以實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。
我國在利用氫能實現(xiàn)冶金工業(yè)深度脫碳方面也有很多嘗試。以中核集團、中國寶武集團為代表,這些企業(yè)正在探索利用氫氣取代碳作為還原劑的氫冶金技術(shù),推動鋼鐵冶金基本實現(xiàn)二氧化碳的零排放。2019年1月,中核集團與中國寶武、清華大學(xué)簽訂了《核能—制氫—冶金耦合技術(shù)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》,就核能制氫——冶金耦合技術(shù)展開合作。
氫能利用的挑戰(zhàn)
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