中核集团:“核能制氢”力助“氢能炼钢”,炼钢零排放时代来临

引言:钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业,以低碳、零碳发展理念加快实施绿色化改造升级,发展节能环保、可再生能源等新兴技术,是加快实现钢铁行业实现新旧动能转换的重要方式,氢能与钢铁行业的结合正是一个良好的示范。

引言:钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业,以低碳、零碳发展理念加快实施绿色化改造升级,发展节能环保、可再生能源等新兴技术,是加快实现钢铁行业实现新旧动能转换的重要方式,氢能与钢铁行业的结合正是一个良好的示范。


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我国钢铁工业二氧化碳排放量约占全国二氧化碳排放量的15%,占全球钢铁行业碳排放量的60%以上!降低二氧化碳排放一直是我国钢铁企业的重大任务。

根据《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》,要求在“十三五”期间能源消耗总量和污染物排放总量分别下降10%和15%以上。随着环保要求日渐严格,钢铁企业的减排压力只会越来越大。

对此,中核集团提出了“核能制氢”与“氢能冶金”结合的方式,通过“核能冶金”来解决氢气成本高、炼钢减排难的问题。

1、核能制氢与氢能冶金已经具备基础条件

中核集团:“核能制氢”力助“氢能炼钢”,炼钢零排放时代来临


3月8日,中核集团举办了“中核集团‘两会’代表委员记者见面会”,表示目前我国加快发展核能制氢与氢能冶金已经具备基础条件。

“中核集团与清华大学、宝武集团等国内主要相关单位,已经联合开展了核能制氢与氢能冶金结合的前期合作。”中核集团董事长余剑锋在8日中核集团于北京举行的媒体见面会上说。

制氢成本高始终是氢能大规模利用的一道硬伤。现在国内主流的商用加氢站成本大概60元/公斤,面对汽油、柴油和锂电池竞争力并不突出。余剑锋表示,通过“核能制氢”的方式可以得到有效的解决。核能制氢技术研发成功后,制氢成本将比现在降低40%以上。

“核能制氢具有不产生温室气体、以水为原料、高效率、大规模等优点,是未来氢气大规模供应的重要解决方案。”余剑锋介绍,高温气冷堆是我国自主研发的具有固有安全性的第四代先进核能技术,其高温高压的特点与适合大规模制氢的热化学循环制氢技术十分匹配,被公认为最适合核能制氢的堆型。

目前,世界上工业应用的制氢方法以化石燃料重整为主,在制造氢气的同时会产生大量的排放,使得“清洁能源”实际上并不清洁。目前国际上正努力寻找可再生能源制氢的方式,而核能制氢是以水为原料, 以废热为能源,将核反应堆与先进制氢工艺耦合,是未来大规模制氢的重要解决方案。

“核能制氢与氢能冶金结合将成为划时代的技术革命。”余剑锋说,经初步计算,一台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的能量需求,每年可减排约300万吨二氧化碳,减少能源消费约100万吨标准煤,将有效缓解我国碳排放压力,助力解决能源消费引起的环境问题。

“综合来看,我国加快发展核能制氢与氢能冶金已经具备基础条件。”余剑锋说。

2、核能制氢、氢能炼钢国际已有案例,国内需加快研究进度

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如何进行氢能制氢、氢能炼钢的实践,中核集团科技质量与信息化部主任钱天林认为,目前国际上已经实验多年,国内应通过立项相关科研专项,加快氢能炼钢的研究进度。

钱天林在两会上提交了“关于支持核能制氢与绿色冶金列入国家科技重大专项的建议”。他认为,当前发达国家已经在氢能生产与应用领域加快布局,我国需要加大力度在核能制氢及氢能冶金领域进行战略性布局,以赢得未来氢能时代国际竞争的战略制高点。

为此,钱天林建议,将高温气冷堆核能制氢以及氢能冶金列入国家科技重大专项,加大政策支持和投入保障力度;并且尽快落实建设60万千瓦高温气冷堆核能工程。

为了赢得未来氢能时代国际竞争的战略制高点,当前美国、韩国都在大力开展核能制氢技术的研发工作。

早在2009年,韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议(KNHA),正式开始开展核能制氢信息交流和技术研发。美国将核能制氢作为下一代核电站计划(NGNP)的主要组成部分, 因此美国已经开始为未来的核氢设施的建造和运行许可证的审评和发放做准备。美国能源部(DOE)在核能制氢技术研发方面不遗余力地提供资助。

3、中核集团与宝武、清华签约打造核冶金联盟

中核集团:“核能制氢”力助“氢能炼钢”,炼钢零排放时代来临


中核集团已经开始核能制氢、氢能炼钢相关的布局。

在两会之前,1月15日,中核集团就已与中国宝武、清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》,三方将资源共享,共同打造世界领先的核冶金产业联盟。此处的核冶金就是利用核能制氢再用氢气冶金。

在去年10月份,中国宝武、中核集团和清华大学三方启动了共同研究核能技术与冶金制造技术如何协同以及创新技术链与产业链的可行性工作,之后迅速组建联合工作团队制定合作方案,确定工作内容,并完成了合作前景分析报告。

根据此次战略合作框架协议,中国宝武、中核集团、清华大学三方将建立战略合作工作联系会议制度,以“产学研”模式开展深度合作。此次合作将结合中国宝武钢铁产业的发展需求,将核能技术与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合,实现二氧化碳的超低排放,起到行业示范作用。合作各方将加大研发投入,加速关键技术的研究和孵化,争取国家和政府部门的大力支持。

钱天林在两会上提出的议案,就与该战略合作有一定的关系。

宝武集团董事长陈德荣表示,根据核能以及核能制氢的特点与冶金技术深度耦合具有天然优势,实现钢铁企业清洁绿色发展,核能是一个很好的选择。期望三方研发团队未来能够精诚合作,共同推动核冶金工艺技术的革命性突破。

4、核能冶金,韩国、瑞典已在走在前方

(1)POSCO参与核能制氢研究,推进氢还原炼铁法

在炼铁领域,韩国政府将氢还原炼铁法指定为国家核心产业技术,正加紧开发。


早在2009年,韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议(KNHA),正式开始开展核能制氢信息交流和技术研发。

2010年5月,POSCO正式开发着手开发超高温煤气炉(VHTR, Very High Temperature Reactor)和智能原子炉(SMART: System-integrated Modular Advanced Reactor)。VHTR和SMART与氢冶炼技术密切相关,为此POSCO与原子能研究院密切合作,共同开展核能系统和原材料方面的研究。

韩国政府认为,以目前的炼铁技术,到2030年钢铁产业根本无法达到温室气体排放标准,因此必须研发从根本性减少温室气体排放的全新生产技术。

韩国产业部表示,用传统的工艺,通过提高能源效率等方法,最多可以减少3%左右的排放,但如氢还原炼铁工艺开发成功,则可以降低15%以上的二氧化碳排放。

为此,韩国政府从2017年到2023年投入1500亿韩元(约合9.15亿人民币),以官民合作方式研发氢还原炼铁法。

韩国计划将通过以下三步完成氢还原炼铁:

第一步:从2025年开始试验炉试运行;

第二步:从2030年开始在2座高炉实际投入生产;

第三步:到2040年12座高炉投入使用,从而完成氢还原炼铁。

从预计投入资金情况来看,从技术研发到在2座高炉上实际投入生产,需要投入8000亿韩元(约合48.78亿元人民币)的资金,可减少1.6%的二氧化碳排放,在12座高炉实际投入生产,预计需要投入4.8万亿韩元(约合292.68亿元人民币)资金,可减少8.7%的二氧化碳排放。

氢还原炼铁法有以下4项核心技术:

  • 氢气增幅技术:通过焦炉煤气(COG)改质,提高COG中氢含量,使其达到高炉氢还原要求。



  • 实际操作中的全新技术开发:氢气吹入技术、炉内化学反应最佳化技术、难还原矿及低品位矿石还原技术、焦炭\烧结矿\炉渣品质设计技术等等实际操作中需要的全新技术开发非常重要。
  • 超耐热\超耐腐蚀原材料开发:需要先行开发可以储藏高温、高压氢气和在900度以上高温下的超耐腐蚀高温材料。
  • 利用氢气的直接还原铁(DRI)生产技术:开发利用氢气,将铁矿石在固体状态下直接还原成DRI的生产技术,从而使用DRI替代在电炉中使用的高级废钢。

(2)瑞典“氢气炼钢”项目,将颠覆传统高炉、电炉流程

瑞典耗资14亿瑞典克朗(1.5亿美元),启动了一个氢能炼钢项目,目的是成为世界上第一个不用化石燃料炼钢的国家。

该项目总工程师裴文国表示,之所以会想到让瑞典成为“绿色钢铁”先驱,主要是因为他担任技术开发主管的瑞典钢铁集团(SSAB)所面临的风险:如果妨碍了瑞典实现2045年达到碳平衡的雄心壮志,这家公司可能会面临商业模式崩溃。SSAB现有的位于吕勒奥的高炉和钢铁厂每生产一吨钢就排放1.6吨二氧化碳。尽管按全球标准来看很低,但整个炼钢业的排放量占到了瑞典总排放量的十分之一。

由SSAB、瑞典国有铁矿石生产商LKAB、国有大瀑布电力公司(Vattenfall)建立的零碳钢合资企业HYBRIT Development旨在通过抑制焦炭的使用来消除该行业的几乎所有排放。它将利用瑞典丰富的可再生能源,通过电解产生氢气,用氢来生产一种名为“直接还原铁”(DRI)的产品。该公司希望到2024年完成实验阶段,并在截至2035年的十年里进入全面试产。

随着工厂的落成,HYBRIT项目将进入将进入中试阶段;2025年~2035年,HYBRIT项目将进入实证阶段,进行小规模的工业生产;到2045年,SSAB将达成实现非化石能源炼钢的目标。而据国际氢能委员会预计,2050年氢能达到全球能源总需求的18%——HYBRIT项目正好赶在氢能大规模应用时完成。


在许多国家,减少工业排放的首要任务将是鼓励回收利用。但这还远远不够,制作材料的方式也需要改变。HYBRIT的经验可能会提供一个范本。其技术挑战始于这样一个事实:世界上75%的钢,包括SSAB的,都是在高炉中添加焦炭形式的碳以“还原”铁矿石来炼制的。在这种“碱性氧气转炉”系统中,氧化铁和碳反应生成熔铁、一氧化碳和二氧化碳。在替代它的DRI工艺中,使用天然气代替焦炭作为还原剂,来生成海绵铁,然后通过电弧炉将其转化为钢。


还原过程产生了占整个炼钢过程高达90%的碳排放量,HYBRIT曾尝试使用碳捕获和存储(CCS)来去除高炉中产生的碳排放,但发现它只能捕获约一半二氧化碳,不足以满足瑞典的零排放目标。因此HYBRIT希望停止依赖高炉而改用DRI,并使用氢气而非天然气作为还原剂。该项目认为瑞典的电价会变得足够低,在DRI过程中使用电解氢会比沼气更便宜。

尽管如此,假设电价保持在当前水平,这项工艺可能会让粗钢的价格上涨20%到30%。制氢所需的电量是惊人的。大瀑布公司的米卡埃尔·努德兰德(Mikael Nordlander)表示,如果全面投产,HYBRIT每年将消耗约150亿度电,占瑞典目前供电量的10%。

5、氢能与钢铁产业的合作是双赢

氢能与钢铁产业的合作是双赢的结果:氢能帮助钢铁企业节能减排、延伸业务、完成转型,钢铁企业为氢能提供了更多的落地应用,促进发展。氢能和钢铁是一个互相促进的产业组合。

钢铁行业是去产能、调结构、促转型的重点行业,而氢能行业是处于起步阶段的行业,氢能和钢铁的合作形成了互补,有着良好的示范效应,能够吸引更多行业涉足氢能。氢能产业处于发展的早期,不仅需要努力发展技术,也需要向社会提供更多的想象力,才能引来更多的资金和人才,才能更好地促进产业发展。

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