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拥抱氢经济时代全球氢冶金技术研发亮点纷呈
信息来源:世界金属导报2019-11-26F01      时间:2019-11-28 09:14:03


11月11日,德国蒂森克虏伯公司将氢气注入杜伊斯堡9号高炉,正式启动氢炼铁试验,引起行业内广泛关注。对于钢铁行业,通过先进的技术进一步挖掘传统生产流程的节能减排潜力已经非常有限。全球主要钢铁企业已经充分认识到,只有进行突破性技术的研发,通过对工艺流程的变革,才能取得突破性进展。氢是清洁能源,具有非常好的应用前景。有专家预计,未来将是氢经济时代。将绿色电力和氢气用于钢铁制造工艺是变革性技术研发的热点之一,近年来行业内涌现出诸多利用氢的研发项目。除蒂森克虏伯外,日本利用氢的革新性炼铁项目COURSE50,瑞典利用水电制氢的项目正稳步推进。中国宝武以及河钢等国内钢铁企业也与相关机构合作正在进行将氢气应用在钢铁生产的工艺技术研发项目。这些项目的基本情况和进展介绍如下。

日本COURSE50项目

日本环境和谐型炼铁项目(COURSE50)的研究内容包括氢还原工艺技术开发、从高炉煤气中分离和回收二氧化碳以及该技术的实际应用。该项目于2008年启动,历时10年开发了关键技术,自2018年开始,进入实际应用的综合技术开发阶段。项目最终目标是实现炼铁工艺二氧化碳排放量减少30%,其中对于氢还原炼铁法二氧化碳减排目标为10%、从高炉煤气中分离回收二氧化碳技术的减排目标为20%,项目计划到2030年实现实际应用。

2018年 10月29日-11月27日,研究人员在位于新日铁住金君津厂容积为12立方米的试验高炉上进行了第五次试验,对吹入氢系气体带来的影响及其减排二氧化碳效果等进行了验证,确认了随着氢吹入量的增加,碳单位消耗量减少。为在2022财年利用实际高炉进行扩大规模试验,研究人员将选择至少有两座高炉的钢厂作为试验地点,并着手工程施工的前期准备(气体配管的安装等)、分析技术以及进行吹入氢系气体用喷枪的设计等。此外,还着手制作试验用高温环境中使用的粘度计、探讨熔融HPC(高强度焦炭用高性能粘结材料)的连续运送、排放装置设计等。

在此基础上,日本钢铁联盟提出了以2100年为目标的“挑战零碳钢”长期愿景。在钢铁技术开发方面,COURSE50项目计划在2030年投入实际运行,届时将利用钢铁厂内的氢进行部分氢还原;之后将在积累经验的基础上,开展以钢厂外部的氢为原料的超级COURSE50开发。待开发到一定程度之后,将进行不使用高炉的氢还原铁的开发。同期将进行CCS、CCU技术开发,以实现“零碳钢”的目标。

瑞典HYBRIT项目

瑞典钢铁公司、瑞典国有铁矿石公司LKAB和瑞典大瀑布电力公司联合成立的合资公司HYBRIT(hydrogen breakthrough ironmaking technol ogy),旨在联合开发用氢替代炼焦煤和焦炭的突破性炼铁技术。HYBRIT项目将研究采用氢的直接还原工艺,而氢则是利用非化石能源产生的。氢与球团矿发生反应,生成直接还原铁(DRI)。将直接还原铁与废钢一起装入电炉,或者制成热压块铁储存或出售。

2018年6月,HYBRIT项目开始在Lulea建设中试厂,中试厂将从2021年到2024年运行,每年生产50万吨DRI。之所以建在Lul ea是为方便利用瑞典钢铁公司现有的炼钢设施以及Norrbotten铁矿。到2024年,中试厂的建造和运营成本估计为10亿-20亿瑞典克朗。HYBRIT的目标是在2035年之前形成无碳解决方案。

2019年10月,瑞典钢铁公司、LKAB和大瀑布公司发布消息,决定将投资1.5亿瑞典克朗,瑞典能源署出资近5000万瑞典克朗,于2021年在LKAB位于Svartoberget的地下25-35米处建造新的氢气储存设施,靠近在Lul ea正在建设的中试厂。该储氢设施预计将于2022年至2024年运行。瑞典钢铁公司计划于2026年向市场提供第一批无化石能源生产的钢铁产品。

安赛乐米塔尔开展纯氢炼铁技术研发

安赛乐米塔尔正在投资6500万欧元,在其位于德国的汉堡厂进行氢直接还原铁矿石的项目研究。中试厂计划在今后几年内建造。类似瑞典HYBRIT项目的思路,目前汉堡厂采用天然气生产直接还原铁,该项目的研究是采用氢来直接还原铁矿石。安米与弗莱贝格工业大学合作,计划在未来几年在汉堡厂对这一工艺进行试验,中试厂的规模为10万吨/年。另外,研究将采用变压吸附法从现有厂的炉顶煤气中分离氢气,使其纯度达到95%以上。氢直接还原铁矿石的试验将首先采用煤气分离出的氢气,以实现经济运行。未来当有足够数量的来自可再生能源的氢时,将采用这种绿色氢进行生产。

德国蒂森克虏伯氢炼铁技术

蒂森克虏伯集团与液化空气公司合作,计划到2050年投资100亿欧元开发将氢气大量喷入高炉的氢炼铁技术。

11月11日,蒂森克虏伯正式启动将氢气注入杜伊斯堡9号高炉,进行氢炼铁试验。氢气通过其中一个风口注入了9号高炉,这标志着该项目一系列测试的开端。如果进展顺利,蒂森克虏伯计划逐步将氢气的使用范围扩展到9号高炉全部的28个风口。此外,蒂森克虏伯还计划从2022年开始,该地区其他三座高炉都将使用氢气进行钢铁冶炼,从而降低生产过程中的二氧化碳排放,降幅可高达20%。此外,液化空气公司将通过其位于莱茵 - 鲁尔区全长200公里的管道确保稳定的氢气供应。

奥钢联绿氢项目

奥钢联、VERBUND、西门子、奥地利电网、K1-MET和TNO在研究绿氢在工业生产中的应用,希望用氢替代钢铁生产过程中使用的化石燃料。绿氢项目是欧盟资助的H2f uture项目的一部分,获得欧盟1800万欧元的资金支持。

位于林茨的奥钢联厂房内,世界上最大的电解槽正在生产绿氢,新工厂的发电容量超过6兆瓦,它将用于测试生产绿氢的技术是否适合在工业中大规模使用。

据外媒11月12日报道,奥钢联集团将投资10亿欧元兴建混合燃料钢铁厂,将五座高炉中的三座改为电炉,预计2030年建成。该公司表示,利用电能取代煤和焦炭等化石燃料高炉只是中间步骤,最终目标是利用氢能作为钢铁高温生产的所需能源,预计氢能制钢这一技术要在2035年以后才能实现。

德国迪林格和萨尔开展氢炼铁技术开发

德国迪林根和萨尔钢公司计划投资1400万欧元,研究在萨尔炼铁公司的两座高炉上,将联合钢铁厂产生的富氢焦炉煤气输入高炉中,用氢取代部分碳作为还原剂的工艺技术。该项技术研究涉及的设备及基础设施建设将不影响高炉的运行,项目计划从2020年开始实施。萨尔炼铁公司是迪林根和萨尔钢公司各持股50%的合资企业,有两座高炉在运行,总产能为440万吨/年。

在欧洲,萨尔炼铁公司高炉已经属于高效的高炉。该项目的实施有望大幅削减二氧化碳排放。考虑到欧洲排放配额成本飙升,该项目对这一欧洲钢铁企业至关重要。

萨尔茨吉特低二氧化碳炼钢项目(SALCOS)

萨尔茨吉特低二氧化碳炼钢项目(SALCOS)的核心是将氢作为还原剂,减少钢铁生产过程中二氧化碳排放,使用的氢气应由可再生能源生产。

萨尔茨吉特与合作伙伴Sunf ire GmbH、PW、特诺恩等公司共同建造高温电解器(HTE),用于生产高效节能的绿氢。这是GrInHy2.0项目的一部分。

浦项参与核能制氢研究

韩国政府将氢还原炼铁法指定为国家核心产业技术进行开发。2010年6月,以韩国电力公司为首的财团投资1000亿韩元与浦项钢铁公司联合开展系统集成模块化先进反应堆(Smart)和超高温核反应堆(VHTR)技术的研发工作,韩国原子能研究院(KAERI)也参与。浦项钢铁公司表示,将利用韩国原子能研究院的研究成果,开发从铁矿石中分离氧的技术,但是近来没有发现相关进展的报道。

中国宝武集团核能利用项目

2018年10月份,中国宝武、中核集团和清华大学三方启动了共同研究核能技术与冶金制造技术如何协同以及创新技术链与产业链的可行性工作,之后组建联合工作团队制定合作方案,确定工作内容,并完成了合作前景分析报告。根据此次战略合作框架协议,三方将强强联合,以“产学研”模式开展深度合作,共同打造世界领先的核冶金产业联盟,充分发挥核能的优势,拓展应用领域,带动核装备制造、材料研发等相关产业发展;结合中国宝武钢铁产业的发展需求,将核能技术与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合,实现二氧化碳的超低排放。

河钢集团氢能利用项目

2019年3月,河钢集团与中国工程院战略咨询中心、中国钢研、东北大学签订合作协议,联合组建“氢能技术与产业创新中心”,打造氢能应用研究和科技成果转化平台。研究的领域包括制氢、储运、加氢等氢能利用领域。据悉,河钢在氢能利用方面还将涉足发展氢能的合格气源和燃料电池汽车等领域。

全球钢铁行业利用氢的研发项目亮点纷呈,各具特色,而氢的来源、运输、存储及氢冶金等都是研发的重点。综合来看,氢的来源主要包括利用钢厂焦炉煤气中的氢和通过水电解制氢,而水电解制氢中电力来源应是绿色能源,比如核电、水电等。建议我国钢铁企业联合各方力量,通过研发形成关键共性技术,突破化石能源的障碍,实现清洁绿色发展,拥抱氢经济时代的到来。(张京萍)

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