课题组长朱庆山做客[央视科教] 透视新科技- 探索”氢气炼铁”的科学奥秘
当今世界,资源能源利用效率已经成为衡量国家制造业竞争力的重要因素,绿色发展已经成为全球范围内工业转型升级的大趋势。
2020年9月我国明确提出2030“碳达峰”与2060“碳中和”国家战略目标,在此背景下,钢铁行业转型升级势在必行,其中“以氢代煤”炼铁被认为是行业发展的一大趋势,这项技术在我国目前发展到哪一步,距离真正到来还要多久呢?
中科院过程工程所 朱庆山 研究员
中科院力学所 郭亮 工程师
做客央视
联袂为你揭示氢气炼铁背后的科学奥秘
视频链接:《透视新科技》 20220816 氢能炼铁_CCTV节目官网-CCTV-10_央视网(cctv.com)
2010年底,北京首钢集团石景山园区全面停产,这个在永定河旁矗立了近百年的大型钢铁厂正式宣告搬离北京。这次搬迁除了城市规划之外,还有一个重要的原因,就是首钢在生产过程中使用了大量煤炭,造成了周边空气的污染。
根据中国环境科学研究院的一份报告显示,在2003年北京排放可吸入颗粒物约8万吨,其中首钢排放了1.8万吨,占总排放量的23%。这些可吸入颗粒物是产生霾的主要原因,会对人的呼吸系统带来伤害。除此之外,炼铁的过程中排放的大量二氧化碳,导致了全球气候变化。为了解决这些问题,科研人员提出用清洁的氢替代煤炭用于钢铁的生产。
胜春(主持人):对于炼钢,你的印象是怎么样的?
郭亮:一提到炼钢厂,那就知道冒烟的那个,然后就是脏兮兮的。小时候,我们出去玩的时候,衣领或者袖口,就经常是黑的,其实并不是我们玩得很脏,就是空气里面弥漫着那种工业的味道。
朱庆山:我们现在也都在想办法降污,比如现在搞超低排放,已经大幅降低了污染物排放量。原来我们讲的绿色生产过程,最主要的就是减少粉尘、氮氧化物、二氧化硫的排放,它们在空气中跟雨发生光化学反应形成酸雨,它落下来以后会腐蚀各种各样的东西。以前我们对二氧化碳并不是很关注,随着近一二十年温室效应带来的全球气候变暖现象,大家开始关注二氧化碳,因此,我们现在要非常关注钢铁行业的二氧化碳的排放量有多少。
据世界气象组织发布的报告显示,自工业革命以来,由于化石能源的大量使用,二氧化碳的排放使全球平均气温上升了约1.2℃。气象学家们推测,如果保持目前二氧化碳的排放水平,到本世纪末,地球的气温将上升3至5℃,那将给人类带来难以预料的灾难。海洋里的珊瑚礁将迅速退化,许多鱼类会随之灭绝,极地冰川也会大量融化,让海平面上升,陆地缩小,气温升高还会带来极端天气的频发,比如高温、暴雨、飓风、冰雹、沙尘暴等等。这些都会严重影响人类的生活,所以降低以二氧化碳为主的温室气体的排放,成为全球各国的目标。
钢铁行业是排放大户,2020年,我国钢铁行业碳排放量约14.5亿吨,占全国总量的15%左右,也是所有工业行业之首。但是钢铁的重要性,也决定了钢铁的生产不能停滞。
胜春:目前我们国家的钢铁产量,在国际上是一个什么地位?
朱庆山:2020年粗钢产量10.65亿吨,大约占全世界的56.7%左右,多年来都是排在全球第一位的,也支撑了我们国家作为制造业大国的基础。因为我们现在在机电、化工等行业的出口都是全世界第一的,如果没有钢铁的话,这些出口的商品都是没有办法生产的。
郭亮:钢铁的发展其实就是我们工业化的发展。到了咱们现代工业的时代,钢铁是我们日常生活中用得最广泛的金属或者说元素。我们的衣食住行都离不开钢铁:住-房子-钢筋混凝土,行-汽车、轮船、高铁、飞机......
胜春:用煤炭来炼钢铁和用氢来炼钢铁,二者之间的差别是什么?
朱庆山:用氢来炼铁的过程中,因为氢气本身是一个非常清洁的燃料,它燃烧以后,基本上没有污染物,只产生水,没有二氧化碳和二氧化硫。因此,氢气可以替代焦炭去还原铁,这个过程的产物也只有水。
胜春:我们一直说氢炼铁,而不是钢,那氢只能炼铁不能炼钢吗?
朱庆山:对,是的。我们炼铁的过程,实际上是把氧从氧化铁中拿走的过程。
郭亮:炼钢的过程中,先炼出铁,才能成为钢,铁刚炼出来的时候,它碳的含量比较高,可能达到4%的含量,这时的铁很脆,韧性比较差,就是我们家里的铁锅,地下一摔就碎了,就是因为它的碳含量高......降低了碳含量之后就变成钢了。
作为元素周期表中的第一个元素,氢具有很多的优点,它在宇宙中的含量巨大,约占整个宇宙的75%,空气中、水中,甚至太阳里,都有氢的存在。氢气的燃烧热值很高,是汽油的2.8倍,焦炭的4.5倍。燃烧同样重量的氢,和石油、焦炭相比,可以获得更多的热量。当然更重要的是,氢是一种清洁燃料,它燃烧后的产物是水,不存在二氧化碳排放的问题,但是想在钢铁冶炼的过程中,用氢完全替代煤炭,这并不是一件容易的事情。
胜春:用氢来替代煤炭去炼铁,在技术上怎么能够实现?
朱庆山:主要有两条路径,一条是改变传统的高炉转炉,中国现在的炼铁工艺90%都是通过高炉流程来完成的,那么我们可以在高炉下面开一个口,通入氢气,用氢气部分去替代焦炭还原,工艺比较简单,比较容易实现,但缺点是氢气通入量受限制,从研究来看,冶炼一吨铁只能通入20多公斤的氢气,如果氢气通入量过多,高炉运行就会出现新的问题,所以这条路径的减碳量可能只有10%,最多20%,不能完全解决问题。另一条路径,另起炉灶,用另外一种炉子去做,让氢气和铁矿石直接反应,后面配以电炉炼钢,整个过程的碳排放量就可以减少90%,甚至更多。
郭亮:直接用氢来炼铁,把铁矿石磨成粉末,一边喷铁矿石的粉末,另一边喷氢气,直接在炉子里边直接进行加热,省略了传统炼铁前面复杂的流程,大大提高了效率,结构也简单了,整个过程都是非常清洁的,也没有碳的排放。
胜春:用氢来冶炼,在成本方面会有差别吗?
朱庆山:氢按来源分为两种,一种叫灰氢,从化石能源来,它本身的生产过程也伴随着大量二氧化碳的排放;另一种叫绿氢,从可再生能源电解水出来,生产过程完全没有碳排放。如果纯粹用灰氢去炼铁的话,按照现在的价格,可能会增加百分之二三十的成本,但是如果用绿氢,绿电电解水制氢,按照6毛钱一度电来计算,那么我们制备一方氢需要5度电,相当于3块钱,相比灰氢贵了差不多3倍。
郭亮:这还没算炉子的改造费用,只算了原材料,炉子设备的改造、升级,这些其实是支出的大头。
胜春:在这样一个高成本的情况下,有多少企业会有积极性去改造它呢?
朱庆山:实际上,国内外的企业都是非常积极的。因为钢铁行业下一代的技术竞争,主要就集中在氢冶炼的技术体系下。
胜春:我们怎么来理解下一代的技术?
朱庆山:自“双碳”目标提出以后,整个工业体系都需要重塑,当然转变的过程需要很长的时间来完成。但是一旦到某个时候,比如说你掌握了这样的技术,那么你就占得了先机。国外某些国家已经实施碳关税,如果你的钢铁碳排放为零,那么你就可以进入这个市场;如果你的钢铁产品含有碳,就需要被收关税,所以它的价格也会失去市场竞争力。因此,这个利益的驱动力就会让大家主动去开发新的一些技术,国内的宝武、鞍钢都在做相关方面的部署。
胜春:用氢冶炼把它的成本真正降下来,是不是取决于制氢技术的成熟?
朱庆山:对的。氢的成本决定于两个方面,第一个就是决定于可再生能源的价格,因为现在光伏风电的价格逐步在降低;第二个决定于制氢的技术,我们现在做一方的氢可能需要5度电,未来技术提高以后,可能需要4度电,这样就降低了20%,甚至25%。这两点结合在一起,未来的绿氢可能比煤氢还要便宜。
郭亮:制氢,一直是我们追求的这种清洁能源的必然走势。无论是新能源汽车,还是咱们现在说的炼钢、炼铁,未来可能其他的工业领域,也会寻求这种氢的替代。那么一旦到了大家都开始众人拾柴的时候,制氢的成本可能就会大幅降低。那么它服务于各个行业的总成本就会降低。
2022年2月7日,国家工信部、发展改革委、生态环境部联合发布了《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》。意见提出现有城市钢厂,应立足于就地改造、转型升级,而达不到超低排放要求、竞争力弱的城市钢厂,应立足于就地压减退出,同时还提出将制定氢冶金行动方案,加快推进低碳冶炼技术的研发。
意见发布之后,如首钢一样的城市钢厂,将不用面临厂区搬迁的困境。但是,如何从氢气、材料、工艺等环节入手,降低炼铁成本,仍然是亟待解决的问题。
胜春:目前,我们国家用氢炼铁,进行到或者发展到一个什么样的程度了?
朱庆山:目前仍都处于实验阶段。据了解,国内像宝武在八钢,他们有一套小的高炉系统,做了一些实验,实验的结果还是比较好的,现在喷的量比较少,比如喷60多方天然气,每吨铁可以降低二氧化碳排放20多公斤,这是基于高炉流程来实现的。其他的像鞍钢,他们也在做相关的测试,都处于试验阶段。在非高炉流程方面,宝武和河钢正在进行百万吨级的工业示范,预估明后年就会有一个示范工程出来。此外,鞍钢跟中科院过程工程所、大连化物所以及上海大学联合研制的新型高效流化床炼铁装置,是全套的绿氢炼铁,前期先做一万吨的示范工程。这个示范工程做成以后,预计就是国内外首套利用绿氢去做流化床炼铁的工艺装置,该技术处于世界领先水平。
胜春:未来,氢冶金时代到来的时候,会给我们带来什么?
朱庆山:首先,我们的钢铁产业会变得更加清洁,蓝天白云、绿水青山就都有了,生活就更好了,而且钢厂也不用搬迁......一个绿色的钢厂在当地就可以继续生产了,不仅节约了钢厂搬迁的成本支出,而且还能大量回收利用城市里的废钢废铁。其次,对我们提高钢铁工业的科技竞争力会有很大的好处,我们国家钢铁产量尽管占全世界的50%以上,但是很多的技术和装备都是从国外引进的。虽然我们这些年取得了很大的进步,但是要超越别人、领先别人还是很困难的。现在在氢冶金这个赛道上,国外和国内基本上处于一个同样的水平,相当于给了我们一个换道超车的机会。最后,钢铁价格会更便宜。钢铁是一个比较基础的行业,它会带动下游的很多行业。如果钢材便宜了,其余的产品都会便宜,这样我们老百姓的生活成本就会降低。
郭亮:我记得我们小的时候,你可能有一个铁制或者钢制的玩具或者设备,价格都是很贵的。那么到了现在你看,基本上我们已经对它的价格不是很敏感了,未来如果这个基础价格能再降低的话,那么我们就不用去考虑它的成本问题......利用钢铁做出不同的工艺和造型,它们既好看又耐用,成本又低,这就是我们追求的理想的生活。
朱庆山:我们国家出口了各种各样的产品,其实都是需要钢铁行业来支撑的。钢铁是一个基础材料,钢铁的价格降下来以后,其余产品的价格都会跟着降下来。一方面,我们自己的生活成本就降低了,另一方面,我们的国际竞争力也增强了,随着经济的快速发展,我们老百姓的生活也会变得越来越好。