摘要：应用冶金焦炉煤气提取的灰氢具有较好的减碳作用。灰氢炼铁与现有长流程工艺相比，理论上可减少碳排放20%；灰氢重卡与柴油重卡相比，理论上可减少碳排放21%。当前，氢能产业链技术尚不成熟，灰氢的价格并不低，绿色度不够，焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。钢铁企业发展氢能产业，急不得也缓不得，可加速布局氢能重卡和加氢站赛道，在氢冶金方面加强技术积累，时机成熟再投资建设。
关键词：焦炉煤气；氢气；碳减排；氢能重卡；氢冶金
一、背景
氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择。氢能已经成为国际社会应对气候变化、构建脱碳社会的重要产业方向。欧、美、日、韩等发达国家纷纷制定氢能发展路线图，加快推进氢能产业技术研发和产业化布局。氢能产业已成为我国能源战略布局的重要部分。
2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》， 提出逐步探索工业领域替代应用。不断提升氢能利用经济性，拓展清洁低碳氢能在化工行业替代的应用空间。开展以氢作为还原剂的氢冶金技术研发应用。探索氢能在工业生产中作为高品质热源的应用。扩大工业领域氢能替代化石能源应用规模，积极引导合成氨、合成甲醇、炼化、煤制油气等行业由高碳工艺向低碳工艺转变，促进高耗能行业绿色低碳发展。“十四五”时期工业领域氢能产业创新应用示范工程：结合国内冶金和化工行业市场环境和产业基础，探索氢能冶金示范应用，探索开展可再生能源制氢在合成氨、甲醇、炼化、煤制油气等行业替代化石能源的示范。
《“十四五”工业绿色发展规划》明确提出鼓励氢能等替代能源在钢铁、水泥、化工等行业的应用。2021年，国内最大的钢铁企业集团中国宝武发布碳达峰行动方案，明确高炉富氢、氢冶金为未来六大降碳技术路径，目前中国宝武在新疆、广东湛江投资建设相关涉氢项目。
2022年8月，《工业领域碳达峰实施方案》提出，推动绿色低碳技术重大突破，部署工业低碳前沿技术研究，实施低碳零碳工业流程再造工程，研究实施氢冶金行动计划。在钢铁行业，严格落实产能置换和项目备案、环境影响评价、节能评估审查等相关规定，切实控制钢铁产能。强化产业协同，构建清洁能源与钢铁产业共同体。鼓励适度稳步提高钢铁先进电炉短流程发展。推进低碳炼铁技术示范推广。优化产品结构，提高高强高韧、耐蚀耐候、节材节能等低碳产品应用比例。到2025年，废钢铁加工准入企业年加工能力超过1.8亿吨，短流程炼钢占比达15%以上。到2030年，富氢碳循环高炉冶炼、氢基竖炉直接还原铁、碳捕集利用封存等技术取得突破应用，短流程炼钢占比达20%以上。
2022年9月27日，鞍钢集团氢冶金项目开工仪式在鞍钢鲅鱼圈钢铁基地举行。该项目是全球首套绿氢零碳流化床高效炼铁新技术示范项目，具有完全自主知识产权，探索低碳冶金新技术路线，对助力我国钢铁工业绿色低碳创新发展具有重大意义。
二、现状
钢铁行业是我国能源消费大户，其二氧化碳排放量约占全国排放总量的15%。我国钢铁行业主要采用高炉—转炉长流程工艺路线，能源结构以煤炭、焦炭为主体，目前吨钢二氧化碳排放量中炼铁环节占70%以上，开发低碳炼铁新技术是钢铁工业绿色低碳转型发展的关键所在[1]。
中国高炉-转炉工艺产钢量约占总产量的88.4%，高于71.5%的世界平均水平；在全球前十大钢铁生产国家中，中国短流程占比最低。如果对高炉工艺加以改进或使用更低碳的工艺替代，虽然可以释放巨大的减排空间，但经济代价也相当大[2]。
(一）焦炉煤气在钢铁行业主要应用场景
钢铁企业焦炉煤气的应用场景主要有三类[3-4]：
一是燃烧用于加热。这是目前最常用的方式。
二是用于氢能商用车。目前已有多个钢铁企业应用氢能重卡。
三是氢冶金。相比传统碳冶金，氢冶金以氢气为燃料和还原剂，可以使炼铁过程碳排放大幅降低，从源头上解决碳排放问题。
(二）钢铁行业和独立焦化厂纷纷布局氢能
氢的氧化产物是水，还原铁时不生成任何有害物质、无温室气体排放，全氢还原的美好愿景激励着全球钢企正积极开展对这一技术的研究。
从国际上看，氢冶金是当前全球钢铁行业技术研发的热点，尤其在欧洲，面临碳减排压力，欧洲钢铁企业纷纷将目光聚焦在利用氢气作为还原剂，开发氢炼铁工艺技术，以期在钢铁生产中实现“气候中性”的目标。近来，瑞典钢铁公司、蒂森克虏伯、德国迪林根和萨尔钢铁、萨尔茨吉特、安赛乐米塔尔、GFG联盟等欧洲钢铁企业在氢冶金方面的项目研发取得一定进展。如瑞典的 HYBRIT 项目计划用可再生电力生产氢，如顺利，可能在2035年实现工业化。
从国内看，氢能价值的提高，越来越多的钢企和独立焦化企业重新审视焦炉煤气价值，进行副产制氢。焦炉煤气以往在钢厂主要作为热源用来燃烧加热，对于独立焦化厂主要用来供给市政燃气。随着国内经济进入低碳发展时期，氢能在代碳、减碳方面的价值凸显，越来越多的企业重新审视焦炉煤气价值，近年来包括中国宝武、鞍钢集团、河钢集团等钢铁企业，以及中国旭阳、美锦能源、山西郑旺等独立焦化企业都在推进焦炉煤气副产制氢项目。中国宝武另辟蹊径，与中核集团、清华大学签订核能制氢合作项目，目前进展顺利，已建成了产氢能力100标升/小时规模的台架并实现86小时连续运行[2-3]。
三、应用焦炉煤气提取的灰氢具有较好的减碳作用[4]
(一）灰氢炼铁，理论上可减少碳排放20%
采用传统的高炉炼铁技术，吨铁二氧化碳排放量约1.232吨。
煤热解产生焦炉煤气，其中氢气的体积分数为60%左右，常用多级变压吸附工艺从焦炉煤气中提取高纯度氢气。炼焦过程的产品有焦炭、焦炉煤气、焦油、粗苯等。因此，炼焦过程消耗的能源和碳排放需要按照国际标准《ISO 14044环境管理·生命周期评价 要求和导则》在产品之间进行分配。在相关文献的数据基础上，对电力排放因子进行了更新，煤热解制备1公斤氢气的碳排放量为5.48公斤，其中直接碳排放为3.05公斤，消耗电力、蒸汽、水产生的间接碳排放为2.43公斤。如采用气氢管道输送，每标方氢气的耗电量不到0.1千瓦时，折合碳排放量0.0581公斤。因此，煤热解制氢+管道输氢的碳排放量为5.54公斤二氧化碳/公斤氢气[5]。
按照理想的状态，假设还原和加热铁矿石都采用焦炉煤气提取的灰氢，目前还原1吨铁大约需要500标方—550标方氢气，加热需要500标方氢气，那么制备1吨直接还原铁需要约93.75公斤氢气，相应的碳排放量为519.38公斤二氧化碳。考虑到后续炼钢时还需要先将直接还原铁熔化，而熔化1吨直接还原铁又需要耗电700千瓦时—800千瓦时，相应会增加碳排放464.8公斤二氧化碳。那么，用灰氢制备1吨直接还原铁水，碳排放量约984.18公斤二氧化碳。
可见，制备相近品质的铁水，即使采用灰氢，理论上仍可降低高炉工序近20%的碳排放量。
(二）灰氢重卡，理论上可减少碳排放21%
49吨柴油发动机车型百公里油耗在32升左右，1升柴油约为0.86公斤，而1吨柴油的碳足迹为3.82吨二氧化碳，那么百公里碳足迹为105公斤二氧化碳。
在相关文献的数据基础上，对电力排放因子进行了更新，分别测算煤炭生产、煤炭运输、煤热解制氢（含变压吸附提氢）、氢气压缩、气氢拖车运输、氢气加注环节的碳排放量，折合1公斤氢气的碳排放量分别为1.65公斤、0.03公斤、5.48公斤、0.6391公斤、0.4648公斤、0公斤，即送到加氢站的灰氢的碳足迹为8.2639公斤二氧化碳/公斤氢气。
通过氢燃料电池汽车的技术进步，车辆的综合氢耗水平有望逐步下降。根据我国节能与新能源汽车技术路线图，49吨载重量重卡的百公里氢耗将从目前的10公斤氢气/100公里分别降至2025年的8公斤/100公里，2030年的7.5公斤/100公里水平。那么，重卡使用灰氢，当前100公里车程的碳足迹约82.639公斤二氧化碳。
可见，对于49吨载重量重卡，即使采用灰氢，理论上仍可降低单位车程的碳足迹近21%。
四、存在问题
当前，钢铁企业发展氢能产业，还存在一些障碍[4-6]。
一是技术尚不成熟。国内外已有试验经验表明，全氢直接还原技术存在客观障碍，也存在经济上的挑战，暂无法实现。氢冶金技术上，需要攻克在更大容积的竖炉中开展全氢还原技术，实现规模化、高效率的生产；能源上，需要降低可再生能源制电的成本并提高稳定性。
二是灰氢的价格并不低。氢冶金方面，目前，我国大多数高炉的燃料比在530-540公斤/吨，按单位燃料价1.8元/公斤，则传统高炉的燃料成本在954-972元/吨。据测算，焦炉煤气制氢的综合成本介于9~15元/公斤。那么，全氢气炼铁的燃料成本约1400元/吨，氢冶金的成本远高于传统的高炉-转炉长流程工艺。重卡方面，49吨柴油发动机车型百公里油耗在32升左右，0号柴油价格不到8元/升，百公里油费约256元。在储运及加注环节，长管拖车气态储运成本约8元/公斤，加注成本约11元/公斤。在不考虑补贴的情况下，即使按照成本价算，氢能重卡百公里耗氢的费用也要超过柴油重卡。据不完全统计，当前我国氢气终端销售价格为50-80元/公斤，如按照市售氢价，超过500元，远高于柴油重卡。预计2024年前后，氢能重卡的全生命周期成本将与柴油车基本持平。
三是绿色度不够。焦炉煤气制氢过程产生的碳排放包括两部分，一部分是焦炉煤气吸附后，剩下的甲烷替代氢气燃烧产生的碳排放，另一部分是焦炉煤气变压吸附提氢的能耗产生的碳排放。目前，焦炉煤气制备氢气，碳足迹比“清洁氢”的碳足迹4.9公斤二氧化碳/公斤氢要高出不少。
四是焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。自2018年发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》以来，国内重点地区如河北、山东、河南等地大力推进焦炉淘汰工作。根据上海钢联统计，截至2021年国内焦炭产能5.26亿吨，2018年以来减少了4000万吨。2021年，我国焦炭产量4.64亿吨，同比减少 2.2%。“十四五”焦化行业面临节能降碳压力和下游钢铁行业产量压减的影响，国内焦炭产量将进入平台区，焦炉煤气制氢将受到炼焦产能减少的影响。
五、建议
“双碳”背景下，钢铁企业面临巨大的减排压力，同时也面临着经济绿色低碳转型的压力，应统筹好发展和减排的关系、短期目标和长期目标的关系。
快，加速布局氢能重卡赛道。柴油车对环境的影响是长期存在的突出问题。柴油车尾气对PM2.5的贡献很大。据统计，柴油货车保有量虽然只占全国汽车总量的7.9%，但其一氧化碳、碳氧化合物、氮氧化物、颗粒物的排放量却分别占汽车排放总量的10%、18.8%、60%、84.6%以上。一方面，服务自身物流运输。钢铁企业物流量大，每个钢厂都有大量汽柴油车，如河北钢铁集团就有两万多辆。另一方面，服务社会。在港口、码头、工业园区等区域，重型柴油车密集，如曹妃甸港、黄骅港、连云港、张家港、青岛港都是重化工业聚集地区。唐山港每年有一亿多吨钢的物流量，黄骅港服务的邯郸地区也是五、六千万吨钢，柴油车密集。“柴改氢”要优先在港口和港口城市开展，优先发展氢能商用物流车。
慢，在技术尚不成熟的氢冶金赛道，结合自身资源禀赋条件和技术优势，加大研发投入，蓄势待发，不急于投资建设。当前，无论技术成熟度还是经济可行性，国内还不具备大规模发展氢基竖炉的条件，短期内国内仍将以长流程为主导，高炉富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放可行的方案，预计2030年左右，可能会迎来高炉富氢碳循环技术改造的高峰期；对具备电力、煤炭资源优势的企业可先行先试开发氢基竖炉工艺，为今后国内大规模推广积累技术、人才等经验。未来，随着可用废钢的增加、电弧炉占比的提升、绿电和绿氢变得更加低廉可及，全氢冶金将迎来较大发展空间[4-6]。
六、结语
应用焦炉煤气提取的灰氢具有较好的减碳作用：灰氢炼铁，理论上可减少碳排放20%；灰氢重卡，理论上可减少碳排放21%。当前，氢能产业链技术尚不成熟，灰氢的价格并不低，绿色度不够，焦炉煤气制氢受到炼焦产能减少的影响。钢铁企业发展氢能产业，急不得也缓不得。
参考文献
[1]甘晓靳.可持续炼钢——氢在钢铁工业未来发展潜力的战略评估[N].世界金属导报，2021-04-27(B14).
[2] 国家发布重磅规划!多家钢企全面布局![EB/OL].搜狐网,2022-03-31.
https://www.sohu.com/a/534161530_120568484.
[3] 陈程,宋绍旗,陈培敦.我国钢企应如何融入氢能产业链？[EB/OL].中国钢铁新闻网,2021-05-28.
http://www.csteelnews.com/xwzx/jrrd/202105/t20210528_50620.html.
[4] 张建红.钢铁企业发展氢能产业不能急也不能缓[N].中国改革报. 2022-11-02(07).
[5] 罗仁英.煤制氢气生命周期碳足迹研究[D].中国石油大学硕士学位论文.2020.
[6] 张建红.钢铁企业发展氢能产业,急不得也缓不得[EB/OL].新华财经-中国金融信息网,2022-10-27.
https://www.cnfin.com/cy-lb/detail/20221027/3731293_1.html.
注：本文部分内容发表在2022年10月27日新华财经客户端，原文标题《钢铁企业发展氢能产业，急不得也缓不得》。本文在原文基础上对标题、内容和结构进行了较大幅度的改动。文中图片来源于网络。