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德國正式宣布“以氫代煤”煉鐵 鋼鐵產業進入一個新時代

2019-11-18 10:53:32   來源:直觀學機械

       11月11日,在德國杜伊斯堡的蒂森克虜伯鋼廠,第一批氫氣被注入9號高爐,標志著“以氫(氣)代煤(粉)”作為高爐還原劑的試驗項目正式啟動。這一嘗試在全球尚屬首次,隨著氫氣開始注入杜伊斯堡9號高爐,鋼鐵產業進入了一個新時代。

 

試驗啟動現場

 

這一項目的原理是:將氫氣代替煤炭作為高爐的還原劑,以減少乃至完全避免鋼鐵生產中的二氧化碳排放。在傳統的工藝流程中,需要在高爐中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作為還原劑,才能生產出1噸生鐵。

 

而在鋼鐵生產中,氫氣可用作為鐵礦石的無排放還原劑,對氣候保護十分有益。氫氣燃燒的副產物只有水,并不產生有害氣體。它能以高能量密度的液體或氣體形式儲存和運輸,且用途廣泛。由于其多功能性,氫氣在向清潔、低碳能源系統的過渡過程中起著關鍵作用。

 

氫氣通過管道注入9號高爐

 

按照計劃,在項目初始測試階段,氫氣將通過一個風口被注入杜伊斯堡鋼廠的9號高爐中,并視情況逐漸擴展至該高爐的全部28個風口。預計到2022年,鋼廠的另外三個高爐也將實現“以氫代煤”的技術應用。屆時,該技術有望減少鋼鐵生產過程中約20%的二氧化碳排放。

 

為降低鋼鐵生產過程中的碳排放,除了使用氫氣進行生產脫碳的“以氫代煤”項目,蒂森克虜伯在杜伊斯堡鋼廠試驗的Carbon2 Chem項目也值得一提。

 

與避免溫室氣體的排放相比,更理想的方法是將它們回收利用。蒂森克虜伯Carbon2 Chem項目旨在將鋼鐵工廠的廢氣轉化為化工產品原材料,這些廢氣中的溫室氣體將不再被排放至大氣中。

 

據估計,若本技術普遍應用于工業生產,則有望為德國鋼鐵行業轉化二氧化碳約2000萬噸/每年。此外,該技術也可應用于其他二氧化碳密集型行業。

 

Carbon2 Chem項目的原理是:

 

鋼廠廢氣中含有寶貴的化工原材料,例如以一氧化碳和二氧化碳形式存在的碳,以及氮和氫等。這些原材料可以用于生產含有碳和氫的合成氣體。而這些合成氣體則是生產氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種化工產品的原料。

 

目前,此類合成氣體主要提取自天然氣、煤等化石燃料。因此,Carbon2 Chem不僅可轉化鋼廠廢氣中的二氧化碳,同時也節省了生產此類合成氣體的二氧化碳用量。

 

2018年9月,蒂森克虜伯Carbon2 Chem項目就成功地應用了可將鋼廠廢氣轉化為合成燃料甲醇的技術,并成功生產出第一批甲醇。而在2019年1月,蒂森克虜伯已成功從鋼廠廢氣中生產出氨,這在全球范圍內尚屬首次。

 

日本氫能源最近情況

 

說起氫能,不得不提一下豐田的氫燃料電池轎車Mirai,Mirai將會成為2020年東京奧運會的官方用車——不僅是500輛貴賓用車將全部采用豐田的第二代氫能源車,同時比賽場地與選手村之間的運送大巴,以及選手村內的自動駕駛汽車,也將使用豐田的氫能源車。

 

據亞洲通訊社社長徐靜波報道,日本已經有2家制氫工廠,就在大家把記憶停留在福島第一核電站發生核泄漏的事件時,福島已經停掉第一核電站,第二核電站也在停止發電中,隨之,這里建成了全世界最大規模的制氫工廠(占地總面積為22萬平方米,其中18萬公頃為太陽能發電區域,4萬公頃為制氫車間)。而制氫所需要的電力,則來自于太陽能發電。

 

這家制氫工廠每小時生產的氫氣為2000立方米,年生產能力為900t-H2,可以滿足1萬輛氫能源汽車一年的氫能所需。

 

韓國將氫還原煉鐵法指定為國家核心產業技術

 

早在2009年,韓國原子能研究院與POSCO等韓國國內13家企業及機關共同簽署原子能氫氣合作協議(KNHA),正式開始開展核能制氫信息交流和技術研發。2010年5月,POSCO正式開發著手開發超高溫煤氣爐(VHTR, Very High Temperature Reactor)和智能原子爐(SMART: System-integrated Modular Advanced Reactor)。

 

韓國政府從2017年到2023年投入1500億韓元(約合9.15億人民幣),以官民合作方式研發氫還原煉鐵法。

 

韓國計劃將通過以下三步完成氫還原煉鐵:

 

第一步:從2025年開始試驗爐試運行;

 

第二步:從2030年開始在2座高爐實際投入生產;

 

第三步:到2040年12座高爐投入使用,從而完成氫還原煉鐵。

 

從預計投入資金情況來看,從技術研發到在2座高爐上實際投入生產,需要投入8000億韓元(約合48.78億元人民幣)的資金,可減少1.6%的二氧化碳排放,在12座高爐實際投入生產,預計需要投入4.8萬億韓元(約合292.68億元人民幣)資金,可減少8.7%的二氧化碳排放。

 

氫還原煉鐵法有以下4項核心技術:

 

(1)氫氣增幅技術:通過焦爐煤氣(COG)改質,提高COG中氫含量,使其達到高爐氫還原要求。

 

(2)實際操作中的全新技術開發:氫氣吹入技術、爐內化學反應最佳化技術、難還原礦及低品位礦石還原技術、焦炭燒結礦爐渣品質設計技術等等實際操作中需要的全新技術開發非常重要。

 

(3)超耐熱超耐腐蝕原材料開發:需要先行開發可以儲藏高溫、高壓氫氣和在900度以上高溫下的超耐腐蝕高溫材料。

 

(4)利用氫氣的直接還原鐵(DRI)生產技術:開發利用氫氣,將鐵礦石在固體狀態下直接還原成DRI的生產技術,從而使用DRI替代在電爐中使用的高級廢鋼。

 

中國核能制氫與氫能冶金已經具備基礎條件

 

2019年3月8日,中核集團舉辦了“中核集團‘兩會’代表委員記者見面會”。中核集團董事長余劍鋒介紹:高溫氣冷堆是中國自主研發的具有固有安全性的第四代先進核能技術,具有安全性好、出口溫度高等優勢,其高溫高壓的特點與適合大規模制氫的熱化學循環制氫技術十分匹配,被公認為最適合核能制氫的堆型。

 

一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的能量需求,每年可減排約300萬噸二氧化碳,減少能源消費約100萬噸標準煤。

 

目前,中國已建成并運行10兆瓦高溫氣冷實驗堆,20萬千瓦高溫氣冷堆商業示范電站預計將于2020年建成投產,中國在高溫氣冷堆技術領域已居世界領先地位。中核集團聯合清華大學已啟動60萬千瓦高溫氣冷堆商用核電站的項目實施工作,并已基本完成其標準設計和評審,已啟動廠址選擇工作。

 

10月11日,國家能源委會議上明確提出,探索氫能商業化路徑。這是6年來開的第三次國家能源委會議,表明氫能已經提到了國家戰略高度。

 

氫能利用項目及技術已是全球課題

 

隨著二氧化碳減排壓力的增大,氫氣還原技術受到了越來越多的重視,迎來了蓬勃發展的機會。在“氫能煉鋼”方面,近年來,國外鋼鐵企業已經進行了一系列探索,取得了一定的進展。尤其是瑞典鋼鐵HYBRIT(突破性氫能煉鐵技術)項目將使鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放量降至近乎于零,有望引發鋼鐵行業的一場變革。

 

除了上面介紹的之外,還有德國薩爾茨吉特鋼鐵公司發起的SALCOS(薩爾茨吉特低碳煉鋼)項目和由奧鋼聯發起的H2FUTURE項目等等。

 

在氫能源革命這條道路上,新技術將會迅速涌現和迭代,讓我們拭目以待。

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