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解决钢铁工业脱碳难题|直接还原铁氢源方向和技术路径分析与思考

发布时间:2022-03-21 浏览量:

铁工艺主要分为长流程和短流程。长流程即以煤、焦炭为主的高炉炼铁 转炉炼钢;短流程为直接还原铁 电炉炼钢,其中直接还原铁的加入占入炉料的30%-50%,主要作用是降低废钢中的杂质,生产高质量的轧材和优质特钢,同时主要以电代煤作为能源供给,若为绿电生产过程,则更加低碳化。
低碳化的短流程电炉炼钢除用绿电减碳外,另一个低碳化因素是直接还原铁即海绵铁的加入。直接还原铁主要以天然气为原料,生产氢基还原气,通过气基竖炉还原球团铁矿而生成。传统长流程炼钢的吨钢碳排放量约为2吨co2,天然气基直接还原铁 电炉炼钢的吨钢碳排放量约为0.759吨co2
世界直接还原铁生产主要使用天然气为氢源,2020年直接还原铁产量最大的国家为印度,第二名为伊朗,中东、俄罗斯、东南亚以及美国等国家和地区也有产能分布。中国富煤缺油少气,天然气价格高,以天然气为供氢原料生产直接还原铁不具经济性。中国缺少生产直接还原铁所需的氢源,必须找到低碳且价格便宜、量大易获得的氢源才可能解决钢铁工业脱碳难题,所以本文对其氢源方向和技术路径进行了思考和探索。
直接还原铁氢源分析
1 天然气与资源限制
2020年中国天然气产量为1925亿立方米,进口10192.6万吨,相当于1427亿立方米天然气。2020年中国天然气表观消耗量为3289亿立方米,进口约40%以上。进口天然气的价格与中东及周边低天然气价格地区相比,没有成本优势,因此利用天然气生产直接还原铁在经济上难以为继。
2021年全球能源在减碳大潮及新冠疫情的影响下出现短缺,欧洲的天然气价格大幅上涨,有些国家高达10元/立方米以上,许多国家以天然气为氢源的直接还原铁流程也难以为继,面临氢源经济可行性挑战。
2 各类煤气合成气生产直接还原铁情况
各类煤气包括焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气及兰炭煤气,有效成分含有氢气、一氧化碳和甲烷,以此生产合成气与天然气生产合成气技术类似,只是净化和干气转化技术更加复杂和要求高。2021年中国焦炭产能约5.4亿吨,按1吨焦炭生产340m3焦炉煤气计,焦炉煤气产量约为1836亿立方米。
以目前山西中晋太行30万吨/年焦炉煤气生产气基还原铁(图1)工业装置运行数据看,原料气加燃料气生产1吨直接还原铁所耗焦炉煤气约840m3,中国焦炉煤气生产直接还原铁潜能约为2.18亿吨。
解决钢铁工业脱碳难题|直接还原铁氢源方向和技术路径分析与思考中国的现实状况是焦炉煤气被广泛用于民用,发电,生产甲醇、合成氨、乙二醇等化学品,近年用于生产液化天然气和氢气,联合钢铁厂的焦炉煤气还被用于燃料加热蒸汽供能等。要用于直接还原铁生产还需政府与市场双向引导,把这一宝贵氢资源进行充分高值化、低碳化应用。
从地域上看,焦化产能较大的几个中部省份具有竞争优势,特别是山西、河北、河南等地的独立焦化厂拥有更多市场机遇。
3 炼化干气与技术创新
普通燃料型炼厂碳排放的56%来自于燃气加热炉和炼化烟气,42%来自于外供电力与蒸汽,炼厂燃气炉的燃气主要是炼厂各工段副产的干气。
传统的乙烯生产厂采用蒸汽裂解技术生产乙烯和丙烯,1吨乙烯能耗为0.5-0.6吨标油,1吨乙烯约排放2吨co2,生产乙烯所需能量靠燃烧副产的裂解干气外加外供的天然气,裂解干气主要是氢和甲烷。
在双碳目标下,炼油厂与乙烯厂的燃气炉若被绿电电炉替代,即电代蒸汽和电代燃气,将实现炼油厂和烯烃厂的低碳化。若电为光伏风电,绿电供能生产的乙烯产品将为绿电低碳产品,可打破碳壁垒出口欧洲。
2020年中国蒸汽裂解烯烃产能约5000万吨,其中生产乙烯约2700万吨,预计2025年蒸汽裂解烯烃产能达7000万吨以上,乙烯产能达4000万吨。以此可提供2020年生产直接还原铁的氢产能资源1.5亿吨,2025年可达2.1亿吨,电炉钢按30%-50%加入直接还原铁,到2025年可支撑4.2亿-7亿吨/年的短流程炼钢,再加上炼油厂电代燃气置换出的氢资源,可支撑中国短流程炼钢比例达42%-70%,基本达到目前欧美水平。
中国的乙烯工业主要分布在东部沿海,以此氢源与进口铁矿石生产直接还原铁将具有市场竞争力,出口欧美。
4 电解水制氢
绿电电解水制氢,以目前碱性电解水技术约5度电生产1立方米氢气及0.5立方米氧气,最大装置规模为每小时1000立方米氢气。每套装置价格为800-1000万元,中国已有多套装置在运行。
电解水生产氢气用于钢铁工业脱碳,显然在工程技术上已无大的难题,主要问题是制氢的经济性。目前,在中国煤电标杆电价约0.23元/度的情况下,制备1立方米氢气的成本约为1.5元,在中国市场目前难以与各类煤气及炼化干气相竞争,但随着光伏风电技术的进步及电价的下降,电解水制氢将会成为氢冶金的主要氢源,特别是在中国西北五省。
钢铁工业低碳化路径思考
2020年中国氢耗量超过500万吨的有3个产业链,分别为甲醇、合成氨和炼油化工。合成氨与甲醇折氢各约1000万吨,主要以煤为原料制氢;炼油化工耗氢约850万吨,主要是煤焦、干气、天然气及甲醇制氢。生产1吨直接还原铁按需还原气550立方米氢气计,生产1亿吨直接还原铁约需490万吨氢气。
以中国2020年10亿吨钢产量计,转型短流程电炉炼钢,按照30%-50%添加直接还原铁(dri),中国需要dri为3-5亿吨/年,折氢需1500-2500万吨/年,约为目前中国合成氨、甲醇与炼油化工三大产业折氢总和,中国钢铁低碳化转型向氢冶金方向发展,氢资源挑战巨大。
天然气作为氢源,中国资源不具可行性,进口难以有经济性,特别是在全球减碳浪潮下,世界天然气价格走高的概率极大,在中国以天然气生产直接还原铁难有可行性。
以各类煤气特别是焦炉煤气生产直接还原铁来看,中国有2.18亿吨的资源量,在当前转型初级阶段,充分利用现有资源(特别是一些独立焦化厂甚至仍在火炬排放),在中国碳排放约束和产业政策引导下,利用焦炉煤气生产直接还原铁,在中国中部一些省份特别是山西、河北、河南等地具有竞争优势。此技术核心已攻克,在山西左权已完成100万吨/年焦化配套30万吨/年直接还原铁的工业示范。
以电代燃气置换炼油和烯烃生产副产的干气用于直接还原铁生产,适合于中国未来中期的钢铁低碳化转型氢源,特别是适合于中国东部沿海,从北部渤海湾如曹妃甸到山东日照、江苏张家港、广东湛江及海南岛。以进口高品位铁矿石和进口石油,利用沿岸风电或特高压绿电开发世界级的低碳绿色钢铁生产基地,是中国钢铁工业转型升级的战略优先选择,两大初级原料铁矿石和石油受限条件小、成本低、规模空间大。另一个主要资源——低碳绿电,正是中国政府大力促进的产业,东部沿岸风电及西部绿电特高压东输具有支撑这一战略的雄厚基础。
本研究团队于2007年开始攻关电代燃气及电烯氢技术,已到工业示范阶段,计划2022年在山东东营和甘肃玉门进行工业示范,2021年已完成工艺包初步设计。该成套技术重构了中国的电力、炼化和钢铁产业,通过再电力化使炼化脱碳的同时,置换出的干气氢资源用于钢铁工业脱碳,使中国炼化产业更加一体化、高值化,而中国钢铁工业在东部沿海获得了低成本的氢源,因此更具有经济性和全球市场竞争力。这一产业模式还可复制到中东地区,即光伏风电、石油和铁矿石都易获得的地区。
电解水制氢用于直接还原铁生产适用于布局中国钢铁工业远期规划,主要是在西部五省利用光伏风电电解水制氢,生产“零碳”甚至“负碳”的直接还原铁,如欧洲一些钢铁公司目前示范展示的项目,西部五省生产的绿色钢铁通过中欧班列出口到欧洲,打破欧洲的绿色关税壁垒。据报道,欧洲将于2023年立法对进口钢铁产品征收100欧元/吨的碳边境调节税,2021年12月份欧洲的碳排放交易价格已达90欧元/吨。低碳钢铁是世界发展大趋势,也是中国工业创新转型目标,同时也是国际贸易战的工具。
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