MIDREX H2TM 超低CO2排放炼铁技术及MIDREX过渡到氢经济工艺

　　Midrex Technologies, Inc., 米德雷克思冶炼技术服务（上海）有限公司

　　1 背景

　　巴黎协议在2016年地球日签署，于当年11月4日生效。协议的目标是“应对气侯变化的威胁，共同担负起保证地球温度在本世纪比前工业化时代升温不超过2摄氏度”[1]。降低工业部门的二气化碳 (CO2) 排放被视为实现目标最关键的挑战，其中钢铁工业是温室气体排放的最大户，占总排放量的7-9% ，因为其主要靠煤作为燃料。世界大约75%的钢铁是由高炉和转炉联合工艺生产，高炉用焦炭作为燃料生产含碳~4.5%左右的铁水，铁水中的碳在转炉中被喷吹的氧气氧化为二氧化碳来提供炼钢升温的热源。BF/BOF 联合工艺不管采用哪种具体技术，其CO2排放大约在1.6-2.0 kgCO2/kg 范围内。天然气基的MIDREX?直接还原联合电炉的炼钢工艺是目前基于原矿的冶炼工艺中CO2排放最低的商业化的路线，排放在1.1-1.2 kgCO2/kg钢。通过配备CO2脱除系统，MIDREX工艺还可以进一步降低CO2排放到BF/BOF流程的三分之一左右。

　　然而通过采用氢气为燃料和还原剂的工艺有更大的降排放潜力。最彻底的降低钢铁工业碳排放的方式是采用绿氢（使用可再生能源制备的氢气）。用MIDREX竖炉生产直接还原铁炼钢。MIDREX H2?就是这一技术，可以在现有工厂基础上改造实现，也可以新建基于氢气的工厂。实现氢基直接还原的最重要障碍是生产大量无碳排放印迹的经济的绿氢，目前氢气主要通过蒸汽甲烷重整工艺制备。

　　2 朝向氢经济的

　　除了核能，今天使用的能源大部分都来自于碳氢化合物资源：石油，煤，天然气。风能、太阳能、水利发电等可再生能源逐步扩大份额，但其普及仍受制于地理条件及电网承受可再生能源波动的能力（这也被称之为鸭子曲线）。电能的储存和传输成本也非常高。

　　氢经济是采用氢气为能源的体系。它可以解决使用传统碳氢化合物能源的一些弊端,

　　例如产生CO2, CO和未被燃烧的残余物等。世界范围内的氢经济提倡者认为氢能对终端用户来说是更清洁的能源，不会排放污染物，它不产生粉尘，CO2，燃烧产物是水。

　　但氢能仍需要克服一些问题才能变成主要经济能源。例如，氢气重量载能效率很高，但体积载能效率很低，因此需要压缩或者液化，其次氢燃料生产成本太高。其它问题诸如储存，供给基础设施，氢纯度，安全性等。

　　还有“先有鸡还是先有蛋的问题”，潜在的氢气生产单位需要需求达到一定规模才开始投资规模化的生产氢气，而消费端声称只有氢气能大规模低成本供给才会考虑应用。工业部门，学术部门，政府和消费者需要一起合作来解决这些挑战。许多国家和政府已经开始启动一些尝试，探索实现氢经济的可能性。

　　3 目前氢气的制备和用户

　　氢气现在主要有两大用户，大约一半的氢用于制造合成氨化肥，另一半用于重油加氢制轻油。氢气裂解可以将贫质资源如焦油和叶岩油改质为轻油。2016年统计96%的氢气来源于化石原料，其中48%从天然气制备，30%来自于油，18%来自于煤。大部分这类“蓝”氢在制氢现场使用，并没有被交易或输送。大量的氢气是用天然气与蒸汽重整反应生成，重整反应生成一份氢气同时产生一份一氧化碳，然后分离出一氧化碳制得氢气。这种制氢方式并不能大幅降低CO2排放。虽然有捕集分离CO2的工艺可配备，但CO2产生量大大超出高纯CO2的需求量，因此并不能有效降低CO2排放。直接还原铁工艺也属于通过天然气制氢并在现场消耗掉其产生的氢气的一种工艺。

　　4 绿氢

　　另外一种制氢的主要工艺是电解水，制氢同时也制取氧气，其占比在4%左右。因为电解水的原料中并不含碳，所以似乎是绿氢。然而它的推广有两个问题：1）在大部分国家，电主要靠化石能源来发，过程中的碳足迹非常明显。2）用电制取氢气的成本非常高，因为电本身在很多国家就很贵（其成本是蒸汽重整的两倍）。

　　2016年，美国能源部推出H2@Scale计划来促进氢气应用，改善制氢的经济性，增加运输、储存，调节其相对其它能源的使用效益【2】。这包括联合大学，国家实验室，工业部门共同推进，设立研发项目，提供融资支持。制氢方式也不仅仅限于利用可再生能源，还考虑了其平衡发电与用电需求波动的作用，将富余电力制氢。这种灵活的制氢和使用氢的方式比单纯用可再生能源制氢更经济，更易实现应用。

　　绿氢在很多方面取得进步，用于交通运输最显著，现在已有商业化的交通工具例如氢能公共汽车，短驳货车，叉车等。加州有氢能车的示范项目，但把这种集中式的项目推广至大范围应用仍需要大量的昂贵氢能基础设施建设。而且安全，高能量储存密度的储氢装备仍是需要攻克的技术难题。工业用氢气可以在现场制备，其储运成本很低。钢铁厂也有条件实现用蒸汽或其它气体制取氢气。

　　在制取，输送，储存和使用氢气众多环节中，工业制氢是目前最有可为的领域，现在已有很多可选的技术来用水制取氢气，最成熟的技术是碱性电解。质子交换薄膜技术已在商业化应用阶段，固体氧化物电解排在示范阶段。虽然这些技术的制氢成本暂时竞争不过蒸汽重整工艺，但已降低差距到两倍不到。图1是关于氢经济性的愿景：如果每度电的成本是1美分，制取氢气的成本与蒸汽重整差不多（从左数第二个柱），今后的研发改进还会降低电解氢气的成本。

　　毫无疑问，增大规模能降低电解工艺的投资。世界制氢规模正在不断迅速扩张，2017年美国能源部估计电解制氢规模约为100MW.目前商业化的电解制氢装备单台规模已达1MW，更大规模的电解制氢装备正在到来，例如 voestalpine 正在调试一台6MW 装备，Air Liquide在2019年2月宣制在加拿大开始建设一台20MW 装备. 2018年，挪威内尔 签订了1GW 的合同，其最大装备功率达360MW。目前的技术产氢效率在 ~200Nm3/h 每 MW，不同技术略微有些差别。

　　降低制氢成本的另一方面是降低电的成本，表1说明了为达到与蒸汽重整相同的制氢成本需要的电价。电力成本不同国家差别很大，但电力成本今后很长一段时间都难以达到这样的水平。

　　5 氢炼铁

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