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氫氣和鋼鐵生產(chǎn)的脫碳

未來(lái)可持續(xù)能源的主要驅(qū)動(dòng)力圍繞著以下需求：（1）減少全球二氧化碳（CO2）排放，改善空氣質(zhì)量；（2）確保能源供應(yīng)安全，轉(zhuǎn)向使用可持續(xù)能源資源；（3）建立新的工業(yè)和技術(shù)能源基礎(chǔ)，這對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。所有現(xiàn)代對(duì)全球能源未來(lái)的評(píng)估都認(rèn)為，需求的增長(zhǎng)將越來(lái)越多地由包括可再生或可持續(xù)能源在內(nèi)的多樣化能源組合來(lái)滿足。

有形的環(huán)境問(wèn)題的增長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力之一。這些問(wèn)題中最主要的是二氧化碳和其他改變氣候的氣體釋放和積累到大氣中的問(wèn)題。這些排放物現(xiàn)在無(wú)可爭(zhēng)議地遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)化前的水平，并被認(rèn)為是通過(guò)溫室氣體（GHG）效應(yīng)提高全球（平均）溫度的原因。除非通過(guò)各種活動(dòng)大幅減少環(huán)境中的二氧化碳釋放量，否則將對(duì)全球氣候產(chǎn)生潛在的災(zāi)難性后果。這種擔(dān)憂無(wú)疑正在改變?cè)u(píng)估和使用能源及其載體的方式，使平衡從傳統(tǒng)的碳?xì)浠衔锘A(chǔ)轉(zhuǎn)向可再生或可持續(xù)能源。

氫氣是一種有吸引力的替代燃料。然而，與煤炭、天然氣或石油不同，它不是一種主要能源。相反，它的作用更接近于電力的作用，是一種次要的 "能源載體"，它首先是利用另一來(lái)源的能源來(lái)生產(chǎn)，然后運(yùn)輸?shù)轿磥?lái)使用，其潛在的化學(xué)能量可以得到充分實(shí)現(xiàn)。

氫氣為一個(gè)真正可持續(xù)的全球能源未來(lái)帶來(lái)了希望。近年來(lái)，由于人們?cè)絹?lái)越關(guān)注能源使用對(duì)環(huán)境的影響，以及對(duì)化石燃料供應(yīng)安全的擔(dān)憂，人們對(duì)氫氣作為一種提供能源服務(wù)的方式的興趣越來(lái)越大。氫氣是一種眾所周知的、多功能的、清潔的能源載體，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用。大多數(shù)與氫氣有關(guān)的技術(shù)都有很長(zhǎng)的歷史。使用氫氣的行業(yè)記錄以及目前氫氣在一些應(yīng)用中的使用都證明了其安全性。氫氣為生產(chǎn)、分配和使用提供了幾種選擇。它目前的用途可以安全地?cái)U(kuò)展到其他用途。

氫氣，作為一種能源載體，原則上可以替換今天使用的所有形式的最終能源。它可以為經(jīng)濟(jì)的所有部門提供能源服務(wù)。與化石燃料相比，它具有潛在的環(huán)境優(yōu)勢(shì)。在使用點(diǎn)，氫氣可以以不產(chǎn)生有害排放的方式進(jìn)行燃燒。如果氫氣的生產(chǎn)不排放任何二氧化碳，那么它可以形成一個(gè)真正可持續(xù)的能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這就是所謂的氫氣經(jīng)濟(jì)。

氫氣經(jīng)歷了高期望值與不切實(shí)際的現(xiàn)實(shí)之間的循環(huán)?？稍偕茉吹膬r(jià)格下降，以及氣候變化導(dǎo)致的嚴(yán)格的監(jiān)管要求，導(dǎo)致了目前世界各地正在發(fā)生的從碳經(jīng)濟(jì)到氫經(jīng)濟(jì)的范式轉(zhuǎn)變。然而，向氫經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變不會(huì)在一夜之間發(fā)生，因?yàn)樗枰粋€(gè)專門的戰(zhàn)略和努力。

氫是周期表中的第一個(gè)元素。它是宇宙中最輕、最豐富和最古老的化學(xué)元素之一。在地球上，氫氣存在于更復(fù)雜的分子中，如水或碳?xì)浠衔?。氫氣，為了以其純粹的形式使用，必須被提取出?lái)。氫氣火焰是無(wú)色無(wú)味的。它需要添加著色劑和氣味劑，以使其可見(jiàn)和可檢測(cè)。此外，氫氣的分子比天然氣小，因此更容易泄漏。氫氣的這一特性可能是一個(gè)特別的問(wèn)題，因?yàn)闅錃獾男孤?huì)導(dǎo)致封閉空間內(nèi)氫氣濃度的增加。

氫氣可以在全球工業(yè)去碳化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在今天的情況下，氫經(jīng)濟(jì)是一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)。零二氧化碳排放需要完全淘汰化石燃料。氫氣的氣候影響完全取決于它的制造方式。為了控制全球氣候變化，由可再生能源驅(qū)動(dòng)的電解水產(chǎn)生的氫氣對(duì)氣候中和是不可或缺的。然而，向氫經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡需要大量投資于新的基礎(chǔ)設(shè)施，以生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和向最終用戶提供氫氣。

越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到需要在2050年前實(shí)現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)，以限制全球溫度比工業(yè)化前水平上升1.5攝氏度。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，有必要找到一種方法來(lái)替換目前滿足全球能源需求五分之四的化石燃料。為了限制全球變暖導(dǎo)致的1.5攝氏度的溫度上升，氫氣作為一種能源載體始終發(fā)揮著核心作用。氫氣作為能源載體所發(fā)揮的作用與現(xiàn)在碳經(jīng)濟(jì)中煤炭、石油或天然氣所發(fā)揮的作用相當(dāng)。用于生產(chǎn)鋼鐵、水泥、玻璃和化學(xué)品的工業(yè)過(guò)程都需要高溫?zé)崃俊Ｄ壳?，這種熱量是通過(guò)燃燒化石燃料產(chǎn)生的。對(duì)于這些難以減少二氧化碳的工業(yè)部門，如果不使用氫氣，基本上沒(méi)有辦法達(dá)到所需規(guī)模的凈零排放。

經(jīng)濟(jì)去碳化的失敗不是目前可以選擇的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，氫氣和可再生能源發(fā)電有能力提供一個(gè)解決方案，使像鋼鐵行業(yè)這樣難以消減的部門脫碳。然而，存在著一些需要克服的挑戰(zhàn)。

氫氣是一種高度通用的基本化學(xué)品，既可作為能源，也可作為工業(yè)流程的原料，如用于化肥的氨氣生產(chǎn)、精煉以及食品、電子、玻璃和金屬行業(yè)的原料。然而，使用氫氣作為能源對(duì)經(jīng)濟(jì)的去碳化具有重要意義。新的證據(jù)表明，氫氣在減少工業(yè)熱力的排放方面具有重要的潛在作用，特別是在火焰（和隨后的燃燒氣體）需要直接接觸主要生產(chǎn)的材料或產(chǎn)品的地方（例如在爐子和窯里）。

氫氣有很多有用的特性。它可以通過(guò)一系列低碳方式生產(chǎn)，其使用，無(wú)論是通過(guò)燃燒還是燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)，都不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放。在燃料電池中，使用氫氣不會(huì)產(chǎn)生空氣污染物排放，因?yàn)槲ㄒ坏母碑a(chǎn)品是水。與它所替換的化石燃料相比，這大大改善了空氣質(zhì)量。

氫氣的燃燒可以產(chǎn)生高溫，這意味著它可以在需要高溫?zé)崃康牡胤教娲剂?，例如在工業(yè)應(yīng)用中。然而，由于氫氣在較高溫度下燃燒，氮氧化物（NOx）是一種有害的污染物，可能是一個(gè)問(wèn)題。

盡管氫氣的能量密度明顯低于化石燃料，但在壓縮時(shí)，它的能量密度非常高。它可以被大量?jī)?chǔ)存，其數(shù)量可以持續(xù)幾個(gè)月而不是幾個(gè)小時(shí)或幾天。此外，作為一種可壓縮的氣體，氫氣可以通過(guò)管道以高速度輸送。

氫氣，作為一種能源載體，在某些方面與電力相似。兩者都必須產(chǎn)生，而不是像化石燃料那樣以有用的、可提取的形式出現(xiàn)。它可以通過(guò)一系列的低碳方法生產(chǎn)，或者通過(guò)基于低碳電力的電解，或者通過(guò)應(yīng)用碳捕獲和儲(chǔ)存或利用（CCS/U）與碳?xì)浠衔铮ㄈ缟镔|(zhì)、天然氣）的氣化或重整相結(jié)合。

氫氣可以通過(guò)幾種方式進(jìn)行儲(chǔ)存和分配。氫氣具有很高的（重量級(jí)）能量密度。運(yùn)輸方式與化石能源載體相當(dāng)，包括氣態(tài)/液化卡車運(yùn)輸、船舶運(yùn)輸和通過(guò)管道泵送氣態(tài)氫氣。摻入現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)也是可能的，而且可能變得很重要，特別是在過(guò)渡時(shí)期。有幾種儲(chǔ)存方案，其中一些仍處于開(kāi)發(fā)階段。

工業(yè)過(guò)程中向可持續(xù)氫氣生產(chǎn)方法的轉(zhuǎn)變?cè)诤艽蟪潭壬先Q于對(duì)綠色燃料的日益認(rèn)可，以及對(duì)綠色工業(yè)產(chǎn)品的適當(dāng)定價(jià)，這可以通過(guò)適當(dāng)?shù)奶純r(jià)格和監(jiān)管框架實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)過(guò)程中使用綠色氫氣還具有促進(jìn)大規(guī)模氫氣需求的優(yōu)勢(shì)，從而降低生產(chǎn)成本，這反過(guò)來(lái)又能積極影響其他部門，如交通。

氫氣不是一種能源，而是一種能量載體。它要在使用前被生產(chǎn)和儲(chǔ)存。儲(chǔ)存能量的氫氣分子可以通過(guò)燃燒或通過(guò)燃料電池來(lái)恢復(fù)能量。一公斤氫氣的燃燒釋放的能量是一公斤汽油的三倍，而且只產(chǎn)生水。在燃料電池的情況下，氫氣和氧氣的化學(xué)能量通過(guò)一對(duì)氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。反應(yīng)的廢品是水。

氫氣的二氧化碳減排影響是由如何生產(chǎn)氫氣的二氧化碳排放和使用氫氣的活動(dòng)的排放量共同決定的。與生產(chǎn)氫氣有關(guān)的二氧化碳排放與所使用的技術(shù)和為該過(guò)程提供電力的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。目前氫氣生產(chǎn)的去碳化是具有挑戰(zhàn)性的，但將對(duì)二氧化碳排放產(chǎn)生積極影響，并能在實(shí)現(xiàn)成本下降方面發(fā)揮重要作用。另外，從可再生能源的電解中生產(chǎn)氫氣的成本也有望下降。

基本上有兩類氫氣生產(chǎn)過(guò)程。一種是用電從水中提取氫氣（即電解），第二種是利用化石燃料作為能源和/或氫氣的來(lái)源。當(dāng)用化石燃料（如天然氣、石油或煤炭）提取氫氣時(shí)，二氧化碳排放被固定在正在催化的化學(xué)反應(yīng)中。在用電來(lái)運(yùn)行電解過(guò)程的情況下，相關(guān)的排放是由電力來(lái)源的二氧化碳強(qiáng)度引起的。

使用的能源和生產(chǎn)氫氣的方法決定了它是否被非正式地視為灰色、藍(lán)色或綠色氫氣。目前，大約96%的氫氣是通過(guò)碳密集型工藝從化石燃料中生產(chǎn)的。由這些工藝生產(chǎn)的氫氣被稱為灰色氫氣。兩個(gè)主要過(guò)程是用蒸汽改造甲烷和煤氣化。當(dāng)通過(guò)這兩個(gè)過(guò)程生產(chǎn)氫氣時(shí)排放的二氧化碳通過(guò)碳捕獲和儲(chǔ)存或利用（CCS/U）被封存時(shí)，生產(chǎn)的氫氣被稱為藍(lán)氫。氫氣資產(chǎn)上的CCS/U的捕獲率范圍高達(dá)90％，這使得這種生產(chǎn)途徑從溫室氣體的角度來(lái)看相當(dāng)有效。

利用可再生資源產(chǎn)生的電能，通過(guò)電解過(guò)程生產(chǎn)的低排放或零排放的氫氣被稱為綠色氫氣。還有一個(gè)顏色代碼。由核電站供電的電解器生產(chǎn)的氫氣被稱為黃色（或紫色）氫氣。目前，利用水電解生產(chǎn)氫氣的情況很少，因?yàn)樗枰罅康碾娏?，而電力是昂貴的。這種技術(shù)通常只用于生產(chǎn)純度非常高的氫氣。

與電解有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是水的消耗。純凈水的消耗量一般在每公斤氫氣輸出10升到15升之間，而且輸入的水需要去離子處理。在沒(méi)有淡水資源的情況下，選擇包括海水淡化或廢水回收。

生產(chǎn)零排放氫氣的三個(gè)主要途徑是：（i）通過(guò)蒸汽甲烷重整（SMR），使用生物甲烷，或與CCS/U相結(jié)合；（ii）通過(guò)電解，使用可再生能源產(chǎn)生的電力；以及（iii）通過(guò)生物質(zhì)的氣化。雖然SMR和電解是成熟的技術(shù)，但生物質(zhì)氣化和帶有CCS/U的SMR仍在開(kāi)發(fā)中。目前，幾乎所有的氫氣生產(chǎn)都是通過(guò)化石燃料重整，因?yàn)樗悄壳白罱?jīng)濟(jì)的途徑。

關(guān)于藍(lán)色氫氣途徑，水的消耗是一個(gè)經(jīng)常被忽視的方面。藍(lán)色氫氣途徑消耗了大量的水，在某些情況下甚至高于電解過(guò)程。在比較生命周期清單后的體現(xiàn)水時(shí)，成果顯示每公斤氫氣的耗水量在SMR工藝中高達(dá)24升，在煤氣化工藝中高達(dá)38升。

另外一種途徑，有時(shí)被稱為綠松石（青藍(lán)色）氫氣，仍處于TRL（技術(shù)準(zhǔn)備水平）階段。它包括甲烷的熱解。目前，不同的技術(shù)解決方案正在世界范圍內(nèi)的幾個(gè)地方進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在這個(gè)過(guò)程中，天然氣被用作原料，而能源消耗來(lái)自于電力，估計(jì)是來(lái)自于低碳資源。甲烷在高溫下被分割成氫氣和固體碳（也稱為碳黑）。圖1顯示了用顏色表示的氫氣生成途徑的識(shí)別。

圖2 氫氣直接還原工藝的典型流程圖

直接還原鐵目前被用于全球鐵產(chǎn)量的約8%是通過(guò)直接還原法生產(chǎn)的。目前，直接還原鐵使用來(lái)自天然氣或煤的還原氣體。2016年，三家瑞典公司（SSAB、LKAB和Vattenfall AB）宣布，他們計(jì)劃通過(guò)使用氫氣作為還原氣體，開(kāi)發(fā)一種被稱為 "直接還原 "的鐵生產(chǎn)過(guò)程的去碳方法。他們的概念被稱為氫氣突破性煉鐵技術(shù)（HYBRIT）。HYBRIT基于氫氣作為唯一的還原氣體，產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品，而不是二氧化碳。由此產(chǎn)生的 "直接還原鐵"（DRI）可以使用電弧爐煉鋼，與傳統(tǒng)DRI的使用方式相同。圖3顯示了HYBRIT工藝的原理流程圖。

圖3 HYBRIT工藝的原理流程圖

HYBRIT工藝的主要特點(diǎn)是：（i）在球團(tuán)生產(chǎn)中使用非化石燃料；（ii）使用無(wú)化石的電力進(jìn)行電解生產(chǎn)氫氣；（iii）將氫氣儲(chǔ)存在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的設(shè)備中，作為電網(wǎng)的緩沖；（iv）使用豎爐進(jìn)行鐵礦石還原。(v) 使用定制的顆粒作為鐵礦石原料，(vi) 還原氣體/氣體混合物在注入豎爐前被預(yù)熱，(viii) 產(chǎn)品可以是DRI或HBI（熱壓塊鐵），(ix) DRI/HBI與回收的廢料一起在EAF中熔化。

HYBRIT工藝已經(jīng)評(píng)估了與新的供應(yīng)鏈設(shè)置和高爐參考案例有關(guān)的端到端能源消耗。該分析還包括從地下提取鐵礦石的采礦活動(dòng)。根據(jù)這項(xiàng)分析，一座高爐生產(chǎn)一噸粗鋼時(shí)，燃燒焦煤和石油會(huì)排放1600公斤二氧化碳。DRI路線只排放25公斤二氧化碳，同時(shí)消耗大約50公斤的氫氣，反過(guò)來(lái)使用2633千瓦時(shí)的電力。這表明，每公斤氫氣的減排效果為32公斤二氧化碳。

雖然這是對(duì)所消耗的氫氣實(shí)現(xiàn)減排的準(zhǔn)確計(jì)算，但DRI工藝產(chǎn)生的臨時(shí)海綿鐵產(chǎn)品需要在電弧爐（EAF）中加工，以生產(chǎn)粗鋼，即京東方的最終產(chǎn)品。為了使與氫氣的其他最終用途的比較正?；?，電弧爐中每噸粗鋼855千瓦時(shí)的電力消耗可以用來(lái)生產(chǎn)另外16公斤的氫氣，這意味著每公斤氫氣的正?；蕿?4公斤二氧化碳。圖4顯示了BF-BOF煉鋼與HYBRIT工藝的比較。

圖4 BF-BOF煉鋼與HYBRIT工藝的比較

現(xiàn)在，使用EAF的氫基鋼生產(chǎn)在技術(shù)上是可行的，并且已經(jīng)被認(rèn)為是鋼鐵行業(yè)大規(guī)模脫碳的潛在長(zhǎng)期解決方案的一部分。問(wèn)題不在于是否，而在于何時(shí)以及在何種程度上可以實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變。然而，有各種相互依存的因素決定了鋼鐵業(yè)何時(shí)能出現(xiàn)去碳化的臨界點(diǎn)。有一些外部因素將影響綠色氫基鋼的未來(lái)發(fā)展和采用時(shí)間。

向氫基鋼的轉(zhuǎn)變不可能在一夜之間發(fā)生。此外，目前只有一種關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的碳平衡。未來(lái)來(lái)自可再生能源的廉價(jià)能源的可用性和監(jiān)管問(wèn)題將是采用氫基鋼的兩個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。盡管實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)仍在未來(lái)28年左右，但現(xiàn)在就采取行動(dòng)是至關(guān)重要的。工業(yè)用地的壽命超過(guò)50年，投資規(guī)劃期限為10至15年。現(xiàn)在需要做出資產(chǎn)和足跡的決定，并遵循一個(gè)明確的去碳化路線圖。路線圖本身要將長(zhǎng)期目標(biāo)與可操作的快速贏利結(jié)合起來(lái)，以便逐步轉(zhuǎn)向去碳化，使所有利益相關(guān)者都參與進(jìn)來(lái)。

總的來(lái)說(shuō)，在煉鋼過(guò)程中及時(shí)從碳轉(zhuǎn)向氫，需要在大多數(shù)領(lǐng)域采取協(xié)調(diào)的政治行動(dòng)，在推動(dòng)碳的價(jià)格上升的同時(shí)，推動(dòng)氫的價(jià)格下降。反過(guò)來(lái)，降低氫氣的價(jià)格需要制定廣泛和協(xié)調(diào)的措施。這些措施對(duì)于促進(jìn)氫氣的需求和提高供應(yīng)能力是至關(guān)重要的，這是一致推動(dòng)氫氣經(jīng)濟(jì)的一部分。