“碳中和”成功实现的关键：氢能在工业领域的应用式

 

　　当前，氢能主要应用于工业领域，如炼油、氨生产、甲醇生产、炼钢等，绝大部分氢能来源于化石燃料。这里面炼油和氨生产对氢气的使用量最大，大约能达到33%和27%。钢铁行业目前用氢量较少，仅为3%左右。 

 

　　在工业领域，钢铁、冶金、水泥等高耗能产业既是碳排放的大户，又是深度减碳的难点。 

 

　　全球工业碳排放的45%来自钢铁、水泥等高耗能产业，其中高耗能产业碳排放的45%来自于工业原料的使用，35%是为生产高位热能而排放，20%来自于生产低位热能环节。 

 

　　人们常说的电能替代并不能解决高耗能产业的减碳问题。为什么这么说呢？因为即使使用可再生能源电气化手段，也只能降低高耗能产业中低位热能那部分碳排放，而这部分只占20%左右。对于工业领域因原料和高位热能而产生的80%的碳排放，目前还是无能为力。（数据来源于麦肯锡《工业部门脱碳方案》） 

 

　　钢铁、冶金、石化、水泥的生产过程中需要大量的高位热能，所谓高位热能是指需要高于400℃的热能，这部分热能很难用电气化的方式来解决。 

 

　　以钢铁行业为例，钢铁是工业的碳排放大户，当前全球钢铁的75%采用高炉进行生产，在高炉所采用的“长流程”生产方式中，都是添加焦炭作为铁矿石还原剂。在这种情况下，每生产一吨生铁需要消耗1.6吨的铁矿石、0.3吨的焦炭和0.2吨的煤粉。也就是说，生产每吨钢铁的碳排放强度达到2.1吨。 

 

　　高炉的还原过程所产生的碳排放占到钢铁生产全部碳排放的90%。因为碳排放过多，人们已经开始使用天然气代替焦炭作为还原剂，然后通过电弧炉将海绵铁转化为钢，这是人们为了减少炼钢过程中碳排放的一种尝试，可惜仍然无法达到深度脱碳。 

 

　　为了进一步解决钢铁行业的碳排放压力，很多欧美国家开始探索氢冶金技术，而且取得了巨大的进展。 

 

　　（1）在最新的氢能炼钢工艺中，在低于矿石的软化温度下，用氢气直接作为还原剂可以将铁矿石直接还原成海绵铁，海绵铁中碳和硅的含量较低，成分已经类似于钢，可以替代废钢直接用于炼钢。 

 

　　（2）用氢代替焦炭和天然气作为还原剂，可以基本消除炼铁和炼钢过程中的绝大部分碳排放。如果随着可再生能源成本下降，以及制氢工艺的成熟，能够实现可再生能源电解水制氢，在轧铸环节使用可再生能源发电，最后基本可以实现钢铁生产的近零排放。 

 

　　我国在利用氢能实现冶金工业深度脱碳方面也有很多尝试。以中核集团、中国宝武集团为代表，这些企业正在探索利用氢气取代碳作为还原剂的氢冶金技术，推动钢铁冶金基本实现二氧化碳的零排放。2019年1月，中核集团与中国宝武、清华大学签订了《核能—制氢—冶金耦合技术战略合作框架协议》，就核能制氢——冶金耦合技术展开合作。 

 

　　氢能利用的挑战