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《“氢”取“氢”运助力氢冶金发展》

  • 来源专题：绿色冶金
  • 编译者： 欧冬智
  • 发布时间：2023-11-23

  • 氢气已经成为世界各国钢铁企业减少碳排放的主要途径。全球各大钢铁企业为实现碳达峰、碳中和目标，正广泛开展氢还原工艺研究和中试，探索氢冶金替代传统高炉的碳还原工艺。围绕氢冶金工艺应用，离不开氢气的制取、储运、应用三大环节。其中，氢气的经济化、大规模生产是氢气在氢冶金中实现规模应用的关键环节，存储运输则是连接氢气生产端与需求端的关键桥梁。接下来，笔者从氢气的制取和储运这两个环节出发，介绍当前国际上氢冶金技术的几种核心工艺技术及应用现状。

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  • 《DOE发布氢能计划发展规划提出研发重点及发展目标》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-03-28
    • 2020年11月12日，美国能源部（DOE）发布《氢能计划发展规划》，提出了未来十年及更长时期氢能研究、开发和示范的总体战略框架。该方案更新了DOE早在2002年发布的《国家氢能路线图》以及2004年启动的“氢能计划”提出的战略规划，综合考虑了DOE多个办公室先后发布的氢能相关计划文件，如化石燃料办公室的氢能战略、能效和可再生能源办公室的氢能和燃料电池技术多年期研发计划、核能办公室的氢能相关计划、科学办公室的《氢经济基础研究需求》报告等，明确了氢能发展的核心技术领域、需求和挑战以及研发重点，并提出了氢能计划的主要技术经济指标。关键内容如下： 一、“氢能计划”使命及目标 DOE“氢能计划”使命为：研究、开发和验证氢能转化相关技术（包括燃料电池和燃气轮机），并解决机构和市场壁垒，最终实现跨应用领域的广泛部署。该计划将利用多样化的国内资源开发氢能，以确保丰富、可靠且可负担的清洁能源供应。 “氢能计划”设定了氢能发展到2030年的技术和经济指标，主要包括：①电解槽成本降至300美元/千瓦，运行寿命达到80 000小时，系统转换效率达到65%，工业和电力部门用氢价格降至1美元/千克，交通部门用氢价格降至2美元/千克；②早期市场中交通部门氢气输配成本降至5美元/千克，最终扩大的高价值产品市场中氢气输配成本降至2美元/千克；③车载储氢系统成本在能量密度2.2千瓦时/千克、1.7千瓦时/升下达到8美元/千瓦时，便携式燃料电池电源系统储氢成本在能量密度1千瓦时/千克、1.3千瓦时/升下达到0.5美元/千瓦时，储氢罐用高强度碳纤维成本达到13美元/千克；④用于长途重型卡车的质子交换膜燃料电池系统成本降至80美元/千瓦，运行寿命达到25 000小时，用于固定式发电的固体氧化物燃料电池系统成本降至900美元/千瓦，运行寿命达到40 000小时。 二、氢能系统的技术需求及挑战 1、制氢。该领域的技术需求和挑战为：①开发成本更低、效率更高、更耐用的电解槽；②重整、气化和热解制氢技术的先进设计；③开发利用可再生能源、化石能源和核能的创新制氢技术，包括混合制氢系统以及原料灵活的方法；④开发从水、化石燃料、生物质和废弃物中生产氢气的高效低成本技术；⑤开发低成本和环境友好的碳捕集、利用和封存（CCUS）技术。 2、输运氢。该领域的技术需求和挑战为：①开发成本更低、更可靠的氢气分配和输送系统；②开发氢气分配的先进技术和概念，包括液化和化学氢载体；③氢气输运的通行权和许可，以及降低部署输运氢基础设施的投资风险。 3、储氢。该领域的技术需求和挑战为：①开发低成本储氢系统；②开发更高储氢容量、重量和体积更小的储氢介质；③开发大规模储氢设施，包括现场大量应急供应和地质储氢；④优化储氢策略，将氢气存储设施布置于最终用途附近，以满足吞吐量和动态响应要求，并降低投资成本。 4、氢转化。该领域的技术开发需求和挑战为：①开发可大规模生产的低成本、更耐用、更可靠的燃料电池；②开发以高浓度氢气或纯氢为燃料的涡轮机；③开发和示范大规模混合系统。 5、终端应用和综合能源系统。该领域的技术需求和挑战为：①系统集成、测试和验证，以识别和解决各应用的特有挑战；②终端应用的示范，包括钢铁制造、氨生产以及利用氢气和二氧化碳生产合成燃料的技术；③示范电网集成以验证氢用于储能和电网服务。 6、制造和供应链。该领域的技术需求和挑战为：①标准化制造流程、质量控制和优化制造设计；②增材制造和自动化制造工艺；③可回收和减少废物的设计。 7、安全、规范和标准。该领域的技术需求和挑战为：①适用、统一的规范和标准，用于所有终端应用，包括燃烧（如涡轮机）以及燃料电池（如卡车、船舶和铁路等需大规模加注氢气的重型应用）；②改进安全信息、分享最佳做法和经验教训。 8、教育和专业人员。该领域的技术需求和挑战为：①针对不同利益相关方的教育资源和培训计划，包括应急响应人员、标准规范人员和技术人员（例如，氢及相关技术的操作、维护和处理）；②获得关于氢能相关技术的准确、客观信息。 三、近、中、长期技术开发选项 DOE基于近年来氢能关键技术的成熟度和预期需求，提出了近、中、长期的技术开发选项，具体包括： 1、近期。①制氢：配备CCUS的煤炭、生物质和废弃物气化制氢技术；先进的化石燃料和生物质重整/转化技术；电解制氢技术（低温、高温）。②输运氢：现场制氢配送；气氢长管拖车；液氢槽车。③储氢：高压气态储氢；低温液态储氢。④氢转化：燃气轮机；燃料电池。⑤氢应用：氢制燃料；航空；便携式电源。 2、中期。①输运氢：化学氢载体。②储氢：地质储氢（如洞穴、枯竭油气藏）。③氢转化：先进燃烧；下一代燃料电池。④氢应用：注入天然气管道；分布式固定电源；交通运输；分布式燃料电池热电联产；工业和化学过程；国防、安全和后勤应用。 3、长期。①制氢：先进生物/微生物制氢；先进热/光电化学水解制氢。②输运氢：大规模管道运输和配送。③储氢：基于材料的储氢技术。④氢转化：燃料电池与燃烧混合系统；可逆燃料电池。⑤氢应用：公用事业系统；综合能源系统。 四、关键技术领域研发及示范重点 1、制氢 该领域的研发和示范重点事项包括：①开发减少铂系金属含量的新型催化剂和电催化剂；②开发分布式和大容量电力系统的模块式气化和电解系统；③开发低成本、耐用的膜和分离材料；④开发新型、耐用、低成本的热化学和光电化学材料；⑤加速应力试验并探索退化机制以提高耐久性；⑥降低自热重整等重整技术的资金成本；⑦改进辅助系统（BOP）组件和子系统，如电力电子、净化和热气体净化；⑧通过组件设计和材料集成实现大规模生产和制造；⑨包括电力和氢的多联产可逆燃料电池系统；⑩系统设计、混合和优化，包括过程强化。 2、输运氢 该领域的研发和示范重点事项包括：①材料在高压或低温下与氢的相容性；②氢液化的创新技术；③用于氢气储存、运输和释放的载体材料和催化剂；④用于氢气低成本分配的创新组件（如压缩机、储氢罐、加氢机、喷嘴等）。 3、储氢 该领域的研发和示范重点事项包括：①降低材料、组件和系统成本；②开发用于高压罐的低成本高强度碳纤维；③开发与氢气相容的耐久、安全性好的材料；④低温液态储氢和冷/低温压缩储氢的研究、开发和示范；⑤发现和优化储氢材料，以满足重量、体积、动力学和其他性能要求；⑥利用化学氢载体优化储氢效率；⑦以化学载体形式储氢用于氢燃气轮机；⑧地质储氢的识别、评估和论证；⑨氢和氢载体出口的系统分析；⑩研究可广泛部署的储氢技术和终端用途的优化目标；研发用于安全、高效和稳定储氢的传感器和其他技术。 4、氢转化 （1）氢燃烧方面，重点关注如下事项：①在简单循环和组合循环中实现燃料中更高的氢浓度（最高达100%）；②研究燃烧行为并优化低NOx燃烧的组件设计；③应用和开发先进计算流体动力学；④开发先进的燃烧室制造技术；⑤开发新材料、涂层和冷却方案；⑥优化转换效率；⑦提高耐用性和寿命，降低成本，包括运维成本；⑧开发系统优化和控制方案；⑨评估和缓解水分对传热和陶瓷退化的影响；⑩开发和测试氢燃烧改装组件；实现碳中性燃料（氨气、乙醇蒸汽）的燃烧。 （2）质子交换膜燃料电池方面，重点关注如下事项：①通过材料研发，降低铂族金属催化剂的负载量；②开发耐高温、低成本、耐用膜材料；③改进组件设计和材料集成，以优化可制造和可扩展的膜电极组件的电极结构；④开发自供燃料的燃料电池所用碳中性燃料的内部重整技术；⑤加速压力测试，探索老化机理以及缓解方法；⑥改进BOP组件，包括压缩机和电力电子设备；⑦开发适用于多种重型车辆的标准化、模块化堆栈和系统；⑧改进混合和优化系统的设计。 （3）固体氧化物燃料电池方面，重点关注如下事项：①研发材料以降低成本并解决高温运行相关问题；②管理燃料电池电堆中的热量和气体流量；③解决堆栈和BOP系统的集成、控制和优化，以实现负荷跟踪和模块化应用；④改进BOP组件，包括压缩机和电力电子设备；⑤开发标准化、模块化堆栈；⑥进一步研究杂质对材料和性能的影响；⑦系统设计、混合和优化，包括可逆燃料电池。 5、终端应用 该领域的研发和示范重点事项包括：①为氢能的特定用途制定严格的目标；②解决各终端应用中的材料兼容性问题；③降低成本，提高工业规模电解槽、燃料电池系统、燃气轮机和发动机以及混合动力系统的耐用性和效率；④组件和系统级的集成和优化，包括BOP系统和组件；⑤集成系统的优化控制，包括网络安全；⑥制造和规模扩大，包括过程强化；⑦协调规范和标准，包括氢气加注协议；⑧开发新的氢能应用的容量扩展模型，以确定其经济性。
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  • 《张龙强：氢冶金是钢铁行业低碳发展的重要路径》
    • 来源专题：绿色冶金
    • 编译者：欧冬智
    • 发布时间：2024-05-30
    • 作为清洁能源的氢能，正在推动传统“傻大黑粗”的钢铁冶炼业向绿色低碳转型，一系列氢冶金技术路径探索在各地展开——中国钢研科技集团有限公司自主研发和建设的纯氢多稳态竖炉示范工程于今年1月正式投入运行，工程采用99.5%的氢气作为还原气，实现了从现有“富氢”冶金向“纯氢”冶金的跨越；河钢集团有限公司120万吨氢冶金示范工程一期项目已连续安全生产12个月，氢直接还原铁的金属化率稳定在94%以上；百万吨级氢基竖炉在宝钢湛江钢铁有限公司点火投产……从曾经的“碳冶金”到现在的“氢冶金”，“以氢代煤”作为燃料和还原剂，最直接的改变是碳排放量的减少。
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