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对于“氢能炼铁”,全球钢企已做了这些尝试

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11月11日,蒂森克虏伯在德国北莱茵-威斯特法伦州启动了一系列高炉氢利用试验,旨在减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放。这是蒂森克虏伯实现其提出的气候中性战略目标的关键一步,也是全球钢铁行业实现绿色可持续发展的一个重要里程碑。

德国北威州副州长Andreas Pinkwart、蒂森克虏伯董事会成员Klaus Keysberg博士、蒂森克虏伯钢铁欧洲董事会主席Premal Desai等在试验启动现场
蒂森克虏伯的目标是在2050年前实现气候中性战略(指让温室气体的消耗量与排放量大体相当,从而实现温室气体的“净零排放”)。为实现该战略目标,蒂森克虏伯确定了两个具有约束力的中期目标:到2030年,该公司生产和能源供应环节的二氧化碳排放量比2018年减少30%,且使用蒂森克虏伯产品和技术的客户的二氧化碳排放量比2017年减少16%。据悉,该公司在2018财年排放了约2400万吨二氧化碳,相当于德国二氧化碳总排放量的约3%。
蒂森克虏伯将氢的使用视为实现气候中性战略目标的关键。对蒂森克虏伯来说,在传统的高炉生产工艺中,生产1吨生铁需要大约300公斤焦炭和200公斤煤粉。煤作为还原剂,通过28个风口注入到高炉竖井中。而在蒂森克虏伯11月11日进行的高炉氢利用试验中,氢气代替煤通过其中1个风口注入9号高炉。该公司计划逐步将氢气的使用范围扩展到9号高炉的全部28个风口,并将从2022年起开始在北莱茵-威斯特法伦州的全部3个高炉生产中使用氢气,预计可减少20%的二氧化碳排放。蒂森克虏伯还计划建造大规模的直接还原工厂。

氢气通过管道注入9号高炉

实际上,随着二氧化碳减排压力的增大,氢气还原技术受到了越来越多的重视,迎来了蓬勃发展的机会。在“氢能炼铁”方面,近年来,除了蒂森克虏伯以外,还有多家国外钢铁企业已经进行了一系列探索,取得了一定的进展。

瑞典钢铁HYBRIT项目


2016年,瑞典钢铁公司(SSAB)瑞典大瀑布电力公司(Vattenfall)瑞典矿业集团(LKAB)联合成立了HYBRIT项目。按照HYBRIT项目计划,2016年~2017年为项目预研阶段,主要工作内容包括评估非化石能源冶炼的潜力,以及二氧化碳的捕集、存储和利用等。该项目的中试研究阶段为2018年~2024年,示范运行阶段为2025年~2035年。在为期10年的示范运行阶段主要进行运行测试,以确保到2035年实现商业化运行。

HYBRIT项目的工艺流程基本思路是:在高炉生产过程中用氢气取代传统工艺的煤和焦炭(氢气由清洁能源发电产生的电力电解水产生),氢气在较低的温度下对球团矿进行直接还原,产生海绵铁(直接还原铁),并从炉顶排出水蒸气和多余的氢气,水蒸气在冷凝和洗涤后实现循环使用。


萨尔茨吉特SALCOS项目



2019年4月份,在汉诺威工业博览会上,德国萨尔茨吉特钢铁公司(以下简称萨尔茨吉特)与特诺恩公司(Tenova,一家为金属上下游行业提供节能降耗技术解决方案的公司)签署了一份谅解备忘录,旨在继续推进以氢气为还原剂炼铁,从而减少二氧化碳排放的SALCOS项目。

SALCOS项目旨在对原有的高炉-转炉炼钢工艺路线进行逐步改造,把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线,同时实现富余氢气的多用途利用。

萨尔茨吉特于2016年4月份正式启动了GrInHy1.0(Green Industrial Hydrogen,绿色工业制氢)项目,采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气,并将多余的氢气储存起来。当风能(或其他可再生能源)波动时,电解槽转变成燃料电池,向电网供电,平衡电力需求。2017年5月份,该系统安装了1500组固体氧化物电解槽,于2018年1月份完成了系统工业化环境运行,2019年1月份完成了连续2000个小时的系统测试。今年2月份,GrInHy1.0项目完成。

2019年1月份,萨尔茨吉特开展了GrInHy2.0项目。GrInHy2.0项目的显著特点是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气,用水蒸气与绿色再生能源发电,然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产,也可用于钢铁生产的后道工序,如作为冷轧退火的还原气体。

奥钢联H2FUTURE项目

2017年初,由奥钢联发起的H2FUTURE项目旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术,降低钢铁生产过程中的二氧化碳排放,最终目标是到2050年减少80%的二氧化碳排放。

H2FUTURE项目的成员单位包括奥钢联、西门子、Verbund(奥地利领先的电力供应商,也是欧洲最大的水力发电商)公司、奥地利电网(APG)公司、奥地利K1-MET(冶金能力中心Metallurgical Competence Center)中心组等。

该项目将建设世界最大的氢还原中试工厂。西门子公司是质子交换膜电解槽的技术提供方,将为奥钢联位于奥地利林茨市的工厂提供电解能力为6兆瓦的电解槽,氢气产量为1200立方米/小时,电解水产氢效率目标为80%以上;Verbund公司作为项目协调方,将利用可再生能源发电,同时提供电网相关服务;奥地利电网公司的主要任务是确保电力平衡供应,保障电网频率稳定;奥地利K1-MET中心组将负责研发钢铁生产过程中氢气可替代碳或碳基能源的工序,定量对比研究电解槽系统与其他方案在钢铁行业应用的技术可行性和经济性,同时研究该项目在欧洲甚至是全球钢铁行业的可复制性和大规模应用的潜力。

我国钢企在氢能利用方面的动作

2019年4月28日,生态环境部等5部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》,意在进一步降低钢铁行业各生产环节的污染物排放。钢铁企业尤其是特大型钢铁企业为了适应国内国际形势,也开始积极参与氢能利用项目。

2019年1月份,宝武集团与中核集团、清华大学签订《核能—制氢—冶金耦合技术战略合作框架协议》,三方将强强联合,资源共享,共同打造核冶金产业联盟。

2019年3月份,河钢与中国工程院战略咨询中心、中国钢研、东北大学联合组建氢能技术与产业创新中心,共同推进氢能技术创新与产业发展。河钢将重点在氢气存储与运输、燃料电池汽车、富氢冶金技术等领域开展研究。

两家中国钢铁企业涉足氢能利用,思路各异。宝武集团主要采用核能电解制氢工艺,但也不排除其他方面的应用扩展。河钢当前主要依托钢铁企业自身副产品制氢,制氢工艺成熟、成本相对较低。在应用方面,河钢前期将主要在氢燃料电池产业链进行布局,后期才会发展到富氢冶金技术领域。

因为拟采用的制氢工艺不同,两家中国钢企所选择的重点合作伙伴也有所差异。目前这两家中国钢企的前期项目研究尚未得到政府基金或专项科研基金的支持。与国外企业相比,在氢能制取的电解槽、燃料电池电极等方面,国内还有差距,有必要吸引电解槽设备供应商、燃料电池供应商或相关研究机构加入。

相信在国内企业、高等院校及科研院所、材料供应商、电力企业等的广泛参与和政府的大力支持下,经过长时间的不断努力,中国钢企的氢能利用之路,终能顺应时代的要求。

(来源:蒂森克虏伯中国、中国冶金报


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