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“氫”取“氫”運助力氫冶金發展

2023-10-27 11:24:00

中國冶金報 中國鋼鐵新聞網
康斌
 
  氫氣已經成為世界各國鋼鐵企業減少碳排放的主要途徑。全球各大鋼鐵企業為實現碳達峰、碳中和目標,正廣泛開展氫還原工藝研究和中試,探索氫冶金替代傳統高爐的碳還原工藝。圍繞氫冶金工藝應用,離不開氫氣的制取、儲運、應用三大環節。
  其中,氫氣的經濟化、大規模生產是氫氣在氫冶金中實現規模應用的關鍵環節,存儲運輸則是連接氫氣生產端與需求端的關鍵橋梁。接下來,筆者從氫氣的制取和儲運這兩個環節出發,介紹當前國際上氫冶金技術的幾種核心工藝技術及應用現狀。
  氫氣制取工藝路徑及應用現狀
  氫冶金核心是氫直接還原鐵工藝,鋼鐵企業目前正在探索和應用的制氫方式主要包括以下幾種。
  ●電解水制氫
  在由電極、電解質與隔膜組成的電解槽中,在電解質水溶液中通入電流,水電解后,在陰極產生氫氣,在陽極產生氧氣。電解水制氫耗電量大,成本高。目前,堿性電解水制氫(ALK)、陰離子交換膜電解水制氫(AEM)、質子交換膜電解水制氫(PEM)、固體氧化物電解水制氫(SOEC)是國際上主流的電解制氫工藝。其中,堿性電解水制氫技術最為成熟,已能夠實現大規模制氫應用。PEM制氫占地面積較小,與可再生能源的適配度更高。SOEC制氫的主要特點是工作溫度高、效率高、用蒸汽替代液態水,且可以反向運作,充當燃料電池。
  ●化石燃料重整制氫
  化石燃料主要指天然氣、石油和煤,其他還有頁巖氣和可燃冰等,其主要成分是甲烷。甲烷水蒸氣重整制氫是目前采用最多的制氫技術。在高溫高壓下,甲烷和水蒸氣反應,生成含有氫氣和一氧化碳的合成氣,再提純出氫氣。這種方法制取的氫氣量大,但會產生二氧化碳等溫室氣體。
  ●生物質制氫
  生物質制氫是指通過氣化和微生物催化脫氫方法制氫,是在生理代謝過程中產生分子氫過程的統稱。這種方法利用可再生的生物資源,但技術還不成熟,產量低、成本高。
  ●新型制氫方法
  新型制氫方法包括光化學制氫、熱化學制氫、太陽能光催化分解水制氫等技術。這些方法利用了太陽能等清潔能源,但目前還處于實驗和開發階段,尚未達到工業規模制氫要求。
  目前,我國制氫的主要方式是化石燃料制氫,這種方法成本低、產量大。為了實現低碳、清潔、高效的制氫目標,鋼鐵企業都在探索采用可再生能源電解水制氫技術,這種技術利用風能、太陽能等清潔能源通過電解將水分解為氫氣和氧氣,制氫過程沒有二氧化碳排放,也不消耗化石能源,因此是一種綠色氫氣生產方式,產生的氫氣也被稱為“綠氫”。
  可再生能源電解水制氫技術也面臨著一些挑戰和難題,如電解效率、電解設備、電力供應、氫氣儲運等方面需要進一步提高和完善。根據國際能源署研究,中東、非洲、中國、澳大利亞和南美洲等地最有希望成為綠氫集中生產基地。這些地方擁有豐富的可再生能源、便利的運輸條件。
  電解水制氫成本一般包括設備成本、原料成本(水)、能源成本(電力)及其他運營成本。其中,能源成本即電力成本所占比例最大,一般為40%~60%,電力成本主要受能源轉化效率(即電解制氫效率)因素影響。
  據2020年國際可再生能源機構(IRENA)測算,當電價下降到20美元/兆瓦時(0.13元/千瓦時)時,制氫成本大幅下降,且下降幅度明顯大于由于電解槽設備成本降低帶來的成本下降幅度,即設備成本的降低不能彌補高電價帶來的影響。在我國,只有當制氫成本降至20元/千克以下時,相比于化石燃料制氫,電解水制氫才具有一定的競爭優勢,此時可再生能源電價需降低至0.3元/千瓦時以下。
  歐盟的目標是在2030年綠氫供應量達到2000萬噸,其中1000萬噸在歐盟境內生產,1000萬噸依靠進口。為此,2030年,歐洲需要有100吉瓦的電解槽產能,才能滿足1000萬噸氫氣生產需求。
  截至2022年7月底,卡塔爾的堿性電解水制氫成本為2.59美元/千克,沙特阿拉伯為3.20美元/千克,阿曼為3.55美元/千克,阿拉伯聯合酋長國為5.14美元/千克。質子交換膜電解水制氫(PEM)成本通常比堿性電解水制氫成本高出約1美元/千克。由蒸汽甲烷重整(SMR)和碳捕獲與儲存(CCS)聯合生產的藍氫在中東地區的價格約為7美元/千克。根據中東和北非地區的可用產能,到2050年,生產成本低于1美元/千克的綠氫是可以實現的。
  氫氣儲運方式及成本對比
  氫儲運成本目前占終端氫氣價格的30%左右,經濟、高效、安全的儲運技術氫氣大規模應用的制約因素之一。
  根據氫氣的運輸形態,可以分為氣態、液態和固態等形式運輸。從運輸工具來分,可以通過管道、輪船或卡車3種載體運輸。長距離運輸主要通過新建或改造后的海底輸氫管道進行大規模氫氣運輸,比航運更具經濟性。在沒有管道的情況下,目前主要以液氫和氨等形式儲存,采用船舶進行遠距離運輸。2023年9月份,韓國浦項與美國制氨公司CF工業控股合作生產藍氨,也是采用氨將綠色氫氣運往韓國。
  從經濟性方面來講,運輸氫氣的成本與氫的需求量有關,運量和運距決定氫氣儲運的方式。
  采用哪種運輸方式,與運輸距離、運輸規模、氫的應用場景等有關,需要做全流程的設計和經濟性測算。單從運距角度考慮,管道輸氫在各運輸范圍內的成本最低,在500千米以內,長管拖車輸氫成本低于低溫液氫運輸成本;超過500千米,低溫液氫運輸更具成本優勢。目前,氫能產業仍處于初期發展階段,結合實際氫運量及實現各儲運方式所需的條件,長管拖車輸氫是氫能發展初期階段氫儲運高性價比之選。
  ●氣態氫的拖車運輸
  由于氫氣密度較小、液化溫度較低、穩定性差等特性,儲運氫的難度較大。目前國內高壓氣態儲氫技術相對成熟,在成本方面具備優勢,是現階段主要的氫氣儲運方式。受技術和成本端的制約,低溫液態、固態等其他儲氫技術僅有少量應用,總占比不到0.1%。
  高壓氣態儲氫為短距離運輸的主流選擇。目前鋼鐵行業對儲氫技術的核心要求為安全、大容量、低成本。高壓氣態儲氫操作簡單、成本較低、技術成熟,但由于壓力較大,存在一定的安全隱患,并且儲氫密度較小使得儲氫效率較低。低溫液態儲氫在儲氫密度上具有優勢,體積密度為80兆帕下高壓氣態儲氫的2倍多,但制冷耗能大、儲存成本過高。
  氫氣的短距離異地運輸主要通過集裝管束運輸車進行。集裝管束運輸車由大容積無縫鋼瓶組成容器主體,鋼瓶由瓶體兩端的支撐板固定在框架中構成集裝管束。制氫廠制得的氫氣在通過壓縮機高壓壓縮后儲存在儲氫瓶中,然后由載有6個~10個大容積儲氫瓶的長管拖車運輸。因為氫氣密度小,而儲氫壓力容器自重大,所以最終拖車所運氫氣的質量只占總運輸質量的1%~2%,運輸量為260千克/車~460千克/車。長管拖車目前只適用于運輸距離較近、輸送量較低的運輸場景。
  高壓氫氣必須經過兩次壓縮。第一次壓縮是給槽車氫罐充裝氫氣,通常壓力不超過30兆帕。第二次壓縮是在加氫站,為了給車載氫罐充氫,需要進一步壓縮至超過氫罐壓力。
  ●液態氫的車船運輸
  低溫液態儲氫是將液化氫氣儲存到絕熱真空容器中,相比于高壓氣態儲氫,低溫液態儲氫質量密度更大,儲存氫氣的純度更高。低溫液態儲氫需要使用具有良好絕熱性能的液氫儲罐,并配有嚴格的絕熱方案與冷卻設備。液化氫氣的能耗較大,使得低溫液態儲氫成本較高。低溫液化儲氫的單位成本為高壓氣態儲氫單位成本的2倍左右。
  液氫運輸是一種既能滿足較大輸氫量,又比較快速、經濟的運氫方法。液態氫的體積是氣態氫的1/800。液化氫可大幅提高氫的儲運效率,運輸、儲存容器需使用特殊合金和碳纖維增強樹脂等。
  ●氫氣管網輸送
  與氫的車船運輸相比,管網輸送氫氣是最經濟、最節能的大規模長距離輸送氫氣的方式。氣態氫的管網輸送方法主要包括純氫氣的管網輸送和氫與天然氣混合氣的管網輸送兩種。
  使用已有管網輸送氫氣是低成本、長距離輸送大量氫氣的優選方法之一。直接把天然氣管網變為氫與天然氣混合氣(含氫約15%),僅需對原有管網進行適當的改造即可。輸送純氫,則需要對原天然氣管網進行實質性的改造,包括材料和重要部件的更換、安全性措施升級等。
  隨著未來氫氣需求的不斷增加,管道運氫是實現大規模、長距離輸氫的主要方式。管道儲氫相較于長管拖車具有運輸體量大、距離遠、能耗損失少、經濟高效等多重優勢。但其鋪設難度大、投資成本較高。
  為了滿足大規模綠氫應用需求,德國薩爾茨吉特、蒂森克虜伯及安賽樂米塔爾德國公司開始規劃建設從港口到鋼鐵工業區的管網,將海上風力發電場電解制取的氫氣或進口的氫氣采用管網穩定快速輸送到鋼鐵生產廠。
  此外,新建的氫冶金項目,例如HYBRIT和H2 Green Steel項目都在項目場地附近建設綠色制氫設施。為了保障氫氣供應的穩定性,HYBRIT項目還利用合作方的礦洞建設儲氫點。
  資源稀缺的鋼鐵企業,則選擇在可再生能源豐富的地區投資建設綠色電解制氫廠,例如浦項在澳大利亞、中東等地區開發綠氫資源,后期采用氨運輸氫氣,以滿足國內生產需要。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:陳燦

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