核能制氫-冶金應(yīng)用耦合技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

饒文濤 魏 煒 蔡方偉 楊建夏 李文武

寶武清潔能源有限公司

0 前言

目前，中國(guó)風(fēng)電、光伏總發(fā)電量占比約10%，核電占比約5%，有人認(rèn)為僅僅依靠大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能及其它低碳能源，就可以滿足世界日益增長(zhǎng)的能源需求，同時(shí)達(dá)成溫室氣體大幅減排的目標(biāo)。但是考慮到風(fēng)、光電建設(shè)中對(duì)場(chǎng)地的巨大需求，還有就是其與生俱來(lái)的不穩(wěn)定性，如果沒(méi)有核能等高強(qiáng)度、穩(wěn)定能源的快速增長(zhǎng)，以及與節(jié)能技術(shù)的結(jié)合，全球性的減排目標(biāo)是很難實(shí)現(xiàn)的。

核能的發(fā)展需要更加安全的核技術(shù)，新反應(yīng)堆的建造成本必須比現(xiàn)在更低，建造起來(lái)更加容易和快速，對(duì)外部威脅的防范能力更強(qiáng)，才能更好地適應(yīng)國(guó)家的具體需求，且能更好地與正在迅速發(fā)展變化的供電電網(wǎng)特征相兼容和匹配。目前的供電電網(wǎng)正在接受先進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)的改造，供電網(wǎng)絡(luò)不得不接受日益增長(zhǎng)的間歇性的風(fēng)能和太陽(yáng)能裝機(jī)容量的加入，核能電加入電網(wǎng)的難度更小，每單位低碳電力所需的投資也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)能和太陽(yáng)能，非常有競(jìng)爭(zhēng)力。

本文首先對(duì)核能新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，接著介紹了核能制氫的新技術(shù)，然后對(duì)氫能在鋼鐵行業(yè)的可能應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析，最后得出核能制氫與冶金應(yīng)用耦合是一條可行之路的結(jié)論。

1 核能新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為了實(shí)現(xiàn)核能的可持續(xù)發(fā)展,核能界提出了第四代核能系統(tǒng)的概念,即利用已經(jīng)大規(guī)模商用的核電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出更安全、經(jīng)濟(jì)性更好的核能系統(tǒng)。由世界主要核電國(guó)家(美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、韓國(guó)、加拿大、中國(guó)等)組成的第四代國(guó)際論壇于2002年提出了6種第四代反應(yīng)堆堆型。

第四代核能系統(tǒng)的發(fā)展不僅可以為更多利用核電創(chuàng)造條件,而且也可以為核能在電力生產(chǎn)之外的領(lǐng)域應(yīng)用開(kāi)辟道路。

按照技術(shù)特點(diǎn)與運(yùn)行方式可以分為6種類(lèi)型。

1）水冷陸地小型反應(yīng)堆。發(fā)展自并網(wǎng)發(fā)電的輕水反應(yīng)堆和重水反應(yīng)堆，這種技術(shù)是相對(duì)而言最為成熟的，代表的產(chǎn)品有美國(guó)的Nuscale和中核集團(tuán)ACP100。

2）水冷海上小型反應(yīng)堆。能夠被部署在海上或者通過(guò)駁船固定電站的形式或者水下電站的形式呈現(xiàn)，這種反應(yīng)堆相對(duì)比較靈活。中廣核ACPR50S，俄羅斯KLT-40S浮動(dòng)核電站已經(jīng)在2020年5月投入使用。

3）高溫氣冷小型反應(yīng)堆。運(yùn)行溫度超過(guò)750℃，因此能夠有更高的用電效率。清華大學(xué)HTR-PM（210MW）于2021年投入使用。

4）快中子小型反應(yīng)堆。俄羅斯BREST-OD-300正在建設(shè)，預(yù)計(jì)2026年投產(chǎn)。

5）熔鹽小型反應(yīng)堆。由于熔鹽的內(nèi)在特性和低溫單相冷卻系統(tǒng)能夠避免大范圍的污染，因此這種反應(yīng)堆的安全系統(tǒng)高，而高溫的反應(yīng)環(huán)境，也使得發(fā)電效率高和燃料循環(huán)更加靈活。中科院上海應(yīng)用物理所smTMSR-400正在設(shè)計(jì)階段。

6）微型小型反應(yīng)堆。通常發(fā)電功率小于10 MW，可以使用多種冷卻液，甚至可以使用熱管進(jìn)行導(dǎo)熱。微型反應(yīng)堆未來(lái)有希望在專(zhuān)門(mén)的供電場(chǎng)所使用，包括偏遠(yuǎn)地區(qū)、挖礦、漁業(yè)，用于替代柴油發(fā)電機(jī)，代表有美國(guó)西屋eVinci（2~3．5 MW）。

在這6種堆型中，超/高溫氣冷堆的堆芯出口溫度為850~1 000℃，具有固有安全性、高出口溫度、功率適宜等特點(diǎn)，是核能制氫最具商業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)。

未來(lái)的核能系統(tǒng)分成兩大類(lèi)型：采用閉合循環(huán)的快中子堆,以便在實(shí)現(xiàn)持久的電力生產(chǎn)的同時(shí),使鈾的需求和長(zhǎng)壽命高放廢物的負(fù)荷最??；高溫氣冷堆（HTR-PM，High Temperature Gas-cooled Reactor Demonstration Plant),使核能生產(chǎn)延伸到為工業(yè)提供高溫工藝熱,用于制氫和生產(chǎn)合成燃料。

高溫氣冷堆技術(shù)國(guó)內(nèi)已有樣板工程，清華牽頭的HTR-PM技術(shù)200 MW高溫氣冷堆示范工程運(yùn)行許可證獲批，項(xiàng)目取得重大進(jìn)展，今年有望實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。中國(guó)工程院正在開(kāi)展高溫氣冷堆與山西廢棄礦井利用相關(guān)的戰(zhàn)略研究。高溫氣（氦氣）冷堆是我國(guó)自主研發(fā)的新一代核反應(yīng)堆，通過(guò)高溫氣冷堆提供的高溫，為大規(guī)模、低成本氫氣制備技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供了一條路徑，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化石燃料產(chǎn)蒸汽、產(chǎn)氫氣的替代，從而可能大幅降低冶金、化工等行業(yè)的碳排放。

目前，核能技術(shù)正處于1．0時(shí)代，即從當(dāng)前到2030年左右，主要的創(chuàng)新集中在降低現(xiàn)有核能技術(shù)的運(yùn)行和維護(hù)成本，以及延壽等方面。第二階段，也是更為關(guān)鍵的階段，從2030年左右開(kāi)始，屆時(shí)大規(guī)模的燃煤（電站）退役，核電站數(shù)量將大幅增加，進(jìn)入核能2．0時(shí)代。這段時(shí)間內(nèi)主要致力于先進(jìn)核反應(yīng)堆以及燃料技術(shù)的商業(yè)化，取代傳統(tǒng)的基負(fù)荷容量。與電網(wǎng)中（相比現(xiàn)在）更大容量的間歇性可再生能源相比具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)允許用戶自主選擇。核能滲透到更廣泛的能源市場(chǎng)，包括工業(yè)過(guò)程熱、脫鹽、運(yùn)輸領(lǐng)域的燃料生產(chǎn)等。第三階段，核能3．0時(shí)代，在2050年前后，屆時(shí)更多的先進(jìn)核能技術(shù)將得到廣泛部署，以實(shí)現(xiàn)更低的碳排放要求。

2 核能制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[1~4]

2.1 主要的核能制氫技術(shù)

核能制氫在研的幾條技術(shù)路線包括生物質(zhì)熱化學(xué)制氫、熱化學(xué)碘硫循環(huán)制氫、高溫固體氧化物電解制氫、甲烷（高溫）重整制氫等，通過(guò)對(duì)其研究現(xiàn)狀、工業(yè)化可實(shí)現(xiàn)度、碳減排、經(jīng)濟(jì)性等評(píng)估，將生物質(zhì)熱化學(xué)制氫、甲烷重整制氫規(guī)劃為近期工業(yè)化的重點(diǎn)突破方向，熱化學(xué)碘硫循環(huán)（熱解）制氫、高溫固體氧化物（電解）制氫為長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)目標(biāo)。

能夠與制氫工藝耦合的反應(yīng)堆可有多種選擇,但從制氫的角度來(lái)看,制氫效率與工作溫度密切相關(guān)。為了獲得高制氫效率,應(yīng)該選擇出口溫度高的反應(yīng)堆堆型。高溫氣冷堆(出口溫度700～950℃)和非常高溫氣冷堆(出口溫度950℃以上)是最適宜的選擇。新一代核氫技術(shù)=高溫氣冷堆+碘硫循環(huán)制氫。

國(guó)內(nèi)的樣板工程600 MW高溫氣冷堆的連云港化工園供蒸氣項(xiàng)目已完成可行性研究。按2．5 MW水電槽供氫500 Nm3/h計(jì)，百萬(wàn)噸氫冶金工廠小時(shí)需氫量為10萬(wàn)Nm3,配套的水電解裝機(jī)功率為500 MW。之前做過(guò)的核算認(rèn)為一臺(tái)600 MW的高溫氣冷堆機(jī)組可滿足180萬(wàn)t鋼對(duì)氫氣、電力及部分氧氣的能量需求，每年可減排約300萬(wàn)t CO2，減少能源消費(fèi)約100萬(wàn)tce，目前看600 MW的HTR-PM機(jī)組滿足百萬(wàn)噸氫冶金工廠的用氫是沒(méi)有問(wèn)題的。我國(guó)已建成并運(yùn)行10 MW高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，200 MW高溫氣冷堆商業(yè)示范電站于2020年建成投產(chǎn)，中核集團(tuán)聯(lián)合清華大學(xué)已啟動(dòng)600 MW高溫氣冷堆商用核電站的項(xiàng)目實(shí)施工作，并已基本完成其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和評(píng)審，已啟動(dòng)廠址選擇工作。

2.2 與其它制氫技術(shù)比較

按全綠氫（90%）冶煉測(cè)算，百萬(wàn)噸級(jí)綠氫冶金鋼廠對(duì)綠氫的需求量為100 000 Nm3/h，消耗指標(biāo)為750 Nm3/t鋼，考慮如下三種制氫方案。

1）天然氣（NG）制氫。天然氣制氫的成本約為1．97元/Nm3（天然氣按照2．5元/m3測(cè)算），存在少量CO2排放。

2）核電制氫。核電電解水制氫成本，按照核電上網(wǎng)電價(jià)0．43元/kWh計(jì)算，加上制氫站折舊、維護(hù)以及輸送成本等其它費(fèi)用（約0．3元/Nm3），氫氣成本接近2．5元/Nm3。

3）風(fēng)電、光伏制氫。按風(fēng)力、光伏電解水制氫成本+輸送成本（0．1元/Nm3）測(cè)算，低谷電價(jià)0．336 3元/kWh時(shí)，制氫成本為1．83元/m3。

從成本與資源情況進(jìn)行分析，目前國(guó)內(nèi)風(fēng)力、光伏電價(jià)格約為0．35元/kWh，隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力、光伏發(fā)電的成本有望降到0．15~0．2元/kWh，電解水制氫的成本將進(jìn)一步降低。據(jù)中國(guó)網(wǎng)財(cái)經(jīng)6月22日訊報(bào)道，寶豐能源國(guó)家級(jí)太陽(yáng)能電解水制氫綜合示范項(xiàng)目綠氫綜合成本為1．34元/Nm3，隨著技術(shù)的不斷更新和公司自有折舊資金的投入，可再生能源制氫成本可降至0．7元/Nm3，與化石能源制氫成本相當(dāng)，達(dá)到行業(yè)最好水平。從目前情況推斷，未來(lái)幾年風(fēng)力、光伏發(fā)電的成本有望降0．2元/kWh以下，風(fēng)力、光伏電制氫成本降至1．16元/Nm3以下是可能的。核能要在經(jīng)濟(jì)性上具有競(jìng)爭(zhēng)力，在短期內(nèi)看只有生物質(zhì)熱化學(xué)制氫、甲烷重整制氫具有可能性，熱化學(xué)碘硫循環(huán)（熱解）制氫、高溫固體氧化物（電解）制氫可以規(guī)劃為長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)目標(biāo)。

3 核能在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景分析[5~12]

目前，國(guó)內(nèi)外的鋼鐵企業(yè)已經(jīng)就氫能源在鋼鐵流程的應(yīng)用進(jìn)行了多方探索，表1為目前國(guó)際上主要的氫冶金應(yīng)用示范場(chǎng)景項(xiàng)目。

表1 目前國(guó)際上主要的氫冶金示范工程

3.1 核能電替代制備電廠

綠電化、綠氫化將滲透到所有行業(yè)，鋼鐵行業(yè)也面臨這個(gè)轉(zhuǎn)化，從表2可見(jiàn)，鋼鐵廠目前的噸鋼電耗在206．46~794．09 kWh,平均約為500 kWh/t，根據(jù)測(cè)算如果將制備氫氣的電也計(jì)入噸鋼電耗，噸鋼電耗需求可達(dá)5 385 kWh/tce，目前鋼廠電氣化率不到10%，可見(jiàn)鋼廠對(duì)電力的需求空間巨大。

表2 2020年中鋼協(xié)噸鋼工序能耗及噸鋼用電量 單位：kgce/t

鋼廠目前主要通過(guò)“自發(fā)電量”或自發(fā)電+大用戶直購(gòu)電電量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)用低價(jià)電，最多的甚至可以實(shí)現(xiàn)覆蓋企業(yè)90%以上的用電量。

自發(fā)電目前主要采用鋼企內(nèi)部生成的余熱、余壓、余氣等“三余”作為原料，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)保效益得以增強(qiáng)。鋼鐵行業(yè)整體自發(fā)電率已達(dá)到50%左右，部分先進(jìn)的鋼企已經(jīng)達(dá)到了80%以上。公開(kāi)資料顯示，首鋼京唐自發(fā)電比例超80%，山鋼日照約85%，陽(yáng)春新鋼鐵達(dá)到85%以上，華菱湘鋼約67%，包鋼股份為58．72%。其發(fā)電技術(shù)、運(yùn)行都已比較成熟，且投資成本回收也比較快。自備電廠目前存在的主要問(wèn)題是單機(jī)容量受限制。國(guó)家電力系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電企業(yè)單機(jī)容量均在600 MW以上，目前1 000 MW是主力機(jī)組，而自備電廠單機(jī)容量普遍較小，在60~200 MW左右。發(fā)電機(jī)組越小，效率越低，故而發(fā)電成本越高，這是目前自備電廠運(yùn)營(yíng)最大的限制。

從目前鋼廠自發(fā)電三大能源來(lái)源看，均是越來(lái)越少，自發(fā)電面臨無(wú)米下炊的窘境。首先是回收的可燃?xì)怏w，主要是焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐和高爐煤氣，隨著焦炭使用量的減少，煤氣在減量。第二是余熱，各工序用于設(shè)備、產(chǎn)品冷卻的余熱及加熱爐產(chǎn)生的高熱煙氣、廢氣等，如燒結(jié)余熱、焦炭余熱、加熱爐煙氣余熱等。隨著富氧燃燒等技術(shù)的推廣及使用，煙氣也在減量。第三是余壓，如高爐爐頂余壓等，隨著豎爐的使用，高爐的余壓也在減少。傳統(tǒng)制備電廠面臨無(wú)米下鍋，小型核電的單機(jī)容量已經(jīng)接近自發(fā)電200 MW的容量，提供了電網(wǎng)購(gòu)電外的另外一種選擇。

核能電替代自發(fā)電是核能在鋼廠使用的一個(gè)重要的場(chǎng)景，核能替代自發(fā)電廠需要從五個(gè)方面考慮其可行性：技術(shù)屬性，運(yùn)行年份、裝機(jī)容量、鍋爐燃燒技術(shù)、應(yīng)用范圍；盈利能力，年度毛利潤(rùn)、使收支平衡的利用小時(shí)、使收支平衡的煤炭?jī)r(jià)格；環(huán)境影響，CO2排放、空氣污染及健康影響、水資源影響；電網(wǎng)穩(wěn)定性，能源結(jié)構(gòu)、間歇性可再生能源；公平性，退役速度、資產(chǎn)擱淺、就業(yè)。

3.2 高爐富氫還原實(shí)驗(yàn)

在現(xiàn)有的大型高爐上使用噴氫減碳，是氫冶金的主要場(chǎng)景之一，目前面臨三大問(wèn)題。

1）氫氣供給量受限

高爐內(nèi)的主要的鐵礦石還原反應(yīng)，主要是CO氣體將氧化鐵(鐵礦石)還原而生成金屬鐵，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)。通過(guò)氫氣將氧化鐵還原是吸熱反應(yīng)。因此，如果沒(méi)有風(fēng)口供給氣體，從高爐爐身部?jī)H供給氫氣，則在熱量上無(wú)法完全進(jìn)行高爐內(nèi)的鐵礦石還原，氫氣從爐身部的供給量相對(duì)于風(fēng)口供給氣體量，被限制為很小的值。像這樣將少量的氫氣直接從高爐爐身部供給的情況下，鐵礦石的氫還原僅在該區(qū)域發(fā)生。如果在爐壁附近氫氣濃度過(guò)剩，則由于鐵礦石的氫還原，使氣體溫度急劇下降，無(wú)法維持還原所需的溫度，因此為了確保爐壁附近適當(dāng)?shù)臍錃鉂舛?，可供給的氫氣供給量，僅允許小于上述上限的值。所以，由于氫氣供給量的制約，存在無(wú)法設(shè)定足夠高的高爐內(nèi)的氫還原的比率的問(wèn)題。

2）制造氫氣時(shí)生成的CO2的問(wèn)題

3）還原氣體成分

關(guān)于向高爐爐身部供給還原氣體，現(xiàn)有技術(shù)中認(rèn)為只要以高濃度含有氫氣即可，但實(shí)際上為了向高爐爐身進(jìn)行供給從而在高爐內(nèi)使氫冶煉順利地持續(xù)進(jìn)行，并且削減高爐中生成的CO2，在還原氣體的成分組成方面有嚴(yán)格的限制。許多技術(shù)提出了將不優(yōu)選的氣體種類(lèi)的還原氣體向高爐爐身部供給，這樣的方法無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行操作，或者無(wú)法削減高爐中生成的CO2。具體可結(jié)合圖1理解。

圖1 高爐噴氫量的理論值

3.3 全氫、全氧高爐場(chǎng)景

小型全氫、全氧高爐使用氫冶金是煉鐵工序另外一個(gè)重要的使用場(chǎng)景，具體見(jiàn)圖2，其基本的原理就是利用現(xiàn)有的設(shè)備，盡可能多地使用氧氣、氫氣，實(shí)現(xiàn)減碳。

圖2 氫、氧高爐原理示意圖

技術(shù)路徑是將氧氣高爐頂煤氣中的CO2提取，然后加入等量的氫氣，將新的混合氣，吹入后BF中實(shí)現(xiàn)頂煤氣循環(huán)。其中，氫氣的加入量，可以進(jìn)行如下的簡(jiǎn)要計(jì)算，CO:43%=3 018 kcal/m3＊43%=1 298 kcal/m3，H2:56%=2 576 kcal/m3＊56%=1 442 kcal/m3，N2：1%，混合氣熱值=2 740 kcal/m3H2加入量=1 173 Nm3/TFe×48%=563 Nm3/TFe。

3.4 氫基豎爐應(yīng)用場(chǎng)景

氫基豎爐可以最大化地使用氫能，其工藝流程比較簡(jiǎn)潔（見(jiàn)圖3），無(wú)需頂煤氣CO2脫除裝置和煤氣重整爐，主要設(shè)備為豎爐、兩段式加熱爐、煤氣洗滌器和加壓機(jī)。H2消耗約為650 Nm3/tDRI(54 kg H2/tDRI，含加熱消耗)，進(jìn)入豎爐還原需要加熱至1 000℃。對(duì)于年產(chǎn)100萬(wàn)t DRI產(chǎn)品的直接還原豎爐，大約需要?dú)錃?．5億Nm3/年。

圖3 氫基豎爐工藝流程圖

4 結(jié)論

以高溫氣冷堆HTR-PM技術(shù)為代表的核能技術(shù)可以提供廉價(jià)、穩(wěn)定的熱和電，結(jié)合制氫技術(shù)，能為鋼廠提供廉價(jià)氫氣，助力鋼廠實(shí)現(xiàn)氫冶金。在具體實(shí)施時(shí)，小型氣冷堆等核能制氫技術(shù)，需要分步實(shí)施，在近期內(nèi)結(jié)合核能熱電的生物質(zhì)制氫等技術(shù)可能更具有經(jīng)濟(jì)性，遠(yuǎn)期熱化學(xué)碘硫循環(huán)（熱解）制氫、高溫固體氧化物（電解）制氫等將成為主流。核能氫在鋼廠的自發(fā)電廠替代、大型高爐噴氫、小型高爐全氧/全氫冶煉、全氫豎爐等領(lǐng)域都具有應(yīng)用的前景。核能制氫-冶金應(yīng)用耦合技術(shù)，無(wú)論對(duì)于鋼廠還是核電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都意義重大。