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蒂森克虏伯、日本制铁、POSCO……三大国际钢铁公司氢冶金路线刍议

发布时间:2022-07-11  浏览量:2207




氢冶金是氢能在工业领域的重要应用,是冶金领域重要的低碳前沿技术,是钢铁行业重要的转型发展方向。氢冶金涉及氢气直接还原、氢气熔融还原、高炉喷氢等。从全球范围看,各大钢铁公司高度重视氢冶金技术发展,氢冶金是钢铁企业实现碳中和的重要技术路径。从国内看,殷瑞钰等学者研究提出,2021—2060 年累计碳减排贡献中,粗钢产量下降因素约占45%,全废钢电炉流程因素约占39%,氢冶金因素约占9%,节能、界面技术、智能化等因素约占7%,氢冶金是我国钢铁工业实现碳中和的重要技术路线。针对蒂森克虏伯、日本制铁、POSCO等三大国际钢铁公司,结合其低碳发展战略,本文梳理了各企业氢冶金发展路线,供业内参考。







蒂森克虏伯


1 碳中和目标

2019年蒂森克虏伯排放CO22300万吨,相当于整个德国排放总量的3%。蒂森钢铁(Thyssenkrupp Steel)是其中*主要的排放单元,其气候战略分两个阶段:2030年,生产流程以及能源采购过程中碳排放总量减少30%(以2018 年为基准);2045年,实现碳中和。蒂森钢铁提出两条技术路线,一是tkH2Steel®,即氢冶金路线;二是Carbon2Chem® 工程,将钢厂废气转化为化学工业基础化学品,进一步用于制造肥料、塑料或燃料等。

2 氢冶金路线

蒂森钢铁杜伊斯堡厂采用长流程工艺,现有4座高炉,分别为1#3844m3、2#4769  m3、8#1303 m3和9#1833 m3,其氢冶金发展路线分为4个阶段:

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2019年起,实施高炉喷氢。2019年以来,在正常运行的9#高炉上已完成氢气利用相关测试,后续目标是向9#高炉全部28个风口喷入氢气。

2025年起,建设首座DR+SAF设施。建设一座大型竖炉直接还原厂生产DRI,配套新建一个创新型的、利用电能的熔炼单元(SAF)以熔化DRI生产铁水。关于直接还原用还原气体,先期采用天然气过渡,之后将采用绿氢;关于铁水去向,用于现有氧气炼钢厂。此阶段将退出第**一座高炉。

2029年起,扩大生产规模。建设第二座更大规模的直接还原厂及熔炼炉,退出第二座高炉。

2045年起,实现碳中和。建成四座直接还原厂及4座熔炼炉,淘汰全部4座高炉,钢铁生产实现碳中和。

3 相关技术情况

一是关于高炉喷吹氢气。第**一步试验开始于2019年11月11日,针对杜伊斯堡9#1833m3高炉,氢气通过其中某一风口喷入炉内。氢气由Air Liquide 公司通过气罐车输送。现已完成相关试验,试验团队获得大量有价数据,包括氢气喷枪在高炉中位置、流量和压力等。试验期间实现了每小时喷吹约1000m³的目标。第二步试验已于2022年启动。氢气喷吹将逐步扩大至所有28个风口。氢气将由Air Liquide公司的氢气管网提供。在此阶段采用氢气代替煤粉喷吹,有可能将碳排放量减少20%以上。该技术由德国联邦经济和技术部资助,其目的是将技术转移到大规模工业应用。

二是关于氢气直接还原。目前正在进行一系列试验,其中,如何喷入氢气以实现氢与铁矿石中的氧高**效反应是其中关键问题。高炉喷吹氢气同样面临此问题。另外,由于在近期不会大量供应碳中性的氢气,天然气将作为权宜之计,但与煤基高炉路线相比,这已经显著减少碳排放。第**一个大型直接还原厂将于2025年在蒂森钢铁投入运营。

三是关于生产系统融合。直接还原厂将被整合进现有生产流程。与高炉相比,直接还原厂生产固体DRI而非铁水。为实现进一步冶炼加工,需将DRI熔化成类似铁水的产品。蒂森钢铁联合开发了一个全新设施以优化铁水系统。该设施是一个利用电能的熔炼单元,与 直接还原设施结合。配套有熔炼设施的直接还原厂——像高炉一样——可连续生产普通铁水,以供应转炉炼钢车间。因此,新生产设施可以与现有生产厂无缝衔接。该技术*大优势是可以保持现有转炉炼钢工艺路线,杜伊斯堡厂可以像过去一样炼钢——但用氢和绿色能源代替了煤炭。



日本制铁


1 碳中和目标

日本制铁碳减排愿景规划为两个阶段:2030年,碳排放量减少30%以上(相对于2013年),主要措施包括:在现有高炉流程中实施COURSE50,减少现有工艺中的碳排放,建立高**效的生产架构;2050年,实现碳中和,主要措施包括:采用大型电炉大规模生产高等级钢,实现氢冶金(Supor-COURSE50高炉,全氢直接还原),采用CCUS和其他碳补偿措施等。

2 氢冶金路线

日本制铁氢冶金包括高炉喷吹氢气和全氢直接还原+高炉/电弧炉熔化两条并行的技术路线。

3 相关技术情况

(1)高炉喷吹氢气(COURSE50和Super COURSE50)

COURSE50 高炉和Super COURSE50 高炉是在现有高炉基础上改造而成,采用氢气和DRI替代部分焦煤和铁矿。COURSE50 高炉,通过部分喷吹来自企业内部的氢气(如焦炉煤气),可实现30%减排量,其中,10%来自氢气作用,20%来自CCS。Super COURSE50 高炉,通过*大化地喷吹来自外部的氢气,配合CCS/CCUS,可实现碳中和。COURSE50为日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)委托项目。

高炉喷吹氢气存在的技术挑战:①碳还原是放热反应,氢还原是吸热反应,喷吹氢气将导致炉内温度降低。大量喷吹氢气需对氢气进行预热,相关技术有待开发。②减少焦炭、增大氢气喷入量后,炉内气体渗透性将降低,导致炉内反应恶化,同时,与高温气体接触减少,不易熔化。在操作上,要确保*大的气体渗透性,保证在降低焦比后可实现稳定的反应和熔化。③在大型高炉中大量喷入氢气后,还面临如何解决气体均匀分布、热量均匀分布、矿石粘着和熔体流动等系列技术问题。由于难以提供具有经济效益的氢气,目前日本还没有向高炉喷吹氢气的案例。

(2)全氢直接还原

世界多地运行有以甲烷(天然气)为还原气的DRI竖炉生产设施,但由于天然气价格原因,日本并没有此类设施。由于甲烷含碳,此工艺仍会产生一定CO2排放。全氢直接还原的目标是100%以氢气为还原剂,再利用高炉或电弧炉进行熔化。目前这种工艺仍存在一些技术问题。如,氢气需预热至足够温度以保证还原反应发生;竖炉内还原过程中,低温环境下球团易发生粉化,而下部预热的高温氢气易导致DRI粘结。


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