張鵬成，徐 箭，孫元章，柯德平，廖思陽(yáng)

（武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北省 武漢市 430072）

0 引言

工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其蓬勃發(fā)展極大地促進(jìn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。但數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)工業(yè)領(lǐng)域能源消耗占全國(guó)能源能耗的66%［1］，鋼鐵碳排放量占全球鋼鐵行業(yè)碳排放總量的60%以上［2］，工業(yè)低碳發(fā)展對(duì)于促進(jìn)中國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，以及緩解全球氣候變化具有重要作用。

中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議指出，要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［3］，工業(yè)作為用電大戶有望促進(jìn)新能源消納，借助新能源實(shí)現(xiàn)工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的發(fā)展路徑受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)［4］論證了借助高耗能工業(yè)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)新能源本地消納的可能性。文獻(xiàn)［5-7］探討了風(fēng)電與電解鋁工業(yè)負(fù)荷耦合后微電網(wǎng)的頻率問(wèn)題、負(fù)荷的控制問(wèn)題等，為高耗能負(fù)荷高比例消納新能源提供了參考。然而，有相當(dāng)一部分碳排放無(wú)法通過(guò)直接的清潔電力替代消除，如鋼鐵工業(yè)中高爐環(huán)節(jié)的碳排放就無(wú)法通過(guò)電能替代消除。研究表明，電能替代僅能減少工業(yè)生產(chǎn)低品位熱能所造成的20%左右的碳排放，其余80%來(lái)源于原料與生產(chǎn)高品位熱能的碳排放則無(wú)法通過(guò)電能替代實(shí)現(xiàn)脫碳［8］，而氫能是解決這一問(wèn)題的有效方案。

研究表明，利用園區(qū)內(nèi)大面積閑置空地和建筑屋頂建設(shè)分布式光伏［9］，可以間接助力電力側(cè)減碳；采用氫基熔融還原或氫基豎爐取代傳統(tǒng)高爐，用氫加熱取代碳加熱，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)側(cè)減碳［10］；引入氫能重型卡車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)重卡）取代園區(qū)燃油重卡，配置氫能存儲(chǔ)和加注設(shè)施，可以滿足多途徑氫能利用并實(shí)現(xiàn)終端用能側(cè)減碳?；诖耍瑖?guó)內(nèi)外在新能源、氫能耦合工業(yè)能源系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量的探索。國(guó)內(nèi)泰山鋼鐵集團(tuán)引入加氫站和氫能運(yùn)輸車(chē)輛［11］；蘭州新區(qū)和寶豐能源布局光伏電解水制氫［12-13］，電氫耦合程度逐步加深，電氫能源系統(tǒng)涉及面愈發(fā)寬泛［14-16］。國(guó)外在氫基還原鐵、氫燃料電池車(chē)等方面也有大量研究，并取得了一定進(jìn)展［17-18］。然而，以上研究和示范工程僅針對(duì)某一技術(shù)或某一環(huán)節(jié)論證技術(shù)可行性，未對(duì)新能源和氫能參與下的工業(yè)能源系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，且未對(duì)工業(yè)能源系統(tǒng)重構(gòu)過(guò)程中的節(jié)能環(huán)保效益、經(jīng)濟(jì)可行性及耦合系統(tǒng)利益點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于此，本文以鋼鐵工業(yè)園區(qū)為例，構(gòu)建了氫能參與下的工業(yè)能源系統(tǒng)方案，對(duì)比了鋼鐵園區(qū)拓展氫能產(chǎn)業(yè)鏈前后的物質(zhì)流變化。同時(shí)，以國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵工業(yè)園區(qū)為例，從節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性2 個(gè)維度論證方案的可行性，探討系統(tǒng)減排效果和收益情況，為新能源和氫能參與下的工業(yè)能源系統(tǒng)運(yùn)行與控制奠定基礎(chǔ)。最后，本文以國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)分析為基礎(chǔ)，測(cè)算氫能參與下鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排潛力，有效助力“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1 工業(yè)能源系統(tǒng)特點(diǎn)及能源系統(tǒng)重構(gòu)

工業(yè)生產(chǎn)是對(duì)自然資源以及原材料進(jìn)行加工或裝配的過(guò)程，是特殊的用能主體，聚集多種生產(chǎn)要素，形成滿足社會(huì)需求的產(chǎn)品。以鋼鐵工業(yè)為例，具有以下4 個(gè)特點(diǎn)：

1）多產(chǎn)品需求。鋼鐵是不可或缺的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工業(yè)品，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作用。

2）高能源消耗。鋼鐵產(chǎn)業(yè)的主要原料為鐵礦石和煤炭，同時(shí)需要水、電能、氧氣、氫氣等多能源輸入。

3）高污染強(qiáng)度。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中有CO2、氮氧化物及廢水等污染物排放。

4）多副產(chǎn)價(jià)值。鋼鐵生產(chǎn)全流程有較多副產(chǎn)物，如焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、爐渣及余熱等，可用于發(fā)電、建材、建筑取暖等多個(gè)領(lǐng)域，具有較好的利用價(jià)值。

以鋼鐵為代表的工業(yè)是典型的多能源系統(tǒng)，面臨節(jié)能增效和綠色轉(zhuǎn)型雙重壓力。本文按照不同功能將鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)分為生產(chǎn)系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)和節(jié)能系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 鋼鐵工業(yè)典型生產(chǎn)流程Fig.1 Typical production process of iron and steel industry

生產(chǎn)系統(tǒng)中，包括高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程煉鋼和電弧爐短流程煉鋼2 種工序，其中長(zhǎng)流程工序是造成碳排放居高的重要因素，而中國(guó)90%以上的鋼材通過(guò)長(zhǎng)流程得到［19］。長(zhǎng)流程工序從鐵礦石等原料開(kāi)始，經(jīng)煉焦、燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐形成鋼水，而短流程工序則利用回收所得廢鋼或鐵水經(jīng)電弧爐形成鋼水；運(yùn)輸系統(tǒng)中，采用重卡/機(jī)車(chē)運(yùn)輸各環(huán)節(jié)之間的原料和產(chǎn)物；節(jié)能系統(tǒng)中，煤氣余熱用于周邊居民供暖，低熱煤氣用于發(fā)電，爐渣用于建筑材料等。分析可見(jiàn)，園區(qū)能源結(jié)構(gòu)較為單一，鋼鐵工業(yè)獨(dú)立發(fā)展節(jié)能減排潛力有限、原生動(dòng)力不足。若園區(qū)用電均采用新能源電力，改碳冶金為氫冶金，園區(qū)物流采用氫能重卡，則有望實(shí)現(xiàn)鋼鐵園區(qū)的零碳發(fā)展。

因此，對(duì)鋼鐵園區(qū)能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和重構(gòu)有利于進(jìn)一步提高園區(qū)資源利用率，也可為未來(lái)融入碳市場(chǎng)提供有力支撐。同時(shí)，引入新能源和氫能將使得鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)的清潔特點(diǎn)更加顯著。

基于此，本文考慮新能源光伏、電解水裝置、儲(chǔ)氫加氫設(shè)施、氫燃料電池車(chē)參與下的電能替代和氫能替代2 條主線，綜合構(gòu)建“綠電-氫能-工業(yè)”耦合復(fù)雜系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 “綠電-氫能-工業(yè)”耦合系統(tǒng)Fig.2 Coupling system consisted of“green power,hydrogen energy and industry”

建設(shè)圖2 所示的耦合系統(tǒng)需進(jìn)行3 個(gè)方面研究：可行性分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制。在可行性分析方面，需從節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益等多方面進(jìn)行對(duì)比；在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，需考慮相關(guān)設(shè)備的轉(zhuǎn)換和合理利用，以系統(tǒng)全生命周期經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)；在運(yùn)行控制方面，利用資源任務(wù)網(wǎng)對(duì)流程建模，結(jié)合新能源功率預(yù)測(cè)及不確定性建模等方式對(duì)系統(tǒng)各時(shí)段用能情況進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)控制設(shè)備啟停、荷載率等實(shí)現(xiàn)多設(shè)備、多系統(tǒng)的匹配運(yùn)行。

2 鋼鐵園區(qū)耦合能源系統(tǒng)分析

2.1 耦合可行性

構(gòu)建圖2 所示耦合能源系統(tǒng)的前提是有充足的水源以及氫能在園區(qū)中實(shí)現(xiàn)綜合利用（核心是氫冶金），由于鋼鐵生產(chǎn)需水量大，園區(qū)往往近水源建設(shè)。就氫冶金而言，幾種典型制氫方式有：化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氣提純氫以及電解水制氫。根據(jù)碳排放不同又可分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。技術(shù)方面，氫冶金對(duì)于氫氣的品質(zhì)純度沒(méi)有嚴(yán)格的要求，灰氫、藍(lán)氫、綠氫均可以應(yīng)用于氫冶金過(guò)程中。在傳統(tǒng)的以高爐為主體的長(zhǎng)流程煉鋼流程中，眾多富氫物質(zhì)可以加入高爐中作為還原劑，既可以減少溫室氣體排放也可以提升冶煉效率，如焦化過(guò)程的副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣、天然氣和廢塑料等均可以添加到高爐中作為還原劑［20-22］。此外，針對(duì)新能源制氫用于氫冶煉方面，國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了大量的探索，如瑞典HYBRIT 項(xiàng)目利用氫氣在較低的溫度下對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行直接還原，得到直接還原鐵［23］。圖3 所示為一種氫氣豎爐直接還原工藝的流程示意圖［24］。

圖3 氫氣豎爐直接還原流程Fig.3 Direct reduction process of hydrogen shaft furnace

以氫氣作為還原氣時(shí)產(chǎn)物為水，可大幅減少生產(chǎn)過(guò)程的CO2排放，同時(shí)產(chǎn)物中碳含量較低。此外，相較于傳統(tǒng)高爐煉鐵的還原溫度，氫冶金的還原溫度（800～900 ℃）更低，礦石中其他氧化物不會(huì)被還原進(jìn)入產(chǎn)物中，以避免雜質(zhì)元素進(jìn)入鋼水中［10，24］。綜上所述，氫冶金技術(shù)較為成熟且優(yōu)勢(shì)明顯。

成本方面，煤炭?jī)r(jià)格和氫氣價(jià)格對(duì)碳冶金和氫冶金2 種模式的成本有較大影響。所研究鋼鐵廠數(shù)據(jù)顯示，1 t 鐵水大約需要0.5 t 煤炭。按照式（1）所示的理想情況下的氫冶金過(guò)程計(jì)算，1 t 鐵水需要53.571 kg 氫氣。

理想情況下當(dāng)氫價(jià)和煤價(jià)之比小于9.333 時(shí)，氫冶金相較碳冶金具有經(jīng)濟(jì)性。按煤炭?jī)r(jià)格為1 000 元/t 計(jì) 算，氫 價(jià) 小 于9.333 元/kg 時(shí) 氫 冶 金 相較碳冶金有優(yōu)勢(shì)。其中，灰氫成本較低但碳排放大；藍(lán)氫采用碳捕集技術(shù)，其成本大幅增加；綠氫采用新能源電力電解水制氫，其成本依賴(lài)于新能源發(fā)電價(jià)格，具體成本估算如表1 所示。

表1 幾種典型制氫方式的成本Table 1 Cost of several typical hydrogen production modes

可以看出，隨著新能源發(fā)電成本的下降，采用新能源電力電解水制氫（即綠氫）進(jìn)而用于冶金將具有經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，考慮到新能源電力電解水制氫的碳排放接近為零，氫冶金減少的鋼鐵園區(qū)碳排放可參與碳市場(chǎng)交易獲取收益，新能源電解水制氫應(yīng)用于冶煉這一發(fā)展模式將更有前景。

2.2 物質(zhì)流分析

工業(yè)園區(qū)在提升能效和控制碳排放的決策工作中尚未形成流程化、系統(tǒng)性的分析方法［25］，大多依靠各產(chǎn)業(yè)部門(mén)形成的宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。在鋼鐵能源系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作時(shí)，煤炭、水、市政電及汽柴油等作為能源輸入直接供給園區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)及物流運(yùn)輸使用，其能源結(jié)構(gòu)單一、物質(zhì)鏈短。此外，煤炭、市政電力及汽柴油利用導(dǎo)致的直接/間接碳排放較大，單位產(chǎn)出能源消耗及碳排放均較高，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力弱。形成“綠電-氫能-工業(yè)”耦合系統(tǒng)后，煤炭、水、電力、汽柴油及風(fēng)光等能源作為園區(qū)能源網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過(guò)焦化裝置、光伏板、風(fēng)機(jī)及電解槽等途徑和方式實(shí)現(xiàn)從輸入能源到可利用能源的轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化能源與輸入能源一同供給生產(chǎn)設(shè)備、辦公設(shè)備及園區(qū)物流等終端用能設(shè)備使用，為城市提供了綠色能源接口，有效豐富和延展了鋼鐵園區(qū)的物質(zhì)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈。本文構(gòu)建的鋼鐵園區(qū)能流-碳流分析框架如圖4所示，圖示不考慮副產(chǎn)物再利用形成的小循環(huán)。

與利用能源輸入輸出的測(cè)算模式相比，圖4 所示框架可以結(jié)合各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換效率、碳排放因子等參數(shù)直觀展示系統(tǒng)能流和碳流分布，精準(zhǔn)定位高能耗、高碳排環(huán)節(jié)，為技術(shù)革新、綠色能源替代提供參考。定性來(lái)看，耦合系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，采用新能源電力及電解水制氫能取代部分化石能源，形成傳統(tǒng)鋼鐵能源系統(tǒng)與綠色能源系統(tǒng)之間的耦合，在相同產(chǎn)出下能源消耗及碳排放更少，更具可持續(xù)發(fā)展的潛力。

圖4 鋼鐵園區(qū)能流-碳流分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of analysis on energy flow and carbon flow in iron and steel park

2.3 耦合特性分析

實(shí)現(xiàn)鋼鐵傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與新能源、氫能系統(tǒng)的耦合是促進(jìn)鋼鐵能源系統(tǒng)節(jié)能減碳、提高能效的有效途徑，而耦合環(huán)節(jié)是多系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。新能源電力及氫能分配環(huán)節(jié)、氫能利用環(huán)節(jié)間的協(xié)調(diào)配合對(duì)于電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。所構(gòu)建耦合系統(tǒng)中，電解水裝置與燃料電池是實(shí)現(xiàn)電-氫、氫-電轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，新能源電力及氫能是串接多系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。耦合系統(tǒng)將具有以下特點(diǎn)：

1）高比例新能源消納。鋼鐵園區(qū)由于電爐精煉、軋鋼等工序?qū)е仑?fù)荷功率有較大起伏，而風(fēng)光可再生能源具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，需要電網(wǎng)預(yù)留更多的備用容量。通過(guò)新能源發(fā)電電解水制氫在獲得氫能的同時(shí)有望平抑新能源功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的新能源消納［26-27］。

2）多能互補(bǔ)、節(jié)能低碳。通過(guò)高爐改造，富氫或純氫氣體作為還原劑可以滿足生產(chǎn)需求［23，28］，且混合比例可調(diào)。此外，新能源電力及電解水制備的氫氣可認(rèn)為碳排放接近于零，在鋼鐵園區(qū)的廣泛應(yīng)用有利于減少碳排放，電解水制氫的副產(chǎn)物氧氣還可以應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多能源綜合利用。

3 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益分析

前文未對(duì)耦合系統(tǒng)相關(guān)減排量進(jìn)行定量測(cè)算。本章以國(guó)內(nèi)某鋼鐵園區(qū)為例，介紹其現(xiàn)有能源系統(tǒng)，測(cè)算耦合系統(tǒng)構(gòu)建后的減排量，引入能源利用率、相對(duì)節(jié)能率等指標(biāo)說(shuō)明其合理性，為耦合系統(tǒng)建設(shè)、推廣提供依據(jù)。

3.1 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)簡(jiǎn)述

所研究的鋼鐵園區(qū)有5 條高爐生產(chǎn)線、2 條轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線，年用電量高達(dá)1.22 TW·h 以上，配有煤氣發(fā)電機(jī)及熱發(fā)電250 MW，自發(fā)電比例達(dá)57%，該園區(qū)能源系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)附錄A 表A1。

生產(chǎn)系統(tǒng)中，園區(qū)采用傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐工藝，高爐還原劑采用焦炭和煤粉混合，鐵水及廢鋼作為轉(zhuǎn)爐煉鋼原料，有著較豐富的高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，此外還有完備的水循環(huán)和熱循環(huán)系統(tǒng)。運(yùn)輸系統(tǒng)中，該園區(qū)有用于運(yùn)輸、清潔等的各類(lèi)車(chē)輛211 輛，其中運(yùn)輸車(chē)輛97 輛、非運(yùn)輸車(chē)輛114 輛，運(yùn)輸車(chē)輛均采用燃油車(chē)。節(jié)能系統(tǒng)中，園區(qū)內(nèi)利用煤氣、余熱等資源發(fā)電，利用余熱供園區(qū)及周邊居民取暖。

該園區(qū)通過(guò)污染控制及物質(zhì)循環(huán)回收利用，實(shí)現(xiàn)超低排放改造，并依托清潔發(fā)展優(yōu)勢(shì)建成3A 級(jí)鋼鐵文化創(chuàng)意園，有清潔發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力。但該園區(qū)存在煤氣放空、燃油車(chē)排放大及清潔發(fā)展優(yōu)勢(shì)不突出等問(wèn)題，仍有很大的綠色發(fā)展空間，有建設(shè)“綠電-氫能-工業(yè)”耦合能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

3.2 耦合系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益

園區(qū)能源系統(tǒng)主要包含能源向產(chǎn)品轉(zhuǎn)換和能源向動(dòng)力轉(zhuǎn)換2 個(gè)過(guò)程。高爐還原劑及燃料采用煤粉和焦炭，所需氧氣源于空氣分離，所需氫氣源于甲醇裂解氣。高爐煉鐵、甲醇裂解主反應(yīng)如式（2）和式（3）所示。

在高爐煉鐵反應(yīng)中，焦炭或煤粉與CO2反應(yīng)在提供還原劑的同時(shí)為反應(yīng)提供所需熱量。同時(shí)，式（2）和式（3）顯示整個(gè)過(guò)程將有一定量的CO2排出。除此之外，園區(qū)內(nèi)重型運(yùn)輸車(chē)輛采用柴油動(dòng)力，也是碳排放的重要源頭。構(gòu)建包含新能源和氫能的耦合系統(tǒng)后，新能源電解水制備得到的氫氣（即“綠氫”）將改變園區(qū)能源利用結(jié)構(gòu)，成為整個(gè)能源系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。電解水制氫反應(yīng)及氫氣還原鐵反應(yīng)的簡(jiǎn)化方程式如式（4）和式（5）所示。

“綠氫”來(lái)源于電解水，電解槽不同其特性也不同。例如，質(zhì)子交換膜電解水制氫方式因其響應(yīng)速度快、工作范圍廣，適合與新能源發(fā)電匹配［29］，附錄A 表A2 所示為3 種電解水技術(shù)的參數(shù)對(duì)比［30-31］。氫氣還原鐵采用氫氣作為還原劑，所需熱量由氫燃燒或其他方式供給?！熬G氫”除滿足鋼鐵生產(chǎn)線應(yīng)用外，還可以供給氫燃料電池重卡/機(jī)車(chē)使用，產(chǎn)物零排放。附錄A 表A3 給出了不同類(lèi)型柴油車(chē)單位行駛里程的碳排放情況［32］。

鋼鐵園區(qū)軋鋼日用400 kg 氫氣，園區(qū)計(jì)劃新建120 MW 光伏，新建20 MW 電解水制氫裝置?？紤]到氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的不確定性，本文考慮該園區(qū)到2030 年在運(yùn)輸方面的氫能替代將達(dá)100%，氫能煉鐵發(fā)展有低、中、高3 種方案。不同替代情況下的預(yù)估年減排量和氫能缺口如表2 所示，詳細(xì)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)附錄B 第B1 章。其中，園區(qū)鋼鐵年產(chǎn)量按600萬(wàn)t計(jì)算；每替代單位市電（kW·h）減少CO2排放0.997 kg；柴油車(chē)單位行駛里程碳排放取附錄A 表A3 數(shù)據(jù)的平均值，按每輛車(chē)每天行駛40 km，而100 km 耗 氫10 kg 計(jì) 算。

表2 綠氫替代年減排測(cè)算Table 2 Annual emission reduction estimation of green hydrogen substitution

從氫氣缺口看，按當(dāng)前全國(guó)氫產(chǎn)量為2 000 萬(wàn)t計(jì)算，3 種替代比例下所需氫分別占到了全國(guó)氫產(chǎn)量的0.157%、0.399%、0.640%，園區(qū)新能源發(fā)電制氫將難以滿足氫能煉鐵需要，這將極大地促進(jìn)氫能市場(chǎng)的發(fā)展與成熟，對(duì)于提升新能源消納率、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)也有著較大幫助。從CO2減排總量來(lái)看，到2030 年氫能煉鐵替代率分別為10%、25%、40% 時(shí)，年CO2減排量分別可達(dá)到41.480 萬(wàn)t、94.516 萬(wàn)t、147.552 萬(wàn)t。若 實(shí) 現(xiàn)100%氫能煉鐵，年減排可接近400 萬(wàn)t，同時(shí)還能有效減少氮氧化物與PM2.5 等污染物排放，具有較好的環(huán)保效益。

從氫氣平衡看，低方案情景下鋼鐵園區(qū)氫氣年產(chǎn)量為934.5 t，煉鐵還原氣、軋鋼保護(hù)氣以及重卡燃料 的 氫 氣 需 求 分 別 為32 142.86 t、146 t、141.62 t?？梢钥闯?，在新建120 MW 光伏、20 MW 電解水制氫裝置情形下，年產(chǎn)氫量能夠滿足園區(qū)內(nèi)軋鋼保護(hù)氣需求及氫能重卡燃料需求。若不考慮氫氣作為還原氣，則這部分盈余氫氣還可以參與市場(chǎng)售賣(mài)獲得收益，而當(dāng)考慮氫氣作為還原氣時(shí)，需要向市場(chǎng)購(gòu)置氫氣，其購(gòu)氫增加的成本與氫煉鐵減碳獲得收益之間的關(guān)系需要進(jìn)一步分析。

從碳排放構(gòu)成看，在低方案情景下，新能源電力直接用于園區(qū)內(nèi)電力負(fù)荷的間接減碳、氫能重卡物流減碳，以及軋鋼保護(hù)氣替代的減排量總和占比達(dá)到14.76%，具有顯著的減排效果；氫氣用于煉鐵產(chǎn)生的減排量占到總減排量的85.24%，這也符合高爐煉鐵環(huán)節(jié)碳排放大這一事實(shí)。綜上所述，推動(dòng)氫能在鋼鐵園區(qū)的多途徑利用，實(shí)現(xiàn)園區(qū)物流、煉鋼保護(hù)氣的氫氣化替代，逐步提升氫能煉鐵比例，對(duì)于減少鋼鐵園區(qū)碳排放具有關(guān)鍵作用。

3.3 系統(tǒng)耦合前后對(duì)比分析

為清晰對(duì)比系統(tǒng)間的差異，引入能源利用率、相對(duì)節(jié)能率、碳排放強(qiáng)度等指標(biāo)并介紹核算邊界。

1）能源利用率［33］。系統(tǒng)各種形式能源的輸出總量與輸入能源總量的比值稱(chēng)為能源利用率。

式中：ηe為系統(tǒng)能源利用率；Ein為系統(tǒng)總能量輸入；Eout為系統(tǒng)總能量輸出。

2）相對(duì)節(jié)能率［34］。耦合系統(tǒng)與原系統(tǒng)在輸出產(chǎn)品相同的條件下，兩者能源消耗的相抵比值稱(chēng)為耦合系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率。

式中：ηsr為耦合系統(tǒng)的相對(duì)節(jié)能率；Qd為原系統(tǒng)總能耗；Qco為耦合系統(tǒng)總能耗。

3）碳排放強(qiáng)度。系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度定義為產(chǎn)出單位產(chǎn)品系統(tǒng)全流程碳排放總量，即相同時(shí)間內(nèi)全流程碳排放總量與系統(tǒng)有效產(chǎn)出的比值。

式中：D為碳排放強(qiáng)度；Ctotal為系統(tǒng)碳排放總量；P為同時(shí)期系統(tǒng)輸出產(chǎn)品產(chǎn)量。

4）活動(dòng)水平［35］。量化導(dǎo)致溫室氣體排放或清除的生產(chǎn)或消費(fèi)活動(dòng)的活動(dòng)量。例如，每種燃料的消耗量、購(gòu)入電量、購(gòu)入氫氣量等。

5）核算邊界［35］。工業(yè)企業(yè)能源消耗包括工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和物流運(yùn)輸過(guò)程；碳排放計(jì)算應(yīng)包括燃料燃燒排放、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排放和凈購(gòu)入電力產(chǎn)生的排放并減去固碳產(chǎn)品（如副產(chǎn)煤氣生產(chǎn)的副產(chǎn)品、生鐵）隱含的碳排放。

式中：Cb為燃料燃燒過(guò)程的碳排放；Cp為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的碳排放；Ce為購(gòu)入電力產(chǎn)生的碳排放；Ch為固碳產(chǎn)品隱含的碳排放。

根據(jù)上述定義，預(yù)估該鋼鐵園區(qū)構(gòu)建耦合系統(tǒng)前后的相關(guān)指標(biāo)變化，如表3 所示。其中，將未構(gòu)建耦合系統(tǒng)之前的能源利用率、能源消耗、碳排放強(qiáng)度定為單位值1。電能及氫氣折標(biāo)煤系數(shù)分別取為0.122 9 kg/（kW·h）和4.097，氫氣折標(biāo)煤系數(shù)由氫氣與電能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系折算而來(lái)，氫氣能量按33.333（kW·h）/m3進(jìn)行計(jì)算（本文體積均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)值）。此外，新能源電力由自然資源轉(zhuǎn)換而來(lái)，光伏發(fā)電及其下游電解水制得的氫氣認(rèn)為是無(wú)化石能源驅(qū)動(dòng)的。相應(yīng)地，產(chǎn)量固定情況下的化石能源消耗將會(huì)減少，化石能源消耗固定的情況下產(chǎn)量將會(huì)增加，具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)附錄B 第B2 章。

表3 耦合系統(tǒng)和原系統(tǒng)對(duì)比Table 3 Comparison of coupling system and original system

結(jié)果顯示，該鋼鐵園區(qū)建成耦合系統(tǒng)后在能源利用率、氫活動(dòng)水平方面均有所提高，碳排放強(qiáng)度下降，相對(duì)節(jié)能率大于零。其中，氫活動(dòng)水平提高得益于“綠氫”的大規(guī)模應(yīng)用?？梢?jiàn)，耦合系統(tǒng)相較于原系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

4 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

耦合系統(tǒng)建立后，一方面，可以通過(guò)提升新能源用電比例降低電網(wǎng)購(gòu)電量；另一方面，當(dāng)氫氣充裕時(shí)可以為城市氫氣公交車(chē)等提供加氫供氫服務(wù)、拓展氫能市場(chǎng)。此外，在中國(guó)碳市場(chǎng)逐步完備的情形下，耦合系統(tǒng)的減碳量也將轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。綜上所示，項(xiàng)目建設(shè)具有較大的發(fā)展?jié)摿?。本文考慮上述3 個(gè)方面收益并將其轉(zhuǎn)換為凈現(xiàn)值［36］。對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行可行性分析，暫不考慮氫能煉鐵成本及收益。

4.1 耦合系統(tǒng)成本

1）初始投資成本。項(xiàng)目初始投資包括新能源電站、電制氫裝置、燃料電池、儲(chǔ)氫加氫設(shè)施建設(shè)以及氫能重卡等運(yùn)輸車(chē)輛購(gòu)入成本，不考慮設(shè)備更新。

式中：F為初始投資值；i指代設(shè)備，其中V 表示光伏設(shè)備、H 表示電制氫設(shè)備、B 表示燃料電池、St表示儲(chǔ)氫加氫設(shè)備、C 表示購(gòu)入的氫能重卡；Fi為設(shè)備i建設(shè)對(duì)應(yīng)的成本；F0為設(shè)備投資引入的附加成本。

設(shè)備i的建設(shè)成本Fi計(jì)算如下：

式中：Pi為設(shè)備i的規(guī)劃建設(shè)容量/數(shù)量；Si為設(shè)備i單位容量/數(shù)量建設(shè)的投資成本。

2）運(yùn)維成本。各設(shè)備的維護(hù)成本一般正比于裝機(jī)容量，耦合系統(tǒng)年維護(hù)成本計(jì)算如式（12）所示。

式 中：Fn為 第n年 的 設(shè) 備 維 護(hù) 成 本；Xi為 設(shè) 備i單 位容量/數(shù)量的維護(hù)成本；N為設(shè)備類(lèi)別數(shù)。

運(yùn)維成本一般與產(chǎn)品產(chǎn)量相關(guān)，按產(chǎn)品價(jià)值的固定比例選定。

4.2 耦合系統(tǒng)年收益

具體而言，系統(tǒng)收益值包括電費(fèi)減少值、燃料費(fèi)減少值、氫氣售賣(mài)增加值、環(huán)保收益值以及減少需量電費(fèi)。

1）節(jié)支電費(fèi)與減少燃料費(fèi)

耦合系統(tǒng)新建光伏所發(fā)電量除滿足制氫需求外，剩余發(fā)電量可用于園區(qū)用能；氫能重卡節(jié)省了物流運(yùn)輸燃料費(fèi)，總節(jié)省費(fèi)用如式（13）所示。

式中：Ien為節(jié)支電費(fèi)與減少燃料費(fèi)之和；TV為光伏的年利用小時(shí)數(shù)；TH為電解水制氫裝置等效年滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)；Sen為本地單位電量費(fèi)用；Oc為重卡年用油量；So為油價(jià)。

2）售氫與替代保護(hù)氣收益

這部分收益包含售氫收益和煉鋼過(guò)程中節(jié)省的購(gòu)氫（作為保護(hù)氣）費(fèi)用，假設(shè)2 個(gè)部分氫價(jià)相同，則總收益計(jì)算如式（14）所示。

式中：IH為售氫收益；η為電制氫裝置滿負(fù)荷運(yùn)行轉(zhuǎn)化效率，本文取70%；P0為電解水制氫能耗；ρ為氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度；f1為氫氣售賣(mài)占?xì)錃饽戤a(chǎn)量的比例；MC為煉鋼過(guò)程保護(hù)氣年需氫量；SH為氫價(jià)。

3）環(huán)保收益

園區(qū)用電部分由光伏發(fā)電滿足，煉鋼過(guò)程所用氫氣由光伏發(fā)電電解水制得的“綠氫”取代甲醇裂解氣，在減少外購(gòu)電/氫的同時(shí)減少了隱形碳購(gòu)入，氫能重卡的引入使園區(qū)物流實(shí)現(xiàn)碳排放接近于零。綜合得到的環(huán)境收益計(jì)算如下：

式中：IC為環(huán)保收益；L1、L2、L3分別為單位電量減碳量、煉鋼過(guò)程單位“綠氫”替代減碳量、重卡年減碳量；SC為碳價(jià)。

4）減少需量電費(fèi)收益

考慮到工業(yè)負(fù)荷中有部分為沖擊性負(fù)荷，導(dǎo)致按兩部制電價(jià)結(jié)算中需量電費(fèi)受到較大影響，燃料電池可以配合沖擊性負(fù)荷，降低工業(yè)負(fù)荷峰值進(jìn)而減少需量電費(fèi)。

式 中：Ix為 年 減 少 需 量 電 費(fèi) 值；f2k，max為 第k月 中 燃 料電池用氫占該時(shí)刻產(chǎn)氫的最大比例；η1為燃料電池轉(zhuǎn)化效率，本文取60%；Sx為需量電費(fèi)。

年總收益I=Ien+IH+IC+Ix。

4.3 耦合系統(tǒng)全生命周期效益分析

耦合系統(tǒng)全生命周期收益和維護(hù)費(fèi)用凈現(xiàn)值計(jì)算如下：

式中：Is為系統(tǒng)全生命周期收益凈現(xiàn)值；In為第n年系統(tǒng)收益；Fs為項(xiàng)目全生命周期維護(hù)費(fèi)用凈現(xiàn)值；T為項(xiàng)目運(yùn)行周期；δ為折現(xiàn)率。

考慮到系統(tǒng)中光伏板、電制氫設(shè)備、燃料電池及儲(chǔ)氫罐等設(shè)備在運(yùn)行期結(jié)束后可以回收變賣(mài)，產(chǎn)生一定的殘值收入。計(jì)算如下：

式中：R為項(xiàng)目最終殘值的現(xiàn)值；RT為第T年系統(tǒng)的價(jià)值。

將項(xiàng)目全生命周期收益值轉(zhuǎn)換為凈現(xiàn)值與初始投資進(jìn)行比較，如式（20）所示。

式中：S為耦合系統(tǒng)凈現(xiàn)值。

根據(jù)上式可以計(jì)算得到項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值，當(dāng)S＞0時(shí)說(shuō)明項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)該鋼鐵廠進(jìn)行耦合系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性分析，相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)附錄C 表C1。

預(yù)估項(xiàng)目運(yùn)維費(fèi)用占年收益的10%，設(shè)備投資附加成本和項(xiàng)目殘值為初始投資的5%，忽略燃料電池減少需量電費(fèi)收益，首年收益為0.920 億元，其成本及收益構(gòu)成如表4 所示。

表4 耦合系統(tǒng)收益構(gòu)成Table 4 Revenue composition of coupling system

可見(jiàn)，環(huán)保收益在耦合系統(tǒng)總收益中所占比例較低，鋼鐵園區(qū)自愿減排獲取經(jīng)濟(jì)收益的動(dòng)力不足，需要探究碳市場(chǎng)及去產(chǎn)能政策對(duì)于鋼鐵企業(yè)減排行動(dòng)的影響，且可以考慮引入多主體參與的模式共同促進(jìn)鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)構(gòu)建。此外，設(shè)當(dāng)前和2030 年質(zhì)子交換膜電解槽成本分別為10 000元/kW和3 000 元/kW，得到該鋼鐵廠耦合系統(tǒng)初始投資成本分別為8.07 億元和6.67 億元，通過(guò)所述凈現(xiàn)值計(jì)算方法得到凈現(xiàn)值分別為0.769 億元和2.169 億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可見(jiàn)建設(shè)這樣的耦合系統(tǒng)是可行的?？紤]到碳市場(chǎng)及氫能市場(chǎng)的變化趨勢(shì)，系統(tǒng)整體收益有望進(jìn)一步提升。

5 鋼鐵工業(yè)減碳潛力測(cè)算

數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)生鐵、粗鋼及鋼材產(chǎn)量均保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2020 年生鐵及鋼材產(chǎn)量分別達(dá)到8.88 億t和13.25 億t，相較2016 年增長(zhǎng)均超過(guò)25%。附錄C圖C1 展示了中國(guó)2016—2020 年的生鐵及鋼材總產(chǎn)量。此外，鋼鐵工業(yè)碳排放占全國(guó)碳排放總量的比重高達(dá)15%左右［37］，鋼鐵行業(yè)節(jié)能減碳?jí)毫薮蟆?/p>

在此背景下，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)、工業(yè)和信息化部及生態(tài)環(huán)保部等多部門(mén)發(fā)布相關(guān)文件和指導(dǎo)意見(jiàn)，釋放出鋼鐵企業(yè)重組、鋼鐵產(chǎn)量收緊及推動(dòng)鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰等多重信號(hào)［38］，鋼鐵企業(yè)面臨低碳發(fā)展的新要求和新機(jī)遇，低碳發(fā)展將獲得更寬松的產(chǎn)量限制，也將為鋼鐵企業(yè)謀求新的效益增長(zhǎng)點(diǎn)。

分析2020 年鋼材產(chǎn)量的省域分布可知，中國(guó)河北、江蘇、山東3 個(gè)省份的鋼材產(chǎn)量均超過(guò)1 億t，其中河北鋼材產(chǎn)量更是達(dá)到3.132 012 億t，在全國(guó)遙遙領(lǐng)先。由區(qū)域分布可以看出，華北、華東地區(qū)鋼材產(chǎn)量占比超過(guò)50%。而中國(guó)風(fēng)光等新能源主要集中在東北、華北、西北（簡(jiǎn)稱(chēng)“三北”）地區(qū)，資源與需求之間存在一定程度的逆向分布，氫能或?qū)⒊蔀楦吆哪芄I(yè)支撐高比例新能源消納的核心介質(zhì)，遠(yuǎn)期可以探索新能源電解水制氫、遠(yuǎn)距離輸氫，進(jìn)而在負(fù)荷中心實(shí)現(xiàn)氫能的綜合利用。

考慮到中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及鋼鐵去產(chǎn)能趨勢(shì)，假設(shè)2030 年及2060 年長(zhǎng)流程生鐵產(chǎn)量與2020 年生鐵總產(chǎn)量持平。由于氫能產(chǎn)、運(yùn)、用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)及成本趨勢(shì)的不確定性，本文考慮氫能替代的低、中、高方案。低方案：鋼鐵園區(qū)物流運(yùn)輸氫能替代穩(wěn)步推進(jìn)，氫能煉鐵進(jìn)展緩慢；中方案：鋼鐵園區(qū)物流運(yùn)輸氫能替代高速推進(jìn)，氫能煉鐵技術(shù)取得較大突破；高方案：鋼鐵園區(qū)物流運(yùn)輸氫能全面替代，氫能煉鐵高速推進(jìn)。據(jù)此估算，2030 年及2060 年實(shí)施氫能替代時(shí)的氫氣需求和碳減排如表5 所示。

表5 鋼鐵工業(yè)2030 年和2060 年氫能替代減排估計(jì)Table 5 Estimation of hydrogen energy substitution and emission reduction in iron and steel industry in 2030 and 2060

由計(jì)算結(jié)果可以看出，不同發(fā)展速度下的氫氣需求和碳減排差異較大。在低方案情景下，2030 年及2060 年碳減排預(yù)計(jì)將達(dá)到數(shù)千萬(wàn)噸，而在高方案情景下，2030 年及2060 年碳減排預(yù)計(jì)可達(dá)數(shù)億噸。以中國(guó)CO2年排放100 億t 且鋼鐵工業(yè)碳排放占比15% 估算，鋼鐵工業(yè)減排率分別可達(dá)6.98% 和17.45%，若氫能煉鐵實(shí)現(xiàn)100%全替代，則減排率可達(dá)34.90%，減排效果顯著。這其中未計(jì)算焦化、燒結(jié)等鐵前工序?qū)е碌奶寂欧?，若考慮這部分碳排放，氫能替代減排效果將更為可觀。同時(shí)，在不同情形下的氫氣年需求量均巨大，這有利于促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的布局和完善，推動(dòng)新能源發(fā)展，但同時(shí)需要重視氫能大規(guī)模發(fā)展所帶來(lái)的技術(shù)和安全問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

雙碳目標(biāo)和碳市場(chǎng)的逐步完善為工業(yè)發(fā)展提出了高要求，同時(shí)也提供了難得的機(jī)遇。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展，搶占綠色發(fā)展先機(jī)，本文以典型鋼鐵工業(yè)為例，構(gòu)建了鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)物質(zhì)流分析模型，從能源和碳排放2 個(gè)方面分析對(duì)比了耦合系統(tǒng)與原系統(tǒng)的差異。

針對(duì)典型鋼鐵工業(yè)園區(qū)，測(cè)算在3 種不同發(fā)展情景下的氫能需求和碳減排。結(jié)果表明，3 種情景下 的 減 碳 量 分 別 可 達(dá)41.480 萬(wàn)t、94.516 萬(wàn)t 和147.552 萬(wàn)t，鋼鐵園區(qū)綠色發(fā)展與氫能產(chǎn)業(yè)鏈之間相互促進(jìn)；通過(guò)能源利用率、相對(duì)節(jié)能率等指標(biāo)評(píng)價(jià)耦合系統(tǒng)的環(huán)保和節(jié)能效益，結(jié)果表明耦合系統(tǒng)各指標(biāo)均優(yōu)于原系統(tǒng)；通過(guò)凈現(xiàn)值法評(píng)估項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性，結(jié)果表明所提出的耦合系統(tǒng)全生命周期凈現(xiàn)值可達(dá)數(shù)億元。綜上所述，建設(shè)“綠電-氫能-工業(yè)”耦合系統(tǒng)具有較為顯著的節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。分析結(jié)果同時(shí)表明，鋼鐵園區(qū)減碳收益與成本之間的深層次關(guān)系、碳市場(chǎng)及去產(chǎn)能政策對(duì)鋼鐵園區(qū)減排行動(dòng)的影響等問(wèn)題值得進(jìn)一步深入研究。

最后，本文以所研究鋼鐵工業(yè)園區(qū)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從全國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)著手，分析在不同推廣力度下的工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排潛力。測(cè)算結(jié)果表明，在不同發(fā)展速度下，氫氣需求和碳減排均十分可觀。在高發(fā)展速度下，2030 年和2060 年碳減排預(yù)計(jì)分別可達(dá)10 468.211 萬(wàn)t 和26 169.279萬(wàn)t，可有效助力“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)盡快實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，本文著重從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性視角分析了“綠電-氫能-工業(yè)”耦合能源系統(tǒng)建設(shè)的可行性，但未對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃配置和運(yùn)行控制進(jìn)行詳細(xì)討論?；诖?，作者將進(jìn)一步深入探究鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)的能源流、物質(zhì)流和信息流融合特點(diǎn)，并針對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化配置、高效運(yùn)行與控制、多主體參與等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。

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