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煉鋼領(lǐng)域的氫技術(shù)革命
  來(lái)源:冶金技術(shù)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:2021年07月14日 點(diǎn)擊數(shù):

幾大趨勢(shì)正推動(dòng)社會(huì)以可持續(xù)經(jīng)濟(jì)模式發(fā)展。就煉鋼等高能耗行業(yè)而言,向氣候中性方向邁進(jìn),意味著要大力投資使用替代原料的新工業(yè)流程。在這種情況下,T公司特別關(guān)注了以氫為基礎(chǔ)的解決方案,開(kāi)發(fā)出能夠顯著降低鋼鐵生產(chǎn)能耗及其環(huán)境足跡的技術(shù),并對(duì)其不斷改進(jìn)。本文概述了處于煉鋼創(chuàng)新最前沿的SALCOS和HYBRIT項(xiàng)目以及氣基還原過(guò)程在這些創(chuàng)新路線中的作用。

1、為什么氫是革命性的

從無(wú)碳電能生產(chǎn)氫——我們稱之為綠色氫——只是正在進(jìn)行的能源生產(chǎn)革命以及從舊的燃料-能源模式向能源-燃料模式轉(zhuǎn)變的冰山一角。

對(duì)可再生能源生產(chǎn)的研發(fā)投資,既解決了全球范圍內(nèi)的溫度上升問(wèn)題,也解決了更多的局部污染和環(huán)境問(wèn)題,導(dǎo)致了一系列能夠降低綠色電力成本的技術(shù)的開(kāi)發(fā)。然而,這樣的解決方案往往會(huì)導(dǎo)致電力生產(chǎn)不穩(wěn)定,無(wú)法滿足需求。因此需要以多種形式儲(chǔ)存能量,如水泵、電池,以及非常方便的燃料。

當(dāng)今社會(huì)對(duì)燃料的運(yùn)輸和使用已經(jīng)得心應(yīng)手,而燃料是最耗能和最穩(wěn)定的能源儲(chǔ)存方式。氫是一種能量載體:它是一種燃料,可以很容易地轉(zhuǎn)化為電力,再轉(zhuǎn)化為燃料,燃燒時(shí)產(chǎn)生水。

這,就是氫氣革命。

2、對(duì)熔爐市場(chǎng)的影響

T公司已開(kāi)發(fā)出多種節(jié)約和回收能源的技術(shù)??梢詮呐欧艩t氣中回收能量,并將其轉(zhuǎn)化為熱能,用于裝料(預(yù)熱)、蒸汽處理;外部應(yīng)用;或者作為其他用途燃料或電能。推廣使用這些技術(shù)最重要的一個(gè)因素就是在許多情況下,需要對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)貼,以使其具有經(jīng)濟(jì)意義(因此,企業(yè)通常會(huì)受益于“碳信用額”和地方減少污染的獎(jiǎng)勵(lì)措施)。

最近,一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)正在發(fā)展,為行業(yè)提供這種能源革命所需的材料,如金屬硅、釩和特殊鋼。

3、直接還原設(shè)備和氫的使用

T公司與墨西哥特爾尼翁鋼鐵集團(tuán)(Ternium Mexico)共用辦事處,專門研究直接還原工藝和技術(shù)。

自20世紀(jì)50年代初以來(lái),T公司 HYL一直致力于該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化,成為了直接還原技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一。

在全球化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2直接排放中,鋼鐵工業(yè)占據(jù)了其中的7%-9%,而一體化煉鋼法(始于用C進(jìn)行鐵礦石還原和熔融)是該行業(yè)CO2排放的最大因素。

與一體化路線相比,直接還原法是一種能用礦石生產(chǎn)鋼鐵,又能夠減少碳足跡的更好方法。通過(guò)使用天然氣并選擇性捕集CO2,溫室氣體排放可低至三分之一。而且,直接還原工藝還能替換作為還原劑的C。實(shí)際上,Energiron工藝可以用純氫更換所有天然氣,以進(jìn)一步減少CO2排放,使CO2排放量接近零。

在歐洲,仍有60%的鋼鐵生產(chǎn)以舊的碳基一體化工藝路線為基礎(chǔ),減少溫室氣體排放的探討一直在持續(xù),而上述應(yīng)用在歐洲正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

4、純氫直接還原

關(guān)于使用純氫作為直接還原的還原劑/燃料,存在兩點(diǎn)疑問(wèn):一是技術(shù)上的,二是經(jīng)濟(jì)上的。

從技術(shù)上來(lái)講,使用純氫會(huì)生成不含C的直接還原鐵產(chǎn)物,而C與空氣的反應(yīng)性很強(qiáng),因此很容易氧化。此外,需要在電弧爐料中添加C以進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)。從經(jīng)濟(jì)上來(lái)講,純氫的價(jià)值(以每能量單位美元計(jì))比任何其他可燃?xì)怏w都高。

2018年的氫產(chǎn)量超過(guò)了6000萬(wàn)噸,價(jià)值近1000億美元,其中80%的氫用于三個(gè)主要行業(yè):精煉、制氨和金屬加工。

氫因其特性和用途(尤其是在B2C和化工市場(chǎng)中),可用于更高附加值的應(yīng)用中,如運(yùn)輸或其他方面。

對(duì)于Enerigiron直接還原設(shè)備,使用高氫含量的合成氣(例如,氫含量為55%,其相關(guān)的CO2排放量比一體化路線降低82%)似乎可以解決上述技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。這大致就是T公司與薩爾茨吉特公司(Salzgitter AG)合作開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目。

5、薩爾科斯(SALCOS)項(xiàng)目

SALCOS是T公司與薩爾茨吉特公司擬共同開(kāi)發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目。其理念就是用直接還原-電弧爐工藝路線替代高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝,把碳密集型煉鋼工藝(薩爾茨吉特公司100%以高爐生產(chǎn)為基礎(chǔ))的CO2排放量降低85%。在該項(xiàng)目中,所有煉鋼技術(shù)均由T公司設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)。

將新設(shè)施與現(xiàn)有的鋼鐵廠進(jìn)行整合是直接還原工藝所面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)逐步安裝啟用Energiron反應(yīng)器,最初的CO2減排量可高達(dá)50%。隨著一步步將整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)移至直接還原設(shè)備,該數(shù)字將提高到85%。

直接還原設(shè)備使用的氣體是與H2混合的天然氣,H2用可再生能源通過(guò)電解產(chǎn)生,其百分比達(dá)到70%,獲得的直接還原鐵熱裝入電弧爐中,從而生產(chǎn)出質(zhì)量與現(xiàn)有薩爾茨吉特產(chǎn)品極為相似的鋼。

T公司與薩爾茨吉特公司目前正在開(kāi)展進(jìn)一步的研究項(xiàng)目——GrInHy 2.0,該項(xiàng)目已獲得了歐洲氫能組織以及歐盟委員會(huì)的支持。這應(yīng)該是向著將鋼鐵生產(chǎn)從煤轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃獾牡谝粋€(gè)全面計(jì)劃又邁進(jìn)了一步。

GrInHy2.0與已在薩爾茨吉特成功運(yùn)行的GrlnHy第一期項(xiàng)目無(wú)縫銜接。Sunfire、Paul Wurth SA、Tenova SpA、法國(guó)CEA研究中心和Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH正在共同建造世界上最大的蒸汽電解槽(StE)以高效制氫,氫氣除了用于直接還原鐵生產(chǎn)以外,還可用于罩式退火爐。

GrInHy2.0項(xiàng)目首次在工業(yè)環(huán)境中采用標(biāo)稱輸入功率為720kW的高溫電解槽。預(yù)計(jì)到2022年底,該高溫電解槽將至少運(yùn)行13000h,總共產(chǎn)生約100t的高純度(99.98%)氫氣。

6、HYBRIT®項(xiàng)目

在這一轉(zhuǎn)變浪潮中,第一個(gè)進(jìn)行的項(xiàng)目實(shí)際上是Hybrit Development AB公司的一個(gè)項(xiàng)目,該公司是由瑞典鋼鐵公司SSAB、瑞典LKAB礦業(yè)公司和瑞典大瀑布電力公司Vattenfall組成的一個(gè)瑞典合資公司。項(xiàng)目的基本思路是在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中用氫氣取代焦炭和煤,目標(biāo)是在瑞典盧勒奧(Lulea)的中試工廠中創(chuàng)建一種排水而不是排CO2的工藝。如果試驗(yàn)成功,這一以HYBRIT®為品牌的新方案將為無(wú)化石世界作出重大貢獻(xiàn)。

SSAB認(rèn)為,至少在21世紀(jì)末之前,再生廢料將無(wú)法充分滿足不斷增長(zhǎng)的鋼鐵需求。事實(shí)上,直至2100年左右,全球鋼鐵生產(chǎn)仍將繼續(xù)依賴鐵礦石這一主要來(lái)源。鋼鐵行業(yè)的碳足跡對(duì)歐洲以及世界其他各地而言都是一種挑戰(zhàn),但是,瑞典在氫能煉鋼方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗塬@得無(wú)化石燃料發(fā)電電力、最高品質(zhì)的鐵礦石,并擁有歷來(lái)具有創(chuàng)新性的鋼鐵行業(yè)。

SSAB最早將在2025年將其在瑞典的CO2排放量減少25%,首先是通過(guò)將瑞典奧克隆德(Oxelosund)的高爐轉(zhuǎn)換為電弧爐;然后在2030年到2040年之間,計(jì)劃完成瑞典盧勒奧(Lulea)和芬蘭拉赫(Raahe)的高爐轉(zhuǎn)換,消除大部分剩余的CO2排放。

該公司預(yù)計(jì)到2022年,其位于愛(ài)荷華州馬斯卡汀的運(yùn)作將由可再生能源提供動(dòng)力,而這家美國(guó)公司將從2026年開(kāi)始提供無(wú)化石鋼鐵產(chǎn)品,該產(chǎn)品是利用瑞典HYBRIT®技術(shù)生產(chǎn)的直接還原鐵為原料生產(chǎn)的。與此同時(shí),SSAB已經(jīng)開(kāi)始在整個(gè)公司范圍內(nèi)逐步淘汰使用化石燃料的軋鋼廠和熱處理廠,以到2045年實(shí)現(xiàn)無(wú)化石燃料的目標(biāo)。

中試階段:盧勒奧的無(wú)化石鋼鐵生產(chǎn)中試工廠始建于2018年夏。在HYBRIT中試工廠中,氫氣由電解水產(chǎn)生,然后泵送至T公司提供的直接還原模塊中,這是使用氫氣生產(chǎn)直接還原鐵最為可靠而直接的方法。事實(shí)上,傳統(tǒng)的Tenova ZR方案無(wú)需進(jìn)行更改,只是在工藝路線中用氫氣代替了天然氣。至于其他,相同標(biāo)準(zhǔn)的ZR設(shè)備無(wú)需任何其他更改,即可工作。

產(chǎn)出的直接還原鐵將作為原料,和回收的廢鋼一起,用于電弧爐煉鋼。該中試工廠已啟動(dòng)。另外,還決定在靠近HYBRIT中試工廠的地方,于Svartoberget LKAB基地地下約30m處建造一個(gè)試點(diǎn)氫存儲(chǔ)設(shè)施。預(yù)計(jì)該存儲(chǔ)設(shè)施于2022年開(kāi)始運(yùn)行。與此同時(shí),在2019年夏,瑞典Malkaget的LKAB基地也開(kāi)始建造無(wú)化石球團(tuán)廠。在這里,化石燃料被生物燃料所替代,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)化石的鐵礦石球團(tuán)生產(chǎn)。

7、結(jié)語(yǔ)

工業(yè)過(guò)程與加熱的電氣化是降低工業(yè)碳排放強(qiáng)度的一項(xiàng)核心技術(shù)。顯然,在不久的將來(lái),所用的額外電力將會(huì)盡可能降低二氧化碳排放。對(duì)鋼鐵行業(yè)的評(píng)估表明,要使該行業(yè)脫碳,必須大量增加此類電力的供應(yīng),而且還必須具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。

希望從煤炭到天然氣(作為過(guò)渡燃料)的結(jié)構(gòu)化過(guò)渡,最終以綠色氫氣結(jié)束。T公司并不是在單打獨(dú)斗,自2018年中以來(lái),T公司與Techint集團(tuán)的另外兩家公司Techint E&C和Tenaris一起組建了“ T3委員會(huì)”,意在通過(guò)三個(gè)不同但互補(bǔ)的方案,來(lái)探索減少碳足跡以及氫氣的利用。

大多數(shù)歐洲鋼鐵制造商正不懈努力對(duì)各中試工廠進(jìn)行測(cè)試。其中主要有兩種方法,一種是碳捕集與利用(CCU),它仍會(huì)產(chǎn)生CO2,但可以各種形式捕集并使用;另一種是直接避免碳使用(CDA),它完全避免了CO2的排放。

T公司利用正在轉(zhuǎn)型的優(yōu)勢(shì),同時(shí)參與了上述兩種方法。HYL直接還原技術(shù)是煉鐵和煉鋼行業(yè)中唯一一種具有CO2吸收裝置(工藝的固有特征)的技術(shù),在許多運(yùn)行的工廠中,CO2已經(jīng)是一種有價(jià)副產(chǎn)品,可以出售給飲料行業(yè)或石油行業(yè)以提高石油采收率(EOR)。

我們更傾向于CDA,它對(duì)整體溫室氣體足跡方面的影響更大,因此,鼓勵(lì)開(kāi)展更多類似瑞典的項(xiàng)目。對(duì)T公司來(lái)說(shuō),“順其自然”雖說(shuō)是偶然的,但這是過(guò)去三十年來(lái)努力的結(jié)果,當(dāng)時(shí)所關(guān)注的前瞻性問(wèn)題,現(xiàn)已成為現(xiàn)實(shí)。

        T公司已啟動(dòng)一個(gè)名為“生態(tài)可持續(xù)”的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),該平臺(tái)涉及各種事件、最佳實(shí)踐和案例研究,強(qiáng)調(diào)了T公司正在兌現(xiàn)其對(duì)可持續(xù)性發(fā)展的承諾。

- 文章摘自冶金技術(shù)網(wǎng)

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