氢能导入：从钢铁大省到钢化联产大省的创新建构——以武安市和乐亭县钢铁产业为例！

河北首朗钢铁尾气制燃料乙醇装置

———摘自《中国宝武碳中和行动方案》

中国宝武党委书记、董事长陈德荣

在全球低碳冶金创新论坛上的主旨演讲

（2021年11月18日）

章｜石书军

氢能导入：从钢铁大省到钢化联产大省的精准建构

——以武安市和乐亭县钢铁产业为例

3月23日，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》。《规划》明确了氢的能源属性：是未来国家能源体系的组成部分；明确了氢能产业的定位：在交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型中发挥推动作用；明确了氢能作为战略性新兴产业的重点研发方向：构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。

钢铁产业作为难降碳产业，能否在“双碳”背景下，在各地氢能发展热浪一浪高过一浪之时，站稳脚跟并争得一席之地”氢“装上阵，进而实现华丽转身，成为摆在钢铁大省河北面前一道并不”氢“松的话题。

一、河北钢铁及相关产业资源家底

“十三五”期间，河北省共压减退出粗钢产能8212万吨、煤炭产能5590万吨、焦炭产能3144.4万吨，钢铁产能从峰值时的3.2亿吨减少至目前的1.9亿多吨、焦炭产能4896.5万吨。

钢铁和焦炭产能重点布局在唐山、邯郸、沧州、石家庄、邢台等市；同时，有序推进钢铁产能向沿海临港地区适度集聚或退城进园，打造曹妃甸、京唐港（乐亭）、丰南沿海工业区、渤海新区四大临港精品钢铁和武安、迁安两大钢铁基地，到2025年，临海靠港和资源富集地产能占全省70%以上；推广高炉综合长寿、热风炉高温送风、非高炉炼铁、电炉炼钢等节能环保技术，支持发展氢冶金、直接还原铁+电弧炉、全废钢电炉短流程等低碳冶炼工艺，提高废钢资源利用水平，推动钢铁生产向能源转换、固废消纳、资源再生等综合功能拓展。

二、“钢铁大省”向“钢化联产大省”嬗变转身的N条路径

钢铁产业流程工业的特征决定了钢铁工业是碳素流、铁素流和氢、氧、氮、硫等多种化学元素的集合、耗散、耦合，以及多种原料、物质形态的协同、转换、联动。钢铁工业的特征，使其能够与多种产业形成耦合与联产。比如，钢铁与化工、建材、氢能、城乡供热、电力、合成生物学、太阳风能等多种可再生能源的联产。

在全国氢能产业布局、起飞的最初黄金三年，河北钢铁产业如果能够抓住机遇趁势而上，则极有可能打造出一个以氢能为终极能源形态的低碳钢铁、新型碳化工、现代建材等新型产业体系和低碳交通运输、现代低碳物流体系，而且河北有条件有能力在氢能产业建构方面弯道超车有大作为。

1、钢铁联合企业原生气体（氢能）资源存量估算

河北拥有钢铁产能1.9亿多吨、焦炭产能4896.5万吨。其中，2021年生铁产量：20202.98万吨；粗钢产量：22496.45；焦炭产量：4057.0万吨；按此数量匡算气体总量如下，此数据未将加热炉、煤气发电等厂内煤气消耗计算在内。

高炉煤气资源产量，按吨铁1600Nm3，CO含量25%计：808.125亿M3；氮气N2：1600亿Nm3；CO2含量20%计：646亿Nm3

转炉煤气资源总量：按吨钢100Nm3，CO含量55%计：123.7亿Nm3

高炉煤气与转炉煤气合计（纯CO）：931.8亿Nm3，折吨：1.1647亿吨

2021年，焦炭全年产量4057.0万吨，按吨焦400Nm3煤气计，焦炉煤气资源总量约：162.3亿Nm3，折合纯氢数量，按55%计，约为89.25亿Nm3，79.7万吨；CH4按25%计，则CH4总量为40.572亿Nm3，338.1万吨；

CO2资源总量，按2吨CO2/吨钢计：45000万吨；

表1、钢铁企业原生气体资源量估算

注：1焦炉煤气按吨焦400Nm3计；2高炉煤气按吨铁1600Nm3计；3转炉煤气按吨钢100Nm3计；4钢铁企业吨钢CO2排放2吨计；

2、钢铁联合企业内部衍生气体（氢能）资源效益估算

按照目前的平均能耗匡算，钢铁企业平均煤耗是520Kg标准煤，热效率不高于50%，钢铁企业的热能耗散太多、节能潜力巨大。尤其是熔融钢渣、铁渣，转炉高温烟道气余热，结晶器等高位热能所含之“?”属于未开发或开发层次很低的“处女地”。

双碳背景下，要解决钢铁企业深度脱碳难题，首先必须立足钢铁企业自身，深度挖掘钢铁企业内部衍生资源的降碳潜力，使之成为钢铁企业嬗变的内在动力。为此，提出一些切实可行的技术路线。

熔融金属渣制合成气、甲酸制氢

钢铁熔渣吨铁约350Kg，吨钢150Kg，合计约500Kg。高温熔渣约含有100公斤的标煤。现在通行的作法是水淬，不仅浪费巨量水资源，而且还极度环境污染。

天津碳一“深度净化产品化及甲酸生态链”技术。他们联合重庆大学朱恂教授团队、武汉科技大学周建安教授团队，将朱恂教授团队的“高炉熔渣气淬中试技术”，与武汉科技大学周建安教授团队“转炉高温烟气喷吹煤粉将CO2转化为CO”已经完成首台套工业产线验证的成熟技术，巧妙地结合起来，形成“金属熔渣化学淬储能技术”并申 了国家发明专利，正在进行中间试验。与此同时，天津碳一有机合成设计有限公司还与北京华璞科技合作正在进行小型甲酸制氢撬装设备的试制工作，甲酸绿色生态产品体系的构建已显露雏形。

据测算：1吨熔渣所含的高品质热能可以将200Kg的CO2，低成本地转化为高载能的CO（温度1000°c的CO）。全省钢铁熔渣仅此一项即可移除CO2：2200多万吨，生成CO：2800万吨。CO作为碳一化工的基础原料，几乎可以生产任何一种碳一化工产品。我们推荐的技术路线有三条：甲酸及甲酸制氢、甲酸甲酯及异构化制醋酸等。如将上述CO全部转化为甲酸，则可以生产极低成本的甲酸4600万吨；如若全部用来制氢，那么可产低成本的金氢213.9万吨，比现有的焦炉煤气的氢总量还要多2倍。据悉，甲酸作为载氢物质，有着甲醇等不可比拟的优势；倘若用此生产醋酸，则可以诞生出一个崭新的醋酸纤维产业。天津碳一的技术属于“以碳降碳、化碳为氢、钢化联产”的高新技术

给李灿院士的“液态阳光”打一个补丁。

用光伏发电产生的绿电制热，光热电站储热，太阳炉收集的高温热能作为热源，将CO2和生物炭或煤粉、焦沫等反应生成CO。然后，用绿色的CO和电解水制取的绿氢生产绿（甲）醇，其成本比李灿院士的技术路线要低1/3。

李灿院士团队液态阳光的技术路线有两个小小的缺陷：一是CO2与3个摩尔的氢气反应要生产一个摩尔的水，白白地浪费了一个摩尔的氢气。因此，原子利用率不高。在绿氢价格居高不下之时，浪费1个摩尔的氢气显得特别奢侈；二是CO2加氢制甲醇是一个全新的技术路线，完全不同于传统的CO加氢，需要研发新的催化剂，技术需要反复迭代。因此，一个全新的技术路线在推广初期难免成本很高。我们提出新的替代路线，等于是给李灿院士的技术路线打了一个补丁，而且这样的路线所涉技术都十分成熟，有利于“液态阳光”的迅速推广普及。

钢铁流程高温转化CO2为CO技术。

武汉科技大学周建安教授团队专利技术——“转炉高温烟气喷吹煤粉将CO2转化为CO”技术，是一个“以碳降碳”的高新技术。3月24日在山西晋南钢铁150吨转炉上完成了首台套工业产线示范，技术已经十分成熟，具备大面积推广条件。经测算，1台150吨转炉采用该技术后，一年可减少CO2排放约10万吨。据分析，该技术将成为今后低碳转炉炼钢设计改造的标配。

测算：仅此一项可消耗CO2 660万吨，生成合成气840万吨。

高温热解水制氢SOEC技术。

高温热解水蒸汽制氢需要的高温是850°c。钢铁企业缺少氢气，但并不缺乏高温、蒸汽。我们完全可以把太阳能光热发电已经成熟应用的熔盐储热技术，复制到钢铁企业拿来使用。美国已经把利用钢铁等工业企业的高温余热，制取的氢气称为金氢，并且已经有了成功的案例。美国的Bloom公司，德国的Sunfire公司，已经可以把制氢的功率做到720kW, 中国国内企业可以做到200kw.

高温热解水蒸汽制氢最大的优势在于，相比于电解水制氢，成本至少要低1/3，那么这样的技术更有可能走向实用。

CO2干重整制合成气技术。

2022年2月15日，陕西榆林高新区管委会与美国空气化工产品（中国）投资有限公司、高潞空气化工产品（上海）能源科技有限公司就公用气岛项目进行洽谈交流。

空气产品公司拟在榆林高新区投资、建设、运营绿色低碳循环示范一体化工业气体岛项目。采用高潞空气提供的甲烷二氧化碳干重整技术，将园区企业排放的二氧化碳转化为合成气，为入园企业供应合成气、氢气和一氧化碳，同时供应氧气、氮气、压缩空气等多种工业气体。此前，高潞空气已经在山西潞安集团1万方工业产线试验成功。此举意味着甲烷二氧化碳干重整技术已经基本成熟，标志着不用水的碳化工时代已经来临，煤化工开启退出之旅。只要我们能够找到低成本的甲烷资源，那么这条技术路线就可以大放光彩。

测算：全省焦化企业现有的338万吨CH4，若全部用于CO2干重整，移除CO2的数量可达千万吨级别，生产合成气1300万吨。当然，我们也可以用外收购的LNG进行降碳转化，一切取决于LNG的成本。

氨氢降碳与三嗪醇（公子式：C3H3O3N3）

山东大学朱维群教授团队首创三嗪醇生产技术，目前已经完成中试，正在进行首台套推广。三嗪醇是有机高分子材料，它可以用CO2和NH3反应直接合成，1吨三嗪醇可消耗1吨的CO2，而且反应是放热反应，余热可用来发电或制氢，而且这项技术直接与燃煤发电耦合，做到用碳不排碳。

工业尾气发酵法生产燃料乙醇联产乙醇梭菌蛋白。

该技术最大的优点是生产过程不用氢气，而且反应条件十分温和环境友好，温度只有37度，三种产品：燃料乙醇、乙醇梭菌蛋白、生物甲烷市场潜力巨大。该技术已经在河北首朗实现工业化，是一个投资少见效快的合成生物学样版工程。

其它技术路线简介。

非高炉炼铁技术。

非高炉炼铁技术已经在山东墨龙工业化示范成功。目前，正在我省正推动该技术在邢台落地。预期可实现常规污染物降低74%的目标，而碳排放问题，武科大周建安教授团队正与山东墨龙接触，准备将周教授的技术嫁接到Hismelt之上，届时可实现低碳排放或近零排放目标。

全氧富氢碳循环高炉。

宝武集团新疆八钢正在进行氧氧高炉试验，预计6月底建成。按照宝武集团的说法，预期将至少具备降低碳排放1/3的能力。这是一个非常了不起的能力。

硫碘循环制氢技术。

清华大学正在进行工业台架样机试验。硫碘循环制氢技术可以利用钢铁流程中的高温余热。因此，成本可以做到较低。

碳酸二甲酯技术路线。碳酸二甲酯被称为绿色有机合成的新基石。碳酸二甲酯已经成为大宗化学品。利用甲醇和钢铁企业自产的氧气以及CO，就可以合成碳酸二甲酯。奥克股份与中科院过程所合作，共同研发的“固载离子液体催化二氧化碳转化制备碳酸二甲酯/乙二醇(DMC/EG)绿色工艺项目”通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。一致认为，该技术成果属于世界首创，为二氧化碳资源化利用、现有乙二醇工艺节能及延伸环氧乙烷产业链开辟了新途径，建议加强国际专利申请和产业化应用推广。此外，直接利用CO2合成碳酸二甲酯的催化剂研发也取得重要进展。正因为如此，碳酸二甲酯也成为具有降碳功能的大宗化学品。

以上笔者罗列了十几条钢铁企业钢化联产技术路线。考虑到钢铁企业缺氢，我们在选择技术路线时，尽量避开钢铁企业缺氢这个弱项。然而，钢铁企业不可能仅此几条工艺路线，而且随着技术进步，更多的技术路线还会远远不断的研发出来。无论选择或研发怎样的技术路线，始终不变的原则只有一条，那就是：成本低才是王道。

3、效益估算:N个1000亿！

氢能的主要应用场景，目前而言主要是：化工和冶金，运输业市场还没有完全打开。因此，本 告仅对有大宗化工商品潜力的几条技术路线，进行初步效益估算。分别是：

醋酸纤维技术路线。利用CO和甲醇进行羰基合成可生产甲酸甲酯，甲酸甲酯再异构化生产醋酸。甲酸甲酯异构化制醋酸，采用大化物刘中民院士的专利技术。由于钢铁企业副产的CO成本很低，因此利用钢化联产方式生产的化工产品，成本可以做得比煤化工和石油都低。山西晋南钢铁生产的乙二醇成本不超过3000元。最近一段时间，国际油价暴涨，很多油头乙二醇每吨亏2000元，煤头乙二醇保本微利，而晋南钢铁的乙二醇每吨至少能挣2000元，靠的就是低成本。

前 所述，我省钢铁企业仅高炉煤气、转炉煤气所含的CO资源总量就高达1100万吨。如果我们继续沿用老路，把它拿去烧了或者去发电，用陈德荣的话说，是很奢侈的。

如果我们在武安市、乐亭县两个钢铁产能3000万吨左右的大县（市），分别布局两个钢铁联产醋酸基地，则产能可以轻松实现1000万吨，而CO仅消耗467万吨，甲醇533万吨，销售收入可达500多亿元，吨利润不低于1000元；倘若改用冶金熔渣制合成气，合成气成本将进一步降低，企业将永远立于不败之地。为什么一直要讲熔渣制气？因为成本低呀！现代社会拚到最后拚的就是成本，低成本才是王道；如果进一步布局醋酸纤维等醋酸产业链，则有更大的升值空间，千亿产值触手可及。

如果将熔渣制取的2200万吨CO气体用来生产乙烯，采用大连化物所第三代甲醇制乙烯技术，则乙烯产能可以达到800多万吨，销售收入同样可达千亿。

甲酸及制氢又是一个千亿。甲酸大规模制氢催化剂制作技术已经攻克，采用的是瑞士洛桑理工学院教授的专利。特点是：常温常压下可以释放氢气。每立方米甲酸可产氢53Kg，相比市场上其它制氢技术，该技术在制、储、运等环节毫不逊色且能耗很低。利用熔渣制取的CO生产甲酸，产量可达到3200万吨，全部用来制氢，则可生产氢气145万吨。若吨氢价格按3.5万元计算，产值约600亿元。最大的特点是：在储氢环节不用氢气。

甲酸生态产品体系中的二钾酸钾、磷酸二氢钾等利用“深度净化产品化方式”生产的化工产品，俨然是一个化工产品“帝国”。

据测算：我省焦化产能4000多万吨，若全部采用“深度净化产品化”生产方式，那么除了零成本分离H2和CH4之外，还可以无中生有塑造出一个农化产品帝国：甲酸钾400万吨；碳酸钾200万吨；磷酸二氢钾680万吨；倘若将230万吨甲酸全部用来制氢，则可生产氢气12万吨。进一步深加工：将碳酸钾用来生产磷酸二氢钾，则产量可达680万吨；若甲酸钾用来生产二甲酸钾，则产能可达325万吨，可满足全国饲料行业全面禁抗后对二甲酸钾的需求。上述产品产值，磷酸二氢钾按1万元/吨计，二甲酸钾按2万元/吨计，即可达到1350亿元，上述数据按照全省3000万吨焦化产能测算。

三、主要技术措施

核心技术是买不来的。我们社会主义国家，公有制为主体，共性技术可以共享，但是专利技术是有专利法保护的，不可能无偿使用。因此，必须把研究自己的核心技术作为头等大事来抓。尤其是碳中和当前，全社会都在为碳中和技术焦虑。可以设想：未来几十年，谁拥有了碳中和能力，谁就能在激烈的市场竞争中，赢得先机，进而拥有了生存和发展的权力。在各行各业产能均已过剩的今天，谁还可能把自己的核心技术吃饭的家当拱手让人呢？

1、把思想创新摆在一切工作的首位，坚决破除“让（别人的）子弹先飞一会儿”的落后观念。

中国宝武集团，某种意义上可以说，代表了中国钢铁工业先进生产力的发展方向。因此，关注宝武集团董事长陈德荣的讲话，对于钢铁工业新技术的研发具有重要意义。

相比而言，我们的钢铁企业，特别是民营中小钢铁企业，还在那里满足于煤气发电、煤气加热等，显然已经落伍了。不破除这些落后的观念，钢铁企业的碳中和就无法从根本上实现。

2、既要有专班又要有专门的顶层协调机构执行机构。

挖掘钢铁企业内部的氢能资源降碳潜力，必须把现有的钢铁企业的气体资源整合起来，从而达到规模利用，进而取得规模效益。在这方面，江苏省新沂市已经走在了前面。新沂市政府依托开发区内的中天钢铁、新恒盛公司一期现有气体（产品）资源现状，提出“与中新钢铁联合，发展高端新材料产品，打造钢化一体化循环产业园”工作总思路，并聘请上海惠生工程公司编制了煤基高端新材料项目可研 告。我们要想办成这件事情，必须有一个专门的协调机构具备强有力的执行力，才能协调各方利益把事办成。

煤化工有一个多年的老大难问题，就是：原料煤和燃料煤不分，造成一种错觉就是煤化工行业能耗很高。这样一个行业共性的事情，喊了多年就是办不成，直到去年，总书记到榆林视察，他们抓住机遇向总书记汇 ，才解决了这个问题。这件事情说明，难办的事情一定要有人盯办锲而不舍才能办成。习近平主席在博鳌亚洲论坛年会开幕式上所做的主旨演讲中，引用古语“日日行，不怕千万里；常常做，不怕千万事”，意在告诫人们要以钉钉子精神坚持不懈地干好“正在做的事”。

鉴于此，必须有一个专门的机构负责顶层设计，负责协调盯办，统统筹做好这项工作。

3、建立钢铁产业氢能利用中试技术研究院，打通最后一公里。大连化物所李灿院士有一个液态阳光项目，用CO2加氢制甲醇。中试年产规模1000吨，2018年就已经完成。但工业放大试验一直没有进展，最近刚刚与中煤集团签约。国家大院大所院士团队尚且如此，其它创新主体可想而知。因此，打通技术创新的堵点，就必须抓好中试基地建设和首台套应用。实践证明：谁抓住了中试基地建设和首台套应用，谁就抓住了技术创新的命门；谁拥有或建成了中试基地，谁就抢占了核心技术研发的制高点。在这一点上，国务院国资委已经走在了前面，不久前，他们成立的创新局已经开始运作。

四、快速启动抓紧谋划

武安市、乐亭县分别拥有钢铁产能2500万吨和3000万吨，焦化产能1000多万吨。钢铁企业布局集中，拥有整合气体资源办大事情做大产业的巨大潜力。因此，要抓住国家实施双碳战略千载难逢之机遇，趁势而上加快布局。短期内要抓紧时间进行资源调查，快速启动项目前期，积极跑办并和电力企业一起联合申 化工园区。否则，机遇很可能被已经捷足先登的电力企业抢先占去而坐失良机。因为煤电也是难降碳产业，他们的碳中和难度比我们还大，而且全国已经有电力企业的甲醇工厂已经开建。