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氢云声明下对氢能炼钢的思考
发布时间:2020-10-16   浏览次数:278

液态氢的密度是气态氢的845倍,体积能量密度比压缩氢高几倍。每公斤气态氢转化为液态氢需要4-10kWh的电能。对储氢容器的要求极其严格,需要耐超低温,长时间保持超低温,耐压,严格隔热。对材料要求极高,所以这种方法极其不经济。现在只在航天领域使用。

但从制氢的碳排放强度来看,电网制氢高达32 kg二氧化碳/kg氢气;其他路线的碳强度如下:煤制氢(20)、天然气制氢(10)、煤碳捕集与储存(2)、天然气制氢(1)。整个综合过程使用氢能炼钢,从碳减排方面也需要进一步分析。

根据国际能源署的汇总数据,我国不同制氢技术路径的成本和碳强度如下:电网电解水制氢成本最高(约5.5美元/千克);可再生能源制氢成本(约3美元/千克);通过碳捕获和天然气储存制氢(约2.5美元/千克);天然气制氢(约1.8美元/千克);煤制氢(1美元/千克);煤制氢和碳捕获与储存(1.5美元/千克)。

以宝五集团为例,宝钢燃气在上海基地拥有1000 m/h的高纯氢气充装能力;常州基地制氢能力3000m/h;泰兴基地具有4000 m/h的灌装能力和市场规模;湛江基地生产能力3000m/h;在建产能可达11000m /h,主要途径是焦炉煤气制氢。

使用高压气态储氢有一个致命的隐患,就是DOE的靶体储氢量为70g/L,而现在钢瓶能达到的最高体积比容量只有25g/L.而且必须能承受高压,保证安静。目前国际上主要接受碳纤维气瓶。碳纤维价格昂贵,不是理想的选择,可以作为过渡阶段。

高压气态储氢是最常用的储氢技术,具有成熟的成长率。它的储存方式是接受高压,将氢气压缩到一个耐高压的容器中。现在使用的容器是钢瓶,结构简单,制备压缩氢气能耗低,充放速度快。但存在泄漏爆炸隐患,静音性能相对较低。但随着氢能应用的逐步市场化和扩大,对钢瓶的需求将呈现快速增长的趋势,这一领域的市场值得关注。

袁泉:钢铁智能

1.1 氢气制备

《工业关键共性技术生长指南(2017年)》公布2017年将氢竖炉直接还原和清洁冶炼技术列为重点技术内容,包括:1直接还原工艺和先进节能煤气技术;2 .焦炉煤气生产技术;3蓄热式管式加热炉技术;4 .蓄热式气体熔化和熔炼技术等。

1.1.1 电解水制氢

(1)氢气放大技术:提高焦炉煤气(COG)中的氢气含量,以满足高炉的氢气还原要求。

1.1.2 水煤气法制氢

石油热裂解产生的氢气量很大,常用于汽油加氢、石油化工和化肥厂所需的氢气。这种制氢方法已被世界上许多国家所接受,并用于我国石化基地制氢,如青化肥厂渤海油田的石化基地。

1.1.3 由石油热裂的合成气和天然气制氢

目前,氢还原炼铁法有以下四项关键技术需要突破:

以无烟煤或焦炭为原料,在高温下与水蒸气反应得到水煤气(CH2O COH2-heat)。净化后,与水蒸气一起通过催化剂,将一氧化碳转化为二氧化碳(一氧化碳H2O二氧化碳H2),得到氢气含量在80%以上的气体,然后将其压入水中溶解二氧化碳,然后

1.1.4 焦炉煤气制氢

(3)开发超耐热\超耐腐蚀材料:要开发能含有高温高压氢,能在900度以上高温下储存的超耐腐蚀高温材料。

(4)利用氢气直接还原铁(DRI)生产技术:开发利用氢气将铁矿石直接固态还原成DRI的生产技术,以利用DRI替代电炉使用的高品位废钢。

1.1.5 核能制氢

图9:各种方式的制氢成本

核能制氢的本质是利用核电站产生的电能和热能生产氢气。目前,电解水制氢和热化学制氢仍有两种主要形式。但前者自转化能力低,综合效率在30%左右。因此,更多的核电部门关注热化学制氢,具有良好的应用前景。

1.2 氢气制备成本盘算

目前最著名的氢能炼钢应用企业是瑞典SSAB钢厂的HYBIRT项目,主要利用电解水产生的氢气直接还原铁。根据裴文国在公共场所的发言,假设电价维持在目前水平,直接还原铁工艺可能会使粗钢价格提高20%到30%。此外,大瀑布公司的Mikael Nordlander表示,如果HYBRIT全面投产,每年将消耗约150亿千瓦时的电力,占瑞典目前电力供应的10%。

随着宝武与CNNC的相互协助,以及近日瑞典SAAB钢厂不断曝光的氢气炼钢信息,氢气炼钢技术成为2019年最热门的钢铁事件之一。同时,前两年还是前瞻性技术的氢能应用也上升到国家层面,成为国家战略技术,得到广泛关注和增长。在汽车领域,氢能发电首当其冲,其次是包括钢铁制造在内的几乎所有传统耗能行业。

目前,市场上主流的制氢方法包括电解水、水煤气和合成气以及石油热解产生的天然气。随着第四代核电站在世界范围内的普及,近年来核制氢逐渐进入人们的视野。

2019年1月15日,中国核电集团、中国宝武钢铁集团和清华大学签署了氢能炼钢互助框架协议,致力于打造世界领先的核冶金产业联盟,将核能制氢纳入人们的视野。

1.3 储氢质料分析

根据美国核氢启动计划(NHI)的研究分析,当反应堆系统接受HTGR时,假设核供热系统(NHSS)产生550 MWt的热量,并将910的氦气输送至过程耦合换热器,返回NHSS的氦气温度为275 ~ 350。考虑到石化工业的需求,一个反应器配备一个制氢装置,规模约为175,000 nm3/h (365 t/d 4.2 kg/s)。如果制氢装置接受高温电解工艺,除了为制氢装置供热外,余热接受兰金循环和汽轮机发电产生的电能,电电解制氢价格为3.60 ~ 4.40美元/公斤,而国内主流商用氢加气站的成本可能为60元/公斤

氢的密度只有0.0899 kg/m,是水的万分之一,所以氢的高密度储存一直是世界级的难题。目前储氢方法主要分为三种:低温液态储氢、高压气态储氢和储氢材料。

水电解制氢通常采用以铁为阴极、镍为阳极的系列电解槽电解苛性钾或苛性钠水溶液。氧气来自阳极,氢气来自阴极。该方法成本高,但产品纯度可直接生产氢气,纯度在99.7%以上。通常供应这种纯度的氢:(1)电子、仪器和仪表工业中使用的还原剂和保护气体,以及热处理磷的惩罚

(2)实际操作中的新技术开发:吹氢技术、炉内化学反应优化技术、难选原矿和低品位矿还原技术、焦炭\烧结矿\炉渣质量设计技术等。实际操作中所需的新技术开发非常重要。

1.4 氢能炼钢成本与情况影响

目前,焦炉煤气制氢技术已经成熟,氢气是通过变压吸附(PSA)或催化重整裂解获得的。目前,变压吸附(PSA)技术广泛应用于炼焦煤炉气,且成本相对较低。据估计,大型变压吸附制氢的成本将在1元/米的吴海宝集团、鞍钢和攀钢得到应用

由于上述条件的限制,氢能在整个行业中很难炼钢。相关技术需要获得爆炸性增长,或者人才可以在相关政府机构的大量补贴下实现。综合考虑形势因素,核电仍将是更合理的选择。

根据世界钢铁协会2018年世界钢铁声明,瑞典全国钢铁产能将从2018年的470万吨,到2050年达到1000万吨。

在电源结构上,瑞典83%的电力是水电和核电,不到传统火电的1%,而我国单一火电比例高达76%。根据统计局的统计,中国钢铁工业占总用电量的10%,而中国仍然以高炉炼钢为主要生产手段。在理想情况下,中国需要在不考虑生产成本的情况下,至少增加80%的电力供应。这显然是一个高不可攀的目标。同时,中国以火电为主的用电增加,势必造成更多的二氧化碳排放。综合考虑会大大增加整体二氧化碳排放量。

表1:每种制氢方法的优缺点

储氢材料储氢是利用氢气和储氢材料之间的物理或化学变化转化为固溶体或氢化物的一种储氢方法。储氢材料最大的优点是体积密度高。相同质量的储氢材料占用储存空间最少,操作简单,运输方便,具有成本低、安静度高的特点。它正好克服了高压气态氢储存和低温液态氢储存的缺点,但仍有一些技术问题亟待解决。目前储氢材料可分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢,其中物理吸附储氢可分为金属有机骨架(MOFs)和纳米结构碳材料,化学氢化物储氢可分为金属氢化物和非金属氢化物。

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