鋼鐵行業(yè)氫冶金技術(shù)的替代潛力與經(jīng)濟(jì)性分析——以廣東為例*

鄭勵(lì)行，董耿林，汪 鵬，趙黛青,?

鋼鐵行業(yè)氫冶金技術(shù)的替代潛力與經(jīng)濟(jì)性分析——以廣東為例*

鄭勵(lì)行1,2，董耿林1,3，汪 鵬1，趙黛青1,2,?

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 能源科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510640）

氫冶金是鋼鐵行業(yè)降低碳排放的變革性技術(shù)，對(duì)工業(yè)部門深度脫碳具有重要意義。廣東省的鋼鐵產(chǎn)能占全國(guó)的4%，是中國(guó)鋼鐵產(chǎn)能布局較多的地區(qū)，鋼鐵行業(yè)能耗在全省終端能耗中的占比為4.6%，碳排放在全省碳排放總量中的占比達(dá)到17%，因此鋼鐵行業(yè)深度脫碳將直接影響廣東省碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。另一方面，廣東省是全國(guó)最早推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的省份，多種制氫路線的研發(fā)和示范已有許多實(shí)際案例。分析廣東省2020—2035年的粗鋼產(chǎn)量變化，對(duì)廣東省未來(lái)可實(shí)現(xiàn)的制氫技術(shù)路線和產(chǎn)氫能力進(jìn)行研判，在此基礎(chǔ)上，對(duì)采用氫作為還原劑替代焦炭的氫冶金工藝產(chǎn)生的能耗、碳排放和成本進(jìn)行了不同情景分析。結(jié)果表明，氫冶金技術(shù)能夠促使廣東省鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放大幅減少，2035年在替代情景（氫冶金技術(shù)替代率為21.2%）下，與基準(zhǔn)情景相比，廣東鋼鐵行業(yè)的能耗可以降低2.3%，二氧化碳排放減少10.9%。

煉鋼；氫冶金；制氫；情景分析

0 引 言

全球范圍內(nèi)的升溫已經(jīng)威脅到人類生命安全及可持續(xù)發(fā)展，減排溫室氣體以減緩氣候變化已成為全球共識(shí)。鋼鐵行業(yè)作為工業(yè)碳排放的主要來(lái)源之一，是節(jié)能減排措施實(shí)施的重點(diǎn)領(lǐng)域，以氫替代焦炭作為還原劑的煉鋼方式是鋼鐵生產(chǎn)低碳化的重要技術(shù)途徑[1]。歐盟鋼鐵行業(yè)在2004年就啟動(dòng)了研發(fā)氫冶金技術(shù)的超低CO2排放煉鋼工藝項(xiàng)目，目標(biāo)是到2050年噸鋼二氧化碳排放比當(dāng)前噸鋼排放最高水平（1.85 t[2]）下降50%。瑞典的突破性氫煉鐵技術(shù)項(xiàng)目通過(guò)在塊礦和球團(tuán)礦的挖掘和制造過(guò)程以及制氫和電弧爐工藝中使用可再生電力，預(yù)期在2035年前實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的零化石能源消耗，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)零碳排放煉鋼[3]，目前，HYBRIT項(xiàng)目已進(jìn)入中試階段。廣東省寶鋼湛江鋼鐵有限公司采用氫基豎爐系統(tǒng)對(duì)高爐煉鋼法進(jìn)行產(chǎn)能置換，預(yù)計(jì)于2023年底完成氫基豎爐系統(tǒng)建設(shè)，直接還原鐵（direct reduced iron, DRI）產(chǎn)能為100萬(wàn)噸/年[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氫能在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用及其可能產(chǎn)生的減排效益做了許多研究。采用水電?電解水的方式制取的氫氣用于煉鋼[5]，可使噸鋼碳排放下降84%，即噸鋼二氧化碳排放為0.3 t[6]。在推廣氫冶金應(yīng)用時(shí)，需平衡焦炭與氫作為還原劑的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、熱平衡和化學(xué)平衡之間的關(guān)系，并需考慮氫冶金的能源利用效率以及生產(chǎn)成本，需要對(duì)兩種煉鋼方案的噸鋼能耗和生產(chǎn)成本進(jìn)行評(píng)估[7]。KUSHNIR等[8]對(duì)瑞典氫冶金技術(shù)的評(píng)估報(bào)告指出，瑞典政府為實(shí)現(xiàn)所承諾的2045年零碳愿景需要大規(guī)模推動(dòng)氫冶金工藝的應(yīng)用。然而，目前氫冶金技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)煉鋼技術(shù)的替代比例仍然較低，姚同路等[9]提出中國(guó)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的技術(shù)路線圖，但當(dāng)前氫冶金技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于“實(shí)驗(yàn)室階段”；張真等[10]對(duì)鋼鐵行業(yè)參與碳交易情況下氫冶金的減碳能力及成本進(jìn)行了評(píng)估；車彥民等[11]對(duì)國(guó)內(nèi)幾種大規(guī)模制氫方式及氫冶金技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估，提出要由焦?fàn)t煤氣逐漸過(guò)渡為低碳?xì)渥鳛檫€原劑的煉鋼工藝。綜上，目前研究明確了氫冶金技術(shù)可有效減少鋼鐵行業(yè)的碳排放，但在綜合了區(qū)域鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際和不同制氫路線的產(chǎn)能潛力的前提下，對(duì)氫能替代的生產(chǎn)成本、能源消耗、碳排放的研究并不充分。

廣東省的鋼鐵產(chǎn)能占全國(guó)的4%，是中國(guó)鋼鐵產(chǎn)能集中地區(qū)。廣東省鋼鐵行業(yè)的能耗占全省終端能耗的4.6%，碳排放占全省總排放的17%，是影響全省實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵行業(yè)之一。本文以廣東省鋼鐵行業(yè)為研究對(duì)象，運(yùn)用情景分析方法，對(duì)廣東省2020—2035年推廣氫冶金技術(shù)替代所產(chǎn)生的噸鋼能耗、噸鋼碳排放等影響進(jìn)行量化評(píng)估，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的分析考慮了氫能技術(shù)和氫冶金技術(shù)的進(jìn)步；對(duì)廣東省2020—2035年的粗鋼產(chǎn)量需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)氫冶金技術(shù)的成熟度、替代成本做量化分析，并考慮了工業(yè)副產(chǎn)物制氫、網(wǎng)電制氫、風(fēng)電制氫、光伏制氫四條制氫路線，對(duì)廣東可能選擇的制氫路線組合以及形成的產(chǎn)氫能力、氫冶金技術(shù)替代率進(jìn)行情景預(yù)測(cè)。本研究可為研究人員及政策決策者把握氫冶金技術(shù)和制氫技術(shù)的進(jìn)步、制定最優(yōu)的鋼鐵行業(yè)碳減排戰(zhàn)略提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 氫能替代工藝

高爐法煉鋼工藝過(guò)程如圖1所示，原煤通過(guò)洗煤、燒焦工藝成為焦炭，焦炭在高爐中與燒結(jié)礦或者球團(tuán)礦（主要成分為Fe3O4和Fe2O3）發(fā)生還原反應(yīng)，得到的鐵水注入轉(zhuǎn)爐去除鐵水中的雜質(zhì)元素（S、P、Si、Mn等），再經(jīng)過(guò)連鑄工藝得到粗鋼[12]。使用焦炭作為還原劑的高爐還原工藝是煉鋼過(guò)程大量排放CO2的直接源頭。

圖1 高爐法煉鋼工藝路線圖

氫冶金法工藝過(guò)程如圖2所示，H2在氫基豎爐中與氧化球團(tuán)（主要成分為Fe2O3）發(fā)生還原反應(yīng)，DRI在電弧爐近4 000?℃高溫環(huán)境下被熔化成為鋼水，再經(jīng)過(guò)連鑄工藝得到粗鋼[13-14]。氫冶金工藝在直接還原豎爐中無(wú)碳排放，只有使用網(wǎng)電包含的間接碳排放和制氫過(guò)程中的碳排放，煉鋼過(guò)程碳排放大幅降低。優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)、減低電網(wǎng)碳排放因子、提高用氫的綠氫比例，都是氫冶金向全生命周期（life cycle assessment, LCA）凈零碳排放的關(guān)鍵途徑[15]。

圖2 氫冶金法工藝路線圖

1.2 廣東省制氫結(jié)構(gòu)及能力分析

廣東省工業(yè)副產(chǎn)物制氫包括煉油制氫、丙烷脫氫、燒堿制氫、次氯酸鈉制氫以及煉焦制氫五種類型，其中以煉油制氫和丙烷脫氫為最主要的制氫方式，工業(yè)副產(chǎn)氫為在滿足生產(chǎn)之余供給其他部門的氫。

本課題組的前期研究顯示，目前廣東省利用可再生電力的堿性電解水制氫的全生命周期制氫成本為27 ～ 33 元/kg[16]，與可再生電力匹配度更強(qiáng)的質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)尚未成熟，因此，2020—2025年，本文不考慮可再生電力制氫這一技術(shù)路線的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前廣東省電解水制氫的耗電來(lái)自電網(wǎng)“谷電”[17]，2020年網(wǎng)電制氫量為74萬(wàn)噸，“谷電”價(jià)格為0.3 元/(kW?h)，制氫成本為16.5 元/kg，與其他制氫方式相比具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

在廣東省制氫結(jié)構(gòu)及能力研究中，做以下考慮：第一，工業(yè)副產(chǎn)物制氫以煉油廠制氫和丙烷脫氫為主要制氫方式；第二，網(wǎng)電制氫采用堿性電解水技術(shù)，廣東省網(wǎng)電的邊際排放因子為0.808 t/(MW?h)[18]，隨著水電、風(fēng)電、光伏電力并網(wǎng)率的提升，預(yù)計(jì)廣東省碳排放因子以每年2%的速度下降[19]；第三，隨著質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)的成熟以及廣東海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，主要基于風(fēng)電的可再生電力制氫于2025年開(kāi)始快速發(fā)展，并于2030年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

圖3所示為多元制氫技術(shù)路線支持的氫冶金應(yīng)用路線，圖4是面向2035年廣東省制氫總量以及不同技術(shù)路線制氫貢獻(xiàn)的預(yù)測(cè)[20]。2020年廣東省制氫量約為91萬(wàn)噸，其中工業(yè)副產(chǎn)物制氫占比19%，網(wǎng)電制氫占比81%，風(fēng)電制氫以及光伏制氫占比小于0.01%（圖5）。2025年以后的綠氫生產(chǎn)能力快速增加，2035年廣東省制氫能力可達(dá)到約230萬(wàn)噸，可再生電力制氫的占比將達(dá)到55%。

圖3 產(chǎn)品能流圖框架?制氫路線概覽

圖4 廣東省氫能供應(yīng)情況預(yù)測(cè)（2020—2035年）[20]

圖5 廣東省2020年（a）和2035年（b）制氫結(jié)構(gòu)

1.3 廣東省制氫成本分析

根據(jù)廣東省可再生能源資源稟賦及制氫產(chǎn)業(yè)部署情況，對(duì)在廣東實(shí)施工業(yè)副產(chǎn)物制氫、網(wǎng)電制氫、風(fēng)電制氫、光伏制氫這四條制氫路線進(jìn)行了成本分析，圖6為制氫成本預(yù)測(cè)模型。

圖6 制氫產(chǎn)量?成本預(yù)測(cè)模型

工業(yè)副產(chǎn)物制氫以丙烷脫氫代表進(jìn)行成本分析，制氫成本估值式為：

電解水制氫的成本估值式為：

考慮到不同制氫技術(shù)的成熟度和成本可接受度，廣東省在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的制氫路線為四種技術(shù)并舉，因此，第年份的綜合制氫成本為：

設(shè)置兩種情景來(lái)討論廣東省2020—2035年的制氫成本變化趨勢(shì)。政策情景中谷電電價(jià)為0.3 元/(kW?h)；2025年廣東省海上風(fēng)電價(jià)格將降至0.4 元/(kW?h)[21]。光伏發(fā)電電價(jià)到2022年下降至0.453 元/(kW?h)[22]，到2030年，廣東省風(fēng)電制氫與光伏制氫成本下降至2美元/kg[23]。廣東省的制氫結(jié)構(gòu)變化如圖4所示。

在可再生電力快速平價(jià)上網(wǎng)情景中，廣東省LPG與谷電上網(wǎng)電價(jià)與政策情景保持一致，可再生電力制氫于2025年與電網(wǎng)谷電電價(jià)相同，制氫結(jié)構(gòu)與政策情景相同。

圖7 廣東省綜合制氫成本預(yù)測(cè)（2020—2035年）

如圖7所示，可再生能源發(fā)電實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的時(shí)間對(duì)廣東省制氫成本影響很大。在政策情景中，由于2025—2030年廣東省“綠電”價(jià)格還高于“谷電”電價(jià)，因此隨著可再生電力制氫量占比的提高，綜合制氫成本出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，到2030年，“綠電”價(jià)格與“谷電”電價(jià)平價(jià)之后，由于可再生電力制氫的成本小于網(wǎng)電制氫成本，因而制氫成本隨著可再生電力制氫的大規(guī)模發(fā)展而下降。在可再生電力快速平價(jià)上網(wǎng)情景中，“綠電”價(jià)格于2025年就與谷電電價(jià)平價(jià)，因此，隨著可再生電力制氫的快速發(fā)展，自2025年起制氫成本就呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

1.4 廣東省粗鋼產(chǎn)量預(yù)測(cè)

采用《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》中的粗鋼產(chǎn)量及GDP數(shù)據(jù)，分析了廣東省1998—2020年的單位GDP粗鋼產(chǎn)量的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖8所示，發(fā)現(xiàn)1998—2004年人均GDP進(jìn)入3 000美元階段后[24]，單位GDP粗鋼產(chǎn)量的增加趨勢(shì)放緩。2020年以后，人均GDP進(jìn)入1.5萬(wàn)美元階段，單位GDP粗鋼產(chǎn)量開(kāi)始快速下降，這一變化趨勢(shì)與廣東省GDP增速放緩、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求下降以及廢鋼利用率提高等因素相關(guān)，假設(shè)到2035年，廣東省單位GDP粗鋼產(chǎn)量將保持這種下降趨勢(shì)。

圖8 廣東省單位GDP粗鋼產(chǎn)量變化趨勢(shì)（數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)?[25]）

2020年后，廣東省GDP水平保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，根據(jù)《廣東省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》目標(biāo)，2025年廣東省GDP將達(dá)到14萬(wàn)億元，2020—2025年的年平均增長(zhǎng)率為5.5%，根據(jù)廣東省未來(lái)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略部署，預(yù)計(jì)2025—2030年，年平均增長(zhǎng)率為5%，2030—2035年的平均增長(zhǎng)率為4.5%。據(jù)此，到2035年廣東省GDP總量將達(dá)到23萬(wàn)億元左右，粗鋼產(chǎn)量在2025年以后增長(zhǎng)速度趨緩，到2035年粗鋼產(chǎn)量約為4 700萬(wàn)噸，粗鋼產(chǎn)量約為350 kg/人，比2020年高25%。圖9所示為廣東省粗鋼產(chǎn)量與GDP變化趨勢(shì)。

圖9 廣東省粗鋼產(chǎn)量與GDP變化趨勢(shì)（數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)?[25]）

1.5 廣東省高爐煉鋼氫冶金技術(shù)替代分析的情景參數(shù)設(shè)置

1.5.1 兩種技術(shù)方案的噸鋼能耗

當(dāng)前高爐法及氫冶金法的噸鋼能耗情況見(jiàn)表1。

表1 兩種煉鋼方法噸鋼能源消耗現(xiàn)狀

1.5.2 冶金技術(shù)進(jìn)步引起的噸鋼能耗變化

由于高爐法煉鋼工藝技術(shù)成熟度較高，因此隨著時(shí)間變化，采用高爐煉鋼技術(shù)的噸鋼能耗維持不變，根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算，高爐法煉鋼噸鋼標(biāo)煤能耗為519 kg。

氫冶金工藝的關(guān)鍵技術(shù)包括氫冶金工藝以及氫基豎爐中多場(chǎng)耦合的工況優(yōu)化調(diào)控兩部分。在氫冶金的工藝層面，Energiron-ZR-H2工藝能夠使用煤制氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣等多種氣源進(jìn)行制氫，并可融合電解水制氫等方式，能夠最大限度地利用制氫資源，本研究選擇這一氫冶金直接還原工藝，Energiron-ZR-H2工藝包含豎爐、CO2脫除裝置、氣體加熱器等關(guān)鍵設(shè)備，還原溫度在930?℃以上，金屬轉(zhuǎn)化率約為94%[28]。

在氫基豎爐內(nèi)多場(chǎng)耦合優(yōu)化，還原氣流場(chǎng)組織、氫碳比、溫度等因素調(diào)控會(huì)直接影響還原鐵產(chǎn)出質(zhì)量，隨著Energiron-ZR-H2工藝及氫基豎爐的工況優(yōu)化調(diào)控，氫冶金法的噸鋼氫耗能夠進(jìn)一步降低。因此，假設(shè)氫冶金法煉鋼的噸鋼耗氫量以每年0.45%的幅度下降（如圖10所示），到2035年噸鋼耗氫量由當(dāng)前的91.7 kg下降到85.45 kg，噸鋼標(biāo)煤能耗為430.8 kg。

圖10 考慮技術(shù)進(jìn)步時(shí)氫冶金法噸鋼耗氫量

1.5.3 制氫過(guò)程的碳排放

根據(jù)制氫技術(shù)LCA碳排放評(píng)估[16]可知，廣東省網(wǎng)電制氫在2020年的碳排放量（均指二氧化碳排放量）為44.44 kg/kg，考慮到電力結(jié)構(gòu)中可再生能源發(fā)電的占比會(huì)不斷提高，假設(shè)南方電網(wǎng)的碳排放因子以每年2%的速度減小，預(yù)計(jì)網(wǎng)電制氫碳排放量會(huì)在2035年降至32.83 kg/kg；工業(yè)副產(chǎn)物制氫技術(shù)已經(jīng)成熟，可認(rèn)為制氫碳排放量不變，即1.1 kg/kg；光伏制氫與風(fēng)電制氫的碳排放量為0。

圖 11 2020—2035年廣東省制氫的碳排放量

根據(jù)以上假設(shè)和圖5所示的制氫結(jié)構(gòu)測(cè)算2020—2035年廣東省制氫的碳排放（圖11），由于制氫結(jié)構(gòu)中綠氫占比不斷提高，制氫的碳排放量將不斷下降，到2035年，廣東省制氫的碳排放量為8.7 kg/kg，比2020年下降70%。

1.5.4 不同情景下的氫冶金工藝替代率

設(shè)置三種氫冶金工藝替代情景，即基準(zhǔn)情景、替代情景和深度替代情景。如圖12所示，氫冶金工藝在粗鋼煉制中的替代率逐年增加。

圖12 氫冶金工藝在廣東省煉鋼中的替代率

基準(zhǔn)情景下，不進(jìn)行氫冶金工藝的替代。替代情景下，廣東省將在2025年部署兩期100萬(wàn)噸/年的項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2023年完成一期建設(shè)，2025年完成二期建設(shè)，新建的氫還原劑DRI工藝設(shè)施達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2025年后，廣東省將不斷推進(jìn)氫冶金工藝替代高爐法煉鋼，預(yù)計(jì)2035年氫冶金法粗鋼產(chǎn)量達(dá)到1 000萬(wàn)噸，氫冶金工藝替代率為21.2%。深度替代情景下，到2035年廣東省氫冶金法的粗鋼產(chǎn)量為2 000萬(wàn)噸，替代率達(dá)到42.4%。

2 結(jié)果與討論

2.1 粗鋼生產(chǎn)能源消費(fèi)和噸鋼能耗分析

不同情景下廣東省粗鋼生產(chǎn)能源消費(fèi)變化如圖13所示，隨著氫冶金工藝替代率的提高及氫冶金工藝噸鋼氫耗量的降低，與基準(zhǔn)情景相比，替代情景、深度替代情景下的能源消費(fèi)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，在替代情景下，粗鋼生產(chǎn)能源消費(fèi)在2034年達(dá)到峰值，在深度替代情景下可提前兩年達(dá)到峰值。圖14所示為噸鋼能耗變化趨勢(shì)，到2035年，替代情景、深度替代情景下的噸鋼能耗分別比基準(zhǔn)情景下降2.3%、7.2%。

圖13 不同情景下廣東省粗鋼生產(chǎn)能源消費(fèi)變化趨勢(shì)

圖14 不同情景下廣東省噸鋼能耗變化趨勢(shì)

2.2 粗鋼生產(chǎn)碳排放和噸鋼碳排放分析

相對(duì)于基準(zhǔn)情景，替代情景和深度替代情景都呈現(xiàn)出明顯的粗鋼生產(chǎn)碳排放總量下降趨勢(shì)。圖15中，替代情景下碳排放總量在2029年達(dá)到峰值，碳排放量為7 624萬(wàn)噸；深度替代情景下，碳排放總量提前一年達(dá)峰，峰值為7 496萬(wàn)噸CO2?？蔀閺V東省鋼鐵行業(yè)碳排放總量在2030年前達(dá)峰發(fā)揮重要作用。

圖15 不同情景下廣東省煉鋼碳排放變化趨勢(shì)

圖16反映了不同情景下廣東省噸鋼碳排放變化趨勢(shì)。到2035年，替代情景、深度替代情景的噸鋼碳排放量相對(duì)于基準(zhǔn)情景分別下降10.9%、23.1%。

圖16 不同情景下廣東省噸鋼碳排放變化趨勢(shì)

2.3 氫冶金技術(shù)替代傳統(tǒng)粗鋼生產(chǎn)工藝的噸鋼經(jīng)濟(jì)性分析

高爐?轉(zhuǎn)爐法煉鋼的主要設(shè)備包括磨粉系統(tǒng)、燒結(jié)機(jī)、焦化爐、高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄機(jī)，根據(jù)文獻(xiàn)[26]的分析，噸鋼設(shè)備成本共計(jì)1 600 元。粗鋼生產(chǎn)的物耗和能耗成本清單見(jiàn)表2，原料及能源價(jià)格基數(shù)取廣東省2021年1月公開(kāi)數(shù)據(jù)，得到噸鋼物料成本總計(jì)為2 317 元。2020年，廣東省高爐?轉(zhuǎn)爐法煉鋼的噸鋼總成本為3 917 元，物料成本占據(jù)60%，煤氣作為煉鋼工藝的還原劑，占據(jù)總成本的17%。

表2 高爐?轉(zhuǎn)爐法煉鋼噸鋼物料成本[26]

氫冶金法煉鋼的噸鋼設(shè)備成本共計(jì)1 740 元[27]，其噸鋼能耗和物耗成本清單見(jiàn)表3，氫氣價(jià)格按16元/kg核算，得到噸鋼物料消耗成本合計(jì)2 760 元，2020年廣東省氫冶金法煉鋼的噸鋼總成本4 500 元，物料成本占據(jù)60%，氫氣作為煉鋼工藝的還原劑，約占據(jù)總成本的三分之一。對(duì)比兩種煉鋼技術(shù)成本可知?dú)湟苯鸱ū雀郀t?轉(zhuǎn)爐法的噸鋼成本增加了約15%，其中氫冶金法設(shè)備成本比高爐法高8.8%，物料成本比高爐?轉(zhuǎn)爐法高19%?？梢?jiàn)，降低用氫成本是提高氫冶金法利用率的重要方法。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，預(yù)計(jì)到2035年，制氫成本可望下降到13.5 元/kg，即氫冶金法成本可降至4 200 元/t（圖17）。如考慮焦炭?jī)r(jià)格變化的因素，根據(jù)鄒紹輝等[29]采用幾何布朗模型對(duì)中國(guó)煤炭?jī)r(jià)格的預(yù)測(cè)，2035年煤炭?jī)r(jià)格約比2020年提高20%，高爐法煉鋼的成本將達(dá)到4 050 元，屆時(shí)氫冶金法成本將接近傳統(tǒng)高爐法，開(kāi)始具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

表3 氫冶金煉鋼噸鋼物料成本[27]

圖17 高爐法與氫冶金法煉鋼噸鋼成本趨勢(shì)比較

圖18 不同情景下廣東省噸鋼成本變化趨勢(shì)

不同情景下廣東省噸鋼成本變化趨勢(shì)如圖18所示，與基準(zhǔn)情景相比，2025年以后替代情景、深度替代情景粗鋼生產(chǎn)噸鋼成本增加，到2035年，替代情景、深度替代情景下的噸鋼成本分別比基準(zhǔn)情景高1.6%、3.2%。

2.4 廣東省鋼鐵行業(yè)煉鋼能量流動(dòng)分析

圖19為基準(zhǔn)情景下2035年廣東省鋼鐵行業(yè)煉鋼能量流動(dòng)情況，該情景下煉鋼采用100%的高爐法工藝，使用煤通過(guò)煉焦工藝制取焦炭用于高爐還原，這一過(guò)程消耗2 761萬(wàn)噸的煤炭，煤制焦的能量轉(zhuǎn)化效率為78%[30]，產(chǎn)生2 236萬(wàn)噸的焦炭，損失能量為525萬(wàn)噸標(biāo)煤。同時(shí)需要使用66萬(wàn)噸標(biāo)煤的天然氣作為還原劑，并需要投入144萬(wàn)噸標(biāo)煤的電網(wǎng)電力。

圖19 基準(zhǔn)情景下，2035年廣東省鋼鐵行業(yè)粗鋼煉制產(chǎn)品能流圖（將作為“原料”使用的焦炭、天然氣也記作“能源”消耗，同樣也適用于氫）

圖20為深度替代情景下2035年廣東省鋼鐵行業(yè)煉鋼能量流動(dòng)情況?？紤]到廣東省的氫氣生產(chǎn)能力，該情景下氫冶金工藝的替代率為42.4%，仍有50%以上的粗鋼采用傳統(tǒng)方法煉制。這一過(guò)程消耗1 625萬(wàn)噸的煤炭制備焦炭，消耗38萬(wàn)噸標(biāo)煤的天然氣作為還原劑；156萬(wàn)噸標(biāo)煤的石油消費(fèi)用于丙烷脫氫制取氫氣，電解水制氫的電力消費(fèi)分別來(lái)自電網(wǎng)谷電、太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電，共計(jì)電力消費(fèi)1 105萬(wàn)噸標(biāo)煤，制備所需要的715萬(wàn)噸標(biāo)煤的氫（170萬(wàn)噸氫），電力流向包括煉鋼直接用電、制氫用電以及損失三個(gè)部分，分別占比9%、67%、24%。根據(jù)情景預(yù)測(cè)，廣東省2035年能夠供應(yīng)230 ～ 270萬(wàn)噸的氫[20]，利用本省內(nèi)部的制氫資源，能夠滿足深度替代情景下鋼鐵行業(yè)的氫氣需求。

圖20 深度替代情景下，2035年廣東省鋼鐵行業(yè)粗鋼煉制產(chǎn)品能流圖

綜合來(lái)看，氫冶金工藝的推廣能夠顯著推動(dòng)廣東省煉鋼工業(yè)的節(jié)能減排進(jìn)程。在2035年，廣東省制氫結(jié)構(gòu)中仍有一半來(lái)自化石能源制氫，其中工業(yè)副產(chǎn)物制氫占比19%、網(wǎng)電制氫的占比32%，這部分制氫過(guò)程中的碳排放有待于可再生能源制氫技術(shù)的進(jìn)步和成本減低，也需要推進(jìn)廣東省可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，以及大幅提高外購(gòu)電中的綠電比例來(lái)降低電網(wǎng)的碳排放因子。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化廣東省電力結(jié)構(gòu)，提高可再生電力制氫的比例，氫冶金工藝在脫碳方面的潛力將得到進(jìn)一步發(fā)揮。

3 結(jié) 論

預(yù)測(cè)了廣東省2020—2035年的粗鋼產(chǎn)量，對(duì)未來(lái)可實(shí)現(xiàn)的制氫技術(shù)路線和產(chǎn)氫能力進(jìn)行了研判，在此基礎(chǔ)上，研究了廣東省鋼鐵行業(yè)2020—2035年的氫冶金技術(shù)不同替代情景，對(duì)比不同情景下的能耗、碳排放和經(jīng)濟(jì)性，主要結(jié)論如下：

（1）隨著氫冶金工藝替代率的提高及氫冶金工藝噸鋼氫耗量的降低，替代情景下，長(zhǎng)流程煉鋼的總能耗可于2034年前后達(dá)到峰值，到2035年，替代情景、深度替代情景下的噸鋼能耗與基準(zhǔn)情景相比分別下降2.3%、7.2%。

（2）相對(duì)于基準(zhǔn)情景，替代情景、深度替代情景下鋼鐵行業(yè)碳排放總量顯著降低，可在2030年前達(dá)到峰值。隨著氫冶金工藝的推廣率提高、氫冶金工藝噸鋼氫耗降低及制氫結(jié)構(gòu)中綠氫占比提高，噸鋼碳排放將不斷下降，到2035年，替代情景、深度替代情景下的噸鋼碳排放量相對(duì)于基準(zhǔn)情景分別下降10.9%、23.1%。

（3）當(dāng)前廣東省的制氫成本為16元/kg，氫冶金法煉鋼的成本約4 500元/t，其中氫氣成本占三分之一，降低用氫成本是提高氫冶金法經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。到2035年，隨著制氫結(jié)構(gòu)中的綠氫占比提高以及風(fēng)電成本不斷降低且已實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，制氫成本可望下降到13元/kg左右。屆時(shí)氫冶金法的煉鋼成本可降低450元/t。

（4）與基準(zhǔn)情景相比，由于氫冶金技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)煉鋼工藝的逐步替代，替代情景、深度替代情景下的噸鋼成本在2025年后開(kāi)始增加，在2030年前后，噸鋼成本增加最大，之后由于制氫和氫冶金技術(shù)成本不斷降低，兩種情景下的噸鋼成本開(kāi)始下降，到2035年，比基準(zhǔn)情景成本增加的比例降到1.6%、3.2%?？紤]到今后的技術(shù)進(jìn)步、焦炭?jī)r(jià)格及碳價(jià)格上漲的因素，廣東省氫冶金技術(shù)替代傳統(tǒng)高爐法煉鋼的經(jīng)濟(jì)性會(huì)逐漸為市場(chǎng)所接受。

[1] LIU W G, ZUO H B, WANG J S, et al. The production and application of hydrogen in steel industry[J]. International journal of hydrogen energy, 2021, 46(17): 10548-10569. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.12.123.

[2] BIRAT J P. Carbon dioxide (CO2) capture and storage technology in the iron and steel industry[M]//MAROTO-VALER M M. Developments and innovation in carbon dioxide (CO2) capture and storage technology. Oxford: Woodhead Publishing, 2010: 492-521. DOI: 10.1533/ 9781845699574.5.492.

[3] PEI M, PET?J?NIEMI M, REGNELL A, et al. Toward a fossil free future with HYBRIT: development of iron and steelmaking technology in Sweden and Finland[J]. Metals, 2020, 10(7): 972. DOI: 10.3390/met10070972.

[4] 廣東省工業(yè)和信息化廳. 寶鋼湛江鋼鐵有限公司氫基豎爐系統(tǒng)項(xiàng)目(一步)產(chǎn)能置換方案[EB/OL]. (2021-07-30)[2023-12-04]. http://gdii.gd.gov.cn/attachment/0/436/ 436280/3448966.doc.

[5] GRETZ J, KORF W, LYONS R. Hydrogen in the steel industry[J]. International journal of hydrogen energy, 1991, 16(10): 691-693. DOI: 10.1016/0360-3199(91)90193-M.

[6] RANZANI DA COSTA A, WAGNER D, PATISSON F. Modelling a new, low CO2emissions, hydrogen steelmaking process[J]. Journal of cleaner production, 2013, 46: 27-35. DOI: 10.1016/j.jclepro.2012.07.045.

[7] LI F, CHU M S, TANG J, et al. Exergy analysis of hydrogen-reduction based steel production with coal gasification-shaft furnace-electric furnace process[J]. International journal of hydrogen energy, 2021, 46(24): 12771-12783. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.01.083.

[8] KUSHNIR D, HANSEN T, VOGL V, et al. Adopting hydrogen direct reduction for the Swedish steel industry: a technological innovation system (TIS) study[J]. Journal of cleaner production, 2020, 242: 118185. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.118185.

[9] 姚同路, 吳偉, 楊勇, 等. “雙碳”目標(biāo)下中國(guó)鋼鐵工業(yè)的低碳發(fā)展分析[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2022, 34(6): 505-513. DOI: 10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20210399.

[10] 張真, 杜憲軍. 碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟(jì)性研究[J].價(jià)格理論與實(shí)踐, 2021(5): 65-68, 184. DOI: 10.19851/ j.cnki.cn11-1010/f.2021.05.306.

[11] 車彥民, 曹莉霞, 劉金哲. 氫的大規(guī)模制備及在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用和展望[J]. 中國(guó)冶金, 2022, 32(9): 1-7. DOI: 10.13228/j.boyuan.issn1006-9356.20220201.

[12] GEERDES M, CHAIGNEAU R, LINGIARDI O, et al. Modern blast furnace ironmaking: an introduction[M]. 4th ed. Amsterdam: IOS Press, 2020.

[13] VICKERFALT A, MARTINSSON J, SICHEN D. Effect of reduction degree on characteristics of slag formed by melting hydrogen-reduced DRI and partitions of P and V between slag and metal[J]. Steel research international, 2021, 92(3): 2000432. DOI: 10.1002/srin.202000432.

[14] HAY T, VISURI V V, AULA M, et al. A review of mathematical process models for the electric arc furnace process[J]. Steel research international, 2021, 92(3): 2000395. DOI: 10.1002/srin.202000395.

[15] 周穎, 周紅軍, 徐春明. 中國(guó)鋼鐵工業(yè)低碳綠色生產(chǎn)氫源思考與探索[J]. 化工進(jìn)展, 2022, 41(2): 1073-1077. DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0005.

[16] 鄭勵(lì)行, 趙黛青, 漆小玲, 等. 基于全生命周期評(píng)價(jià)的中國(guó)制氫路線能效、碳排放及經(jīng)濟(jì)性研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2022, 43(9): 2305-2317.

[17] 廣東省發(fā)展和改革委員會(huì). 關(guān)于進(jìn)一步完善我省峰谷分時(shí)電價(jià)政策有關(guān)問(wèn)題的通知[EB/OL]. (2021-08-31) [2023-12-04]. http://drc.gd.gov.cn/ywtz/content/post_3500421. html.

[18] 生態(tài)環(huán)境部. 2019年度中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)二氧化碳基準(zhǔn)線排放因子OM計(jì)算說(shuō)明[EB/OL]. (2020-12-22)[2023-12-04]. http://www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/202012/ W020201229610353816665.pdf.

[19] 吳放. 廣東“十四五”電源結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化探討研究[J]. 中國(guó)能源, 2021, 43(12): 64-73. DOI: 10.3969/j.issn. 1003-2355.2021.12.009.

[20] ZHENG L X, ZHAO D Q, WANG W J. Medium and long-term hydrogen production technology routes and hydrogen energy supply scenarios in Guangdong province[J]. International journal of hydrogen energy, 2023. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.03.160.

[21] 廣東省發(fā)展和改革委員會(huì), 廣東省能源局, 廣東省科學(xué)技術(shù)廳, 等. 廣東省培育新能源戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)計(jì)劃(2021-2025年)[EB/OL]. (2020-09-29)[2023-11-30]. http://drc.gd.gov.cn/ywtz/content/post_3095267.html.

[22] 廣東省發(fā)展和改革委員會(huì). 廣東省發(fā)展改革委轉(zhuǎn)發(fā)國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于2021年新能源上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知[EB/OL]. (2021-08-16)[2023-11-27]. http://drc.gd.gov.cn/attachment/0/513/513442/4095048.pdf.

[23] BloombergNEF. Hydrogen economy outlook[EB/OL]. (2020-03-30)[2023-2-20]. https://cdn.base.parameter1.com/ files/base/acbm/ooh/document/2020/03/BNEF___Hydrogen_Economy_Outlook___Key_Messages.5e81e7b3879ab.pdf.

[24] 龍寶林, 葉錦華. 我國(guó)鋼鐵及鐵礦石需求預(yù)測(cè)[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2010, 19(11): 4-6. DOI: 10.3969/j.issn.1004-4051.2010.11.002.

[25] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局. 2021中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 北京: 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2021.

[26] 北京京誠(chéng)嘉宇環(huán)境科技有限公司. 寶鋼湛江鋼鐵三高爐系統(tǒng)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書[EB/OL]. (2018-12)[2023-9-15]. http://gdee.gd.gov.cn/attachment/0/361/361532/2344948.pdf.

[27] 北京京誠(chéng)嘉宇環(huán)境科技有限公司. 寶鋼湛江鋼鐵氫基豎爐系統(tǒng)項(xiàng)目(一步)環(huán)境影響報(bào)告書[EB/OL]. (2021-11) [2023-12-04]. http://gdee.gd.gov.cn/attachment/0/474/ 474963/3684023.pdf.

[28] 徐寬. 氣基直接還原豎爐內(nèi)物料下行及還原氣流場(chǎng)研究[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2017.

[29] 鄒紹輝, 李夢(mèng)嘉. 碳達(dá)峰目標(biāo)下中國(guó)煤炭?jī)r(jià)格預(yù)測(cè)研究[J]. 價(jià)格月刊, 2022(2): 20-27. DOI: 10.14076/j.issn. 1006-2025.2022.02.03.

[30] 楊文彪. 我國(guó)煉焦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及綠色發(fā)展研究[J]. 煤炭經(jīng)濟(jì)研究, 2019, 39(8): 4-14. DOI: 10.13202/j.cnki.cer. 2019.08.002.

Substitution Potential and Economic Analysis of Hydrogen Metallurgy Technology in Iron and Steel Industry–A Case Study of Guangdong Province

ZHENG Lixing1,2, DONG Genglin1,3, WANG Peng1, ZHAO Daiqing1,2,?

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. School of Energy Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Guangzhou 510640, China)

Hydrogen metallurgy is a transformative technology for reducing carbon emissions in the steel industry, and is important for deep decarbonization of the industrial sector. The steel production capacity of Guangdong Province accounts for 4% of the country’s steel production capacity and is the region with the most steel production capacity layout in China. The energy consumption of the steel industry accounts for 4.6% of the province’s final energy consumption, and the carbon emissions account for 17% of the province’s total carbon emissions, so the deep decarbonization of the steel industry will directly affect the goal of achieving carbon peak and carbon neutrality in Guangdong Province. Moreover, Guangdong Province is the earliest province in China to promote the industrialization of hydrogen energy, and there are many practical cases of research and development as well as demonstration of various hydrogen production routes. This paper analyzes the changes of crude steel production in Guangdong Province up to 2035. It makes a study of the achievable future technical routes of hydrogen production and hydrogen production capacity in Guangdong Province, based on which different scenarios of energy consumption, carbon emission and cost generated by the hydrogen metallurgy process using hydrogen as a reducing agent instead of coke are analyzed. The results show that hydrogen metallurgy technology can lead to a significant reduction of CO2emissions in the steel industry in Guangdong Province, with a 2.3% reduction in energy consumption and a 10.9% reduction in CO2emissions in 2035 under the alternative scenario (21.2% replacement rate of hydrogen metallurgy technology) compared to the baseline scenario.

steelmaking; hydrogen metallurgy; hydrogen production; scenario analysis

2095-560X（2023）06-0583-10

TK91

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.014

2023-04-12

2023-06-09

中國(guó)工程院院地合作項(xiàng)目（2020-GD-8）；廣東省發(fā)展與改革委員會(huì)項(xiàng)目（GZYL21FG041405）

趙黛青，E-mail：zhaodq@ms.giec.ac.cn

鄭勵(lì)行, 董耿林, 汪鵬, 等.鋼鐵行業(yè)氫冶金技術(shù)的替代潛力與經(jīng)濟(jì)性分析——以廣東為例[J]. 新能源進(jìn)展, 2023, 11(6): 583-592.

：ZHENG Lixing, DONG Genglin, WANG Peng, et al. Substitution potential and economic analysis of hydrogen metallurgy technology in iron and steel industry–a case study of Guangdong Province[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 583-592.

鄭勵(lì)行（1994-），男，博士研究生，主要從事新能源技術(shù)評(píng)估和政策研究。

趙黛青（1958-），女，博士，研究員，主要從事能源戰(zhàn)略與應(yīng)對(duì)氣候變化政策與規(guī)劃研究。