饒文濤 魏 煒 蔡方偉 楊建夏 李文武

寶武清潔能源有限公司

0 前言

目前，中國風(fēng)電、光伏總發(fā)電量占比約10%，核電占比約5%，有人認(rèn)為僅僅依靠大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能及其它低碳能源，就可以滿足世界日益增長的能源需求，同時達成溫室氣體大幅減排的目標(biāo)。但是考慮到風(fēng)、光電建設(shè)中對場地的巨大需求，還有就是其與生俱來的不穩(wěn)定性，如果沒有核能等高強度、穩(wěn)定能源的快速增長，以及與節(jié)能技術(shù)的結(jié)合，全球性的減排目標(biāo)是很難實現(xiàn)的。

核能的發(fā)展需要更加安全的核技術(shù)，新反應(yīng)堆的建造成本必須比現(xiàn)在更低，建造起來更加容易和快速，對外部威脅的防范能力更強，才能更好地適應(yīng)國家的具體需求，且能更好地與正在迅速發(fā)展變化的供電電網(wǎng)特征相兼容和匹配。目前的供電電網(wǎng)正在接受先進電網(wǎng)技術(shù)的改造，供電網(wǎng)絡(luò)不得不接受日益增長的間歇性的風(fēng)能和太陽能裝機容量的加入，核能電加入電網(wǎng)的難度更小，每單位低碳電力所需的投資也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)能和太陽能，非常有競爭力。

本文首先對核能新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要的介紹，接著介紹了核能制氫的新技術(shù)，然后對氫能在鋼鐵行業(yè)的可能應(yīng)用場景進行了分析，最后得出核能制氫與冶金應(yīng)用耦合是一條可行之路的結(jié)論。

1 核能新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為了實現(xiàn)核能的可持續(xù)發(fā)展,核能界提出了第四代核能系統(tǒng)的概念,即利用已經(jīng)大規(guī)模商用的核電系統(tǒng)的經(jīng)驗開發(fā)出更安全、經(jīng)濟性更好的核能系統(tǒng)。由世界主要核電國家(美國、法國、英國、日本、韓國、加拿大、中國等)組成的第四代國際論壇于2002年提出了6種第四代反應(yīng)堆堆型。

第四代核能系統(tǒng)的發(fā)展不僅可以為更多利用核電創(chuàng)造條件,而且也可以為核能在電力生產(chǎn)之外的領(lǐng)域應(yīng)用開辟道路。

按照技術(shù)特點與運行方式可以分為6種類型。

1）水冷陸地小型反應(yīng)堆。發(fā)展自并網(wǎng)發(fā)電的輕水反應(yīng)堆和重水反應(yīng)堆，這種技術(shù)是相對而言最為成熟的，代表的產(chǎn)品有美國的Nuscale和中核集團ACP100。

2）水冷海上小型反應(yīng)堆。能夠被部署在海上或者通過駁船固定電站的形式或者水下電站的形式呈現(xiàn)，這種反應(yīng)堆相對比較靈活。中廣核ACPR50S，俄羅斯KLT-40S浮動核電站已經(jīng)在2020年5月投入使用。

3）高溫氣冷小型反應(yīng)堆。運行溫度超過750℃，因此能夠有更高的用電效率。清華大學(xué)HTR-PM（210MW）于2021年投入使用。

4）快中子小型反應(yīng)堆。俄羅斯BREST-OD-300正在建設(shè)，預(yù)計2026年投產(chǎn)。

5）熔鹽小型反應(yīng)堆。由于熔鹽的內(nèi)在特性和低溫單相冷卻系統(tǒng)能夠避免大范圍的污染，因此這種反應(yīng)堆的安全系統(tǒng)高，而高溫的反應(yīng)環(huán)境，也使得發(fā)電效率高和燃料循環(huán)更加靈活。中科院上海應(yīng)用物理所smTMSR-400正在設(shè)計階段。

6）微型小型反應(yīng)堆。通常發(fā)電功率小于10 MW，可以使用多種冷卻液，甚至可以使用熱管進行導(dǎo)熱。微型反應(yīng)堆未來有希望在專門的供電場所使用，包括偏遠(yuǎn)地區(qū)、挖礦、漁業(yè)，用于替代柴油發(fā)電機，代表有美國西屋eVinci（2~3．5 MW）。

在這6種堆型中，超/高溫氣冷堆的堆芯出口溫度為850~1 000℃，具有固有安全性、高出口溫度、功率適宜等特點，是核能制氫最具商業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)。

未來的核能系統(tǒng)分成兩大類型：采用閉合循環(huán)的快中子堆,以便在實現(xiàn)持久的電力生產(chǎn)的同時,使鈾的需求和長壽命高放廢物的負(fù)荷最??；高溫氣冷堆（HTR-PM，High Temperature Gas-cooled Reactor Demonstration Plant),使核能生產(chǎn)延伸到為工業(yè)提供高溫工藝熱,用于制氫和生產(chǎn)合成燃料。

高溫氣冷堆技術(shù)國內(nèi)已有樣板工程，清華牽頭的HTR-PM技術(shù)200 MW高溫氣冷堆示范工程運行許可證獲批，項目取得重大進展，今年有望實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。中國工程院正在開展高溫氣冷堆與山西廢棄礦井利用相關(guān)的戰(zhàn)略研究。高溫氣（氦氣）冷堆是我國自主研發(fā)的新一代核反應(yīng)堆，通過高溫氣冷堆提供的高溫，為大規(guī)模、低成本氫氣制備技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供了一條路徑，可以實現(xiàn)對化石燃料產(chǎn)蒸汽、產(chǎn)氫氣的替代，從而可能大幅降低冶金、化工等行業(yè)的碳排放。

目前，核能技術(shù)正處于1．0時代，即從當(dāng)前到2030年左右，主要的創(chuàng)新集中在降低現(xiàn)有核能技術(shù)的運行和維護成本，以及延壽等方面。第二階段，也是更為關(guān)鍵的階段，從2030年左右開始，屆時大規(guī)模的燃煤（電站）退役，核電站數(shù)量將大幅增加，進入核能2．0時代。這段時間內(nèi)主要致力于先進核反應(yīng)堆以及燃料技術(shù)的商業(yè)化，取代傳統(tǒng)的基負(fù)荷容量。與電網(wǎng)中（相比現(xiàn)在）更大容量的間歇性可再生能源相比具備競爭優(yōu)勢，同時允許用戶自主選擇。核能滲透到更廣泛的能源市場，包括工業(yè)過程熱、脫鹽、運輸領(lǐng)域的燃料生產(chǎn)等。第三階段，核能3．0時代，在2050年前后，屆時更多的先進核能技術(shù)將得到廣泛部署，以實現(xiàn)更低的碳排放要求。

2 核能制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[1~4]

2.1 主要的核能制氫技術(shù)

核能制氫在研的幾條技術(shù)路線包括生物質(zhì)熱化學(xué)制氫、熱化學(xué)碘硫循環(huán)制氫、高溫固體氧化物電解制氫、甲烷（高溫）重整制氫等，通過對其研究現(xiàn)狀、工業(yè)化可實現(xiàn)度、碳減排、經(jīng)濟性等評估，將生物質(zhì)熱化學(xué)制氫、甲烷重整制氫規(guī)劃為近期工業(yè)化的重點突破方向，熱化學(xué)碘硫循環(huán)（熱解）制氫、高溫固體氧化物（電解）制氫為長期技術(shù)攻關(guān)目標(biāo)。

能夠與制氫工藝耦合的反應(yīng)堆可有多種選擇,但從制氫的角度來看,制氫效率與工作溫度密切相關(guān)。為了獲得高制氫效率,應(yīng)該選擇出口溫度高的反應(yīng)堆堆型。高溫氣冷堆(出口溫度700～950℃)和非常高溫氣冷堆(出口溫度950℃以上)是最適宜的選擇。新一代核氫技術(shù)=高溫氣冷堆+碘硫循環(huán)制氫。

國內(nèi)的樣板工程600 MW高溫氣冷堆的連云港化工園供蒸氣項目已完成可行性研究。按2．5 MW水電槽供氫500 Nm3/h計，百萬噸氫冶金工廠小時需氫量為10萬Nm3,配套的水電解裝機功率為500 MW。之前做過的核算認(rèn)為一臺600 MW的高溫氣冷堆機組可滿足180萬t鋼對氫氣、電力及部分氧氣的能量需求，每年可減排約300萬t CO2，減少能源消費約100萬tce，目前看600 MW的HTR-PM機組滿足百萬噸氫冶金工廠的用氫是沒有問題的。我國已建成并運行10 MW高溫氣冷實驗堆，200 MW高溫氣冷堆商業(yè)示范電站于2020年建成投產(chǎn)，中核集團聯(lián)合清華大學(xué)已啟動600 MW高溫氣冷堆商用核電站的項目實施工作，并已基本完成其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和評審，已啟動廠址選擇工作。

2.2 與其它制氫技術(shù)比較

按全綠氫（90%）冶煉測算，百萬噸級綠氫冶金鋼廠對綠氫的需求量為100 000 Nm3/h，消耗指標(biāo)為750 Nm3/t鋼，考慮如下三種制氫方案。

1）天然氣（NG）制氫。天然氣制氫的成本約為1．97元/Nm3（天然氣按照2．5元/m3測算），存在少量CO2排放。

2）核電制氫。核電電解水制氫成本，按照核電上網(wǎng)電價0．43元/kWh計算，加上制氫站折舊、維護以及輸送成本等其它費用（約0．3元/Nm3），氫氣成本接近2．5元/Nm3。

3）風(fēng)電、光伏制氫。按風(fēng)力、光伏電解水制氫成本+輸送成本（0．1元/Nm3）測算，低谷電價0．336 3元/kWh時，制氫成本為1．83元/m3。

從成本與資源情況進行分析，目前國內(nèi)風(fēng)力、光伏電價格約為0．35元/kWh，隨著技術(shù)的進步，風(fēng)力、光伏發(fā)電的成本有望降到0．15~0．2元/kWh，電解水制氫的成本將進一步降低。據(jù)中國網(wǎng)財經(jīng)6月22日訊報道，寶豐能源國家級太陽能電解水制氫綜合示范項目綠氫綜合成本為1．34元/Nm3，隨著技術(shù)的不斷更新和公司自有折舊資金的投入，可再生能源制氫成本可降至0．7元/Nm3，與化石能源制氫成本相當(dāng)，達到行業(yè)最好水平。從目前情況推斷，未來幾年風(fēng)力、光伏發(fā)電的成本有望降0．2元/kWh以下，風(fēng)力、光伏電制氫成本降至1．16元/Nm3以下是可能的。核能要在經(jīng)濟性上具有競爭力，在短期內(nèi)看只有生物質(zhì)熱化學(xué)制氫、甲烷重整制氫具有可能性，熱化學(xué)碘硫循環(huán)（熱解）制氫、高溫固體氧化物（電解）制氫可以規(guī)劃為長期技術(shù)攻關(guān)目標(biāo)。

3 核能在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用場景分析[5~12]

目前，國內(nèi)外的鋼鐵企業(yè)已經(jīng)就氫能源在鋼鐵流程的應(yīng)用進行了多方探索，表1為目前國際上主要的氫冶金應(yīng)用示范場景項目。

表1 目前國際上主要的氫冶金示范工程

3.1 核能電替代制備電廠

綠電化、綠氫化將滲透到所有行業(yè)，鋼鐵行業(yè)也面臨這個轉(zhuǎn)化，從表2可見，鋼鐵廠目前的噸鋼電耗在206．46~794．09 kWh,平均約為500 kWh/t，根據(jù)測算如果將制備氫氣的電也計入噸鋼電耗，噸鋼電耗需求可達5 385 kWh/tce，目前鋼廠電氣化率不到10%，可見鋼廠對電力的需求空間巨大。

表2 2020年中鋼協(xié)噸鋼工序能耗及噸鋼用電量 單位：kgce/t

鋼廠目前主要通過“自發(fā)電量”或自發(fā)電+大用戶直購電電量的方式來實現(xiàn)用低價電，最多的甚至可以實現(xiàn)覆蓋企業(yè)90%以上的用電量。

自發(fā)電目前主要采用鋼企內(nèi)部生成的余熱、余壓、余氣等“三余”作為原料，實現(xiàn)了節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)保效益得以增強。鋼鐵行業(yè)整體自發(fā)電率已達到50%左右，部分先進的鋼企已經(jīng)達到了80%以上。公開資料顯示，首鋼京唐自發(fā)電比例超80%，山鋼日照約85%，陽春新鋼鐵達到85%以上，華菱湘鋼約67%，包鋼股份為58．72%。其發(fā)電技術(shù)、運行都已比較成熟，且投資成本回收也比較快。自備電廠目前存在的主要問題是單機容量受限制。國家電力系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電企業(yè)單機容量均在600 MW以上，目前1 000 MW是主力機組，而自備電廠單機容量普遍較小，在60~200 MW左右。發(fā)電機組越小，效率越低，故而發(fā)電成本越高，這是目前自備電廠運營最大的限制。

從目前鋼廠自發(fā)電三大能源來源看，均是越來越少，自發(fā)電面臨無米下炊的窘境。首先是回收的可燃?xì)怏w，主要是焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐和高爐煤氣，隨著焦炭使用量的減少，煤氣在減量。第二是余熱，各工序用于設(shè)備、產(chǎn)品冷卻的余熱及加熱爐產(chǎn)生的高熱煙氣、廢氣等，如燒結(jié)余熱、焦炭余熱、加熱爐煙氣余熱等。隨著富氧燃燒等技術(shù)的推廣及使用，煙氣也在減量。第三是余壓，如高爐爐頂余壓等，隨著豎爐的使用，高爐的余壓也在減少。傳統(tǒng)制備電廠面臨無米下鍋，小型核電的單機容量已經(jīng)接近自發(fā)電200 MW的容量，提供了電網(wǎng)購電外的另外一種選擇。

核能電替代自發(fā)電是核能在鋼廠使用的一個重要的場景，核能替代自發(fā)電廠需要從五個方面考慮其可行性：技術(shù)屬性，運行年份、裝機容量、鍋爐燃燒技術(shù)、應(yīng)用范圍；盈利能力，年度毛利潤、使收支平衡的利用小時、使收支平衡的煤炭價格；環(huán)境影響，CO2排放、空氣污染及健康影響、水資源影響；電網(wǎng)穩(wěn)定性，能源結(jié)構(gòu)、間歇性可再生能源；公平性，退役速度、資產(chǎn)擱淺、就業(yè)。

3.2 高爐富氫還原實驗

在現(xiàn)有的大型高爐上使用噴氫減碳，是氫冶金的主要場景之一，目前面臨三大問題。

1）氫氣供給量受限

高爐內(nèi)的主要的鐵礦石還原反應(yīng)，主要是CO氣體將氧化鐵(鐵礦石)還原而生成金屬鐵，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)。通過氫氣將氧化鐵還原是吸熱反應(yīng)。因此，如果沒有風(fēng)口供給氣體，從高爐爐身部僅供給氫氣，則在熱量上無法完全進行高爐內(nèi)的鐵礦石還原，氫氣從爐身部的供給量相對于風(fēng)口供給氣體量，被限制為很小的值。像這樣將少量的氫氣直接從高爐爐身部供給的情況下，鐵礦石的氫還原僅在該區(qū)域發(fā)生。如果在爐壁附近氫氣濃度過剩，則由于鐵礦石的氫還原，使氣體溫度急劇下降，無法維持還原所需的溫度，因此為了確保爐壁附近適當(dāng)?shù)臍錃鉂舛?，可供給的氫氣供給量，僅允許小于上述上限的值。所以，由于氫氣供給量的制約，存在無法設(shè)定足夠高的高爐內(nèi)的氫還原的比率的問題。

2）制造氫氣時生成的CO2的問題

3）還原氣體成分

關(guān)于向高爐爐身部供給還原氣體，現(xiàn)有技術(shù)中認(rèn)為只要以高濃度含有氫氣即可，但實際上為了向高爐爐身進行供給從而在高爐內(nèi)使氫冶煉順利地持續(xù)進行，并且削減高爐中生成的CO2，在還原氣體的成分組成方面有嚴(yán)格的限制。許多技術(shù)提出了將不優(yōu)選的氣體種類的還原氣體向高爐爐身部供給，這樣的方法無法在短時間內(nèi)進行操作，或者無法削減高爐中生成的CO2。具體可結(jié)合圖1理解。

圖1 高爐噴氫量的理論值

3.3 全氫、全氧高爐場景

小型全氫、全氧高爐使用氫冶金是煉鐵工序另外一個重要的使用場景，具體見圖2，其基本的原理就是利用現(xiàn)有的設(shè)備，盡可能多地使用氧氣、氫氣，實現(xiàn)減碳。

圖2 氫、氧高爐原理示意圖

技術(shù)路徑是將氧氣高爐頂煤氣中的CO2提取，然后加入等量的氫氣，將新的混合氣，吹入后BF中實現(xiàn)頂煤氣循環(huán)。其中，氫氣的加入量，可以進行如下的簡要計算，CO:43%=3 018 kcal/m3＊43%=1 298 kcal/m3，H2:56%=2 576 kcal/m3＊56%=1 442 kcal/m3，N2：1%，混合氣熱值=2 740 kcal/m3H2加入量=1 173 Nm3/TFe×48%=563 Nm3/TFe。

3.4 氫基豎爐應(yīng)用場景

氫基豎爐可以最大化地使用氫能，其工藝流程比較簡潔（見圖3），無需頂煤氣CO2脫除裝置和煤氣重整爐，主要設(shè)備為豎爐、兩段式加熱爐、煤氣洗滌器和加壓機。H2消耗約為650 Nm3/tDRI(54 kg H2/tDRI，含加熱消耗)，進入豎爐還原需要加熱至1 000℃。對于年產(chǎn)100萬t DRI產(chǎn)品的直接還原豎爐，大約需要氫氣6．5億Nm3/年。

圖3 氫基豎爐工藝流程圖

4 結(jié)論

以高溫氣冷堆HTR-PM技術(shù)為代表的核能技術(shù)可以提供廉價、穩(wěn)定的熱和電，結(jié)合制氫技術(shù)，能為鋼廠提供廉價氫氣，助力鋼廠實現(xiàn)氫冶金。在具體實施時，小型氣冷堆等核能制氫技術(shù)，需要分步實施，在近期內(nèi)結(jié)合核能熱電的生物質(zhì)制氫等技術(shù)可能更具有經(jīng)濟性，遠(yuǎn)期熱化學(xué)碘硫循環(huán)（熱解）制氫、高溫固體氧化物（電解）制氫等將成為主流。核能氫在鋼廠的自發(fā)電廠替代、大型高爐噴氫、小型高爐全氧/全氫冶煉、全氫豎爐等領(lǐng)域都具有應(yīng)用的前景。核能制氫-冶金應(yīng)用耦合技術(shù)，無論對于鋼廠還是核電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都意義重大。