我國氫冶金工藝發(fā)展路徑及政策建議

yaohbsg 2024-06-22 發(fā)布于廣東

展開全文

一、我國氫能發(fā)展方向建議

氫能發(fā)展需要正視氫能生產(chǎn)中的問題和短板，強(qiáng)化頂層設(shè)計和配套政策，探索和形成規(guī)模化發(fā)展的商業(yè)模式。

(1)大規(guī)模廉價的氫氣來源。氫能作為清潔低碳能源，未能大規(guī)模應(yīng)用，成本高是問題所在，現(xiàn)在綠氫制備價格在5元/m³左右，是天然氣的2倍以上，需要從源頭上降低氫氣價格。核能蒸汽熱化學(xué)循環(huán)是未來制氫發(fā)展的方向，只有保證穩(wěn)定、充足的來源才能為下游終端用戶創(chuàng)造良好環(huán)境。

(2)以自然壟斷促進(jìn)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。要讓氫能發(fā)展成未來社會的必需品，可以參考水、電、天然氣、通信的發(fā)展模式，大規(guī)模建造氫氣運輸、儲存網(wǎng)絡(luò)來降低成本。

(3)氫能發(fā)展應(yīng)先粗后精。目前備受關(guān)注的燃料電池技術(shù)雖然成果較大，極大地提升了氫能利用效率，但是對于氫氣純度要求太苛刻，一般要達(dá)到99.99%以上。如能開發(fā)出純度要求不高的混合氣體燃料電池，或者是直接開發(fā)高效率的內(nèi)燃式氫氣發(fā)動機(jī)，或許更能促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在初期發(fā)展階段，建議可考慮用氫氣替代一部分天然氣，讓氫能先應(yīng)用于生活、生產(chǎn)能源，改變社會能源結(jié)構(gòu)，先達(dá)到減排的作用。

(4)加大氫能產(chǎn)業(yè)的扶持力度。新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初期階段都離不開政府政策的支持，政府資金政策扶持可降低投資者初期風(fēng)險?？刹扇『献鞯姆绞接型顿Y建設(shè)加氫站，補(bǔ)貼氫氣運輸管道建設(shè)，獎勵儲氫材料、氫能技術(shù)開發(fā)研究等。

二、我國氫冶金工藝發(fā)展路徑建議

氫氣具有高能量密度、高還原性及清潔的特點，因此氫能擁有極其廣泛的應(yīng)用場景。在全球環(huán)保趨嚴(yán)的大背景下，氫冶金在未來必會占據(jù)一席之地。近年來，我國氫能產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策陸續(xù)發(fā)布，氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。目前氫能產(chǎn)業(yè)投資大、周期長，短期內(nèi)難以盈利。針對氫冶金工藝，我國仍存在諸多問題尚未解決，如高爐噴吹富氫氣體量、低成本制氫氣、氫氣存儲、氫基豎爐氫冶金技術(shù)等。相較于國外，我國氫冶金發(fā)展起步較晚，整個產(chǎn)業(yè)鏈尚不健全。因此，針對我國氫冶金工藝發(fā)展路徑提出如下建議。

(1)從傳統(tǒng)鋼鐵流程開始著手，降低長流程煉鋼碳排放。我國提出“2060年碳中和”目標(biāo)，既體現(xiàn)了我國在環(huán)境保護(hù)和應(yīng)對氣候變化問題上的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)，也有利于我國推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、綠色低碳發(fā)展和提升國際影響力，是一項重大的戰(zhàn)略決策，影響巨大。我國鋼鐵行業(yè)碳排放管理標(biāo)準(zhǔn)化工作尚處于起步階段，降低鋼鐵企業(yè)碳排放任務(wù)重、時間緊、壓力大，而目前冶金工藝在我國規(guī)模較小，暫不宜將重心導(dǎo)向氫冶金工藝建設(shè)，而是需要從我國傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐流程著手，逐漸降低長流程鋼鐵生產(chǎn)的碳排放，力爭我國二氧化碳排放于 2030 年前盡早達(dá)到峰值。

以提高長流程煉鐵精料標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)為例，全面修訂煉鐵清潔生產(chǎn)國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中使用精料的要求，將所有煉鐵爐的入爐原料平均含鐵量，統(tǒng)一定為大于66%、64%~ 66%、62%~ 64% 三個等級;同時要求入爐煉鐵原料中的球團(tuán)礦比例必須達(dá)到 30%(高爐)、60%(豎爐)以上;煉鋼原料的廢鋼比不低于15%(轉(zhuǎn)爐)和 60%(電爐);禁止廢鋼出口，對進(jìn)口的高品位鐵礦石(含鐵高于66%)的原料、優(yōu)質(zhì)廢鋼(含鐵高于90%)實施減稅;開始對生產(chǎn)每噸產(chǎn)品CO2排放量超過3t的任何產(chǎn)品分級分期增稅；用國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)規(guī)則和財稅政策，從前端引領(lǐng)并大力推動我國鋼鐵生產(chǎn)工藝向低碳、綠色生產(chǎn)工藝方向高質(zhì)量發(fā)展。

(2)發(fā)展非高爐煉鐵技術(shù)，推進(jìn)我國由“傳統(tǒng)長流程煉鋼模式”向“直接還原鐵+廢鋼-電爐煉鋼短流程煉鋼模式”轉(zhuǎn)型。以電爐為標(biāo)志的短流程煉鋼具有低排放、低投資、廢鋼循環(huán)利用等諸多特點，相比于“高爐-轉(zhuǎn)爐”長流程煉鋼，電弧爐短流程煉鋼以廢鋼為主要原料，具有工序短、投資省、建設(shè)快、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)勢，是降低行業(yè)排放、減少污染、置換長流程產(chǎn)能的有效途徑。而更適用于短流程煉鋼的COREX、FINEX等非高爐煉鐵技術(shù)，相比于傳統(tǒng)高爐煉鐵方法，更加節(jié)能減排、高效環(huán)保，但目前這些熔融還原煉鐵工藝仍存在諸如作業(yè)率偏低、投資大、燃料比較高、成本無優(yōu)勢等問題。隨著相關(guān)技術(shù)和工業(yè)實踐的發(fā)展，這些問題或?qū)⒌玫接行Ы鉀Q。

目前，焦煤資源呈現(xiàn)世界性短缺，供應(yīng)緊張和價格高漲已成制約傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要因素，而且傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)對環(huán)境污染嚴(yán)重，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展承受環(huán)境保護(hù)的壓力增大，環(huán)保政策嚴(yán)苛，環(huán)保投資高。我國鋼鐵工業(yè)未來鋼鐵流程的優(yōu)化和高質(zhì)量發(fā)展，需發(fā)揮國內(nèi)煤炭、焦?fàn)t煤氣等豐富的能源優(yōu)勢，在煤制氣或焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵方面創(chuàng)新突破；扶持非高爐煉鐵產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展“直接還原鐵+廢鋼-電爐煉鋼”等生產(chǎn)模式，推進(jìn)我國由傳統(tǒng)長流程煉鋼向短流程煉鋼模式轉(zhuǎn)型。

(3)加大對氫冶金有關(guān)高品位鐵精礦及氧化球團(tuán)生產(chǎn)新工藝的扶持力度。希望國家政府部門出臺優(yōu)惠激勵政策，對氫冶金關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新、技改項目給予全力支持，尤其是高品位鐵精礦生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目、大型優(yōu)質(zhì)氧化球團(tuán)礦生產(chǎn)工藝設(shè)備推廣應(yīng)用等精料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，以及氫冶金配套的煤制氣設(shè)備的生產(chǎn)建設(shè)、煤氣化用煤指標(biāo)、氫氣豎爐的產(chǎn)能報備等，這些是氫冶金技術(shù)進(jìn)步和成功推廣應(yīng)用的依靠和保障。世界高爐煉鐵的最先進(jìn)指標(biāo)是由使用 50%~100%球團(tuán)礦的高爐實現(xiàn)的，從先進(jìn)的精料和合理爐料結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢看，我國應(yīng)大力發(fā)展高品位球團(tuán)生產(chǎn)，并全面提高球團(tuán)的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量水平，進(jìn)一步提高球團(tuán)礦在煉鐵爐中的用量比例。要實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，鋼鐵企業(yè)最缺少的是在現(xiàn)有鋼鐵生產(chǎn)基地附近，就近建設(shè)高品位磁化焙燒生產(chǎn)高品位鐵精礦的生產(chǎn)線，以及充分利用企業(yè)現(xiàn)有鐵粉礦資源(包括目前大量進(jìn)口供燒結(jié)礦生產(chǎn)使用的含 TFe 60%~63%粉礦)通過磁化焙燒等選礦技術(shù)，選別出TFe>66%~68% 的高品位鐵精礦的生產(chǎn)基地、大型優(yōu)質(zhì)球團(tuán)礦生產(chǎn)工藝設(shè)施，建設(shè)氫冶金產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)線示范基地的工程項目等。這些項目涉及與工程有關(guān)的土地、交通、能源、水源、環(huán)保等一系列程序，需要政府審批、支持和協(xié)調(diào)。

我國氫冶金應(yīng)從源頭入手，大力度支持發(fā)展高品位鐵精礦及優(yōu)質(zhì)氧化球團(tuán)礦生產(chǎn)，提高高爐入爐原料的鐵品位；以氫代碳煉鐵方面，重點鼓勵有焦化廠的企業(yè)發(fā)展煤制氣，置換出焦?fàn)t煤氣制氫，用于氫冶金豎爐生產(chǎn)DRI+廢鋼短流程煉鋼，增加高附值鋼材產(chǎn)品比例；在現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)線中，盡快建設(shè)首座氫氣豎爐，逐步增加氫冶金短流程煉鋼，以及提高使用綠電、綠氫的比例。重點推動在華東，華北，華南，華中各成一座規(guī)模年產(chǎn)百萬噸左右，以氫代碳煉鐵的短流程煉鋼示范工程，作為研發(fā)氫冶金關(guān)鍵技術(shù)、推廣應(yīng)用、培養(yǎng)人才的基地。

(4)逐步開展大規(guī)模氫冶金工藝。未來隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，低成本制取“綠氫”、儲氫和加氫等關(guān)鍵技術(shù)必將有所突破，氫能將逐漸在我國能源生產(chǎn)中占有一席之地，氫新能源的大規(guī)模使用以及成本的快速下降，將會是我國大規(guī)模發(fā)展氫冶金工藝的最佳時期。從長遠(yuǎn)發(fā)展角度考慮，在水電、風(fēng)電資源豐富的地區(qū)優(yōu)先推進(jìn)氫冶金，使用清潔電力資源制氫，減少電力運輸?shù)南模档蜌湟苯鸸に嚦杀?，實現(xiàn)低碳甚至零碳排放目標(biāo)。

(5)加強(qiáng)核心技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和全球化布局。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球主要國家氫能源和燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)明專利特有情況如下，日本占 56.32%、美國占 13.63%、中國占8.92%、韓國占 8.28%、德國占5.57%。其他國家占7.27%。中國雖然躋身前三名，但是與日本、美國的差距較大，與后來者韓國和德國相比領(lǐng)先優(yōu)勢不明顯。建議相關(guān)的行業(yè)和企業(yè)加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)和氫冶金關(guān)鍵技術(shù)和裝備國產(chǎn)化知識產(chǎn)權(quán)自主化建設(shè)，企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)及裝備方面的成果要及時申請專利，同時進(jìn)行全球化專利布局。

氫冶金工藝發(fā)展是長遠(yuǎn)目標(biāo)，近二三十年內(nèi)并不會大規(guī)模實施和發(fā)展，但在未來，隨著雙碳政策的實施，氫冶金工藝必將在鋼鐵生產(chǎn)中占有一席之地。未來碳排放權(quán)交易的實施將會使得碳冶金的成本提高，而氫冶金的成本相對下降，屆時氫冶金會比碳冶金更有競爭力。

三、我國氫冶金發(fā)展政策建議

（1）國家氫冶金產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行頂層設(shè)計。在我國 2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的大背景下，能源利用是未來投資的重點領(lǐng)域?！笆奈濉逼陂g我國將迎來氫冶金投資項目的發(fā)展熱潮，但如果方向不明、定位不清，將會造成盲目投資，項目投入成本過高。國家需要盡早制定氫冶金的技術(shù)路線圖、編制氫冶金戰(zhàn)略和規(guī)劃、做好頂層設(shè)計、統(tǒng)籌我國氫能及氫冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展、構(gòu)建有序高效發(fā)展環(huán)境，為制定和優(yōu)化相關(guān)政策提供可靠支撐。

建議氫冶金發(fā)展要分階段、有序進(jìn)行，現(xiàn)階段主要發(fā)展高爐噴吹氫氣富氫還原及冶金-電爐短流程，以期在 2030年前鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰。在我國焦?fàn)t煤氣/煤制氣-富氫豎爐形成一定規(guī)模后，逐漸過渡至風(fēng)能制氫、太陽能制氫及核能制氫等以100%綠氫為還原氣的全氫豎爐氫冶金技術(shù)，進(jìn)而在2060年前使鋼鐵行業(yè)碳排放達(dá)到最低值，為國家實現(xiàn)碳中和貢獻(xiàn)行業(yè)力量。

（2）建立完善氫冶金的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。針對氫能產(chǎn)業(yè)和氫冶金領(lǐng)域，除做好高質(zhì)量的統(tǒng)籌規(guī)劃外，標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)同樣不可或缺。為此，建議成立氫能產(chǎn)業(yè)及氫冶金標(biāo)準(zhǔn)化工作組，盡快立項制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)，合理引導(dǎo)和促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)和氫冶金工藝健康發(fā)展。

（3）知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)及全球布局。中國氫能源專利主要集中在氫燃料電池，與冶金相關(guān)專利數(shù)量有限，且中國在氫冶金關(guān)鍵設(shè)備，特別是氣基豎爐方面授權(quán)的發(fā)明專利僅有十余項。建議相關(guān)的行業(yè)和企業(yè)加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)和氫冶金關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備國產(chǎn)化、知識產(chǎn)權(quán)自主化建設(shè)，企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)及裝備方面的成果要及時申請專利，同時進(jìn)行全球化專利布局。中國要在未來全球冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有技術(shù)輸出的能力。

（4）氫冶金示范工程的政策支持和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼。我國氫冶金發(fā)展緩慢的最主要原因為氫氣或富氫還原氣難以大規(guī)模廉價獲得，因此氫冶金成本居高不下，企業(yè)缺乏發(fā)展氫冶金的動力。建議國家層面可以對建設(shè)氫冶金的企業(yè)通過直接或者降低碳稅的方式，進(jìn)行一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，以此降低氫冶金的成本門檻。煤制氫技術(shù)作為碳達(dá)峰前氫冶金發(fā)展的重要過渡階段，建議對相關(guān)示范企業(yè)的煤炭使用給予寬松的政策支持。

此外，氫冶金的研究要實現(xiàn)重大突破，需要大量的啟動和研發(fā)資金，國家資金的投入將會大幅提高技術(shù)攻關(guān)速度，建議將氫冶金列入國家重大專項、科技攻關(guān)等項目申報指南，作為國家重大戰(zhàn)略方向予以專項經(jīng)費資助。

來源：中國金屬學(xué)會