德国“以氢(气)代煤(粉)”炼铁项目正式启动 钢铁产业进入一个新时代

德国“以氢(气)代煤(粉)”炼铁项目正式启动 钢铁产业进入一个新时代

11月11日,在德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂,第一批氢气被注入9号高炉,标志着“以氢(气)代煤(粉)”作为高炉还原剂的试验项目正式启动。这一尝试在全球尚属首次,随着氢气开始注入杜伊斯堡9号高炉,钢铁产业进入了一个新时代。

德国“以氢(气)代煤(粉)”炼铁项目正式启动 钢铁产业进入一个新时代

试验启动现场

这一项目的原理是:将氢气代替煤炭作为高炉的还原剂,以减少乃至完全避免钢铁生产中的二氧化碳排放。在传统的工艺流程中,需要在高炉中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作为还原剂,才能生产出1吨生铁。

而在钢铁生产中,氢气可用作为铁矿石的无排放还原剂,对气候保护十分有益。氢气燃烧的副产物只有水,并不产生有害气体。它能以高能量密度的液体或气体形式储存和运输,且用途广泛。由于其多功能性,氢气在向清洁、低碳能源系统的过渡过程中起着关键作用。

氢气通过管道注入9号高炉

按照计划,在项目初始测试阶段,氢气将通过一个风口被注入杜伊斯堡钢厂的9号高炉中,并视情况逐渐扩展至该高炉的全部28个风口。预计到2022年,钢厂的另外三个高炉也将实现“以氢代煤”的技术应用。届时,该技术有望减少钢铁生产过程中约20%的二氧化碳排放。

为降低钢铁生产过程中的碳排放,除了使用氢气进行生产脱碳的“以氢代煤”项目,蒂森克虏伯在杜伊斯堡钢厂试验的Carbon2 Chem项目也值得一提。

与避免温室气体的排放相比,更理想的方法是将它们回收利用。蒂森克虏伯Carbon2 Chem项目旨在将钢铁工厂的废气转化为化工产品原材料,这些废气中的温室气体将不再被排放至大气中。

据估计,若本技术普遍应用于工业生产,则有望为德国钢铁行业转化二氧化碳约2000万吨/每年。此外,该技术也可应用于其他二氧化碳密集型行业。

Carbon2 Chem项目的原理是:

钢厂废气中含有宝贵的化工原材料,例如以一氧化碳和二氧化碳形式存在的碳,以及氮和氢等。这些原材料可以用于生产含有碳和氢的合成气体。而这些合成气体则是生产氨气、甲醇、聚合物和高级醇等各种化工产品的原料。

目前,此类合成气体主要提取自天然气、煤等化石燃料。因此,Carbon2 Chem不仅可转化钢厂废气中的二氧化碳,同时也节省了生产此类合成气体的二氧化碳用量。

2018年9月,蒂森克虏伯Carbon2 Chem项目就成功地应用了可将钢厂废气转化为合成燃料甲醇的技术,并成功生产出第一批甲醇。而在2019年1月,蒂森克虏伯已成功从钢厂废气中生产出氨,这在全球范围内尚属首次。

日本氢能源最近情况

说起氢能,不得不提一下丰田的氢燃料电池轿车Mirai,Mirai将会成为2020年东京奥运会的官方用车——不仅是500辆贵宾用车将全部采用丰田的第二代氢能源车,同时比赛场地与选手村之间的运送大巴,以及选手村内的自动驾驶汽车,也将使用丰田的氢能源车。

据亚洲通讯社社长徐静波报道,日本已经有2家制氢工厂,就在大家把记忆停留在福岛第一核电站发生核泄漏的事件时,福岛已经停掉第一核电站,第二核电站也在停止发电中,随之,这里建成了全世界最大规模的制氢工厂(占地总面积为22万平方米,其中18万公顷为太阳能发电区域,4万公顷为制氢车间)。而制氢所需要的电力,则来自于太阳能发电。

这家制氢工厂每小时生产的氢气为2000立方米,年生产能力为900t-H2,可以满足1万辆氢能源汽车一年的氢能所需。

韩国将氢还原炼铁法指定为国家核心产业技术

早在2009年,韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议(KNHA),正式开始开展核能制氢信息交流和技术研发。2010年5月,POSCO正式开发着手开发超高温煤气炉(VHTR, Very High Temperature Reactor)和智能原子炉(SMART: System-integrated Modular Advanced Reactor)。

韩国政府从2017年到2023年投入1500亿韩元(约合9.15亿人民币),以官民合作方式研发氢还原炼铁法。

韩国计划将通过以下三步完成氢还原炼铁:

第一步:从2025年开始试验炉试运行;

第二步:从2030年开始在2座高炉实际投入生产;

第三步:到2040年12座高炉投入使用,从而完成氢还原炼铁。

从预计投入资金情况来看,从技术研发到在2座高炉上实际投入生产,需要投入8000亿韩元(约合48.78亿元人民币)的资金,可减少1.6%的二氧化碳排放,在12座高炉实际投入生产,预计需要投入4.8万亿韩元(约合292.68亿元人民币)资金,可减少8.7%的二氧化碳排放。

氢还原炼铁法有以下4项核心技术:

(1)氢气增幅技术:通过焦炉煤气(COG)改质,提高COG中氢含量,使其达到高炉氢还原要求。

(2)实际操作中的全新技术开发:氢气吹入技术、炉内化学反应最佳化技术、难还原矿及低品位矿石还原技术、焦炭烧结矿炉渣品质设计技术等等实际操作中需要的全新技术开发非常重要。

(3)超耐热超耐腐蚀原材料开发:需要先行开发可以储藏高温、高压氢气和在900度以上高温下的超耐腐蚀高温材料。

(4)利用氢气的直接还原铁(DRI)生产技术:开发利用氢气,将铁矿石在固体状态下直接还原成DRI的生产技术,从而使用DRI替代在电炉中使用的高级废钢。

中国核能制氢与氢能冶金已经具备基础条件

2019年3月8日,中核集团举办了“中核集团‘两会’代表委员记者见面会”。中核集团董事长余剑锋介绍:高温气冷堆是中国自主研发的具有固有安全性的第四代先进核能技术,具有安全性好、出口温度高等优势,其高温高压的特点与适合大规模制氢的热化学循环制氢技术十分匹配,被公认为最适合核能制氢的堆型。

一台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的能量需求,每年可减排约300万吨二氧化碳,减少能源消费约100万吨标准煤。

目前,中国已建成并运行10兆瓦高温气冷实验堆,20万千瓦高温气冷堆商业示范电站预计将于2020年建成投产,中国在高温气冷堆技术领域已居世界领先地位。中核集团联合清华大学已启动60万千瓦高温气冷堆商用核电站的项目实施工作,并已基本完成其标准设计和评审,已启动厂址选择工作。

10月11日,国家能源委会议上明确提出,探索氢能商业化路径。这是6年来开的第三次国家能源委会议,表明氢能已经提到了国家战略高度。

氢能利用项目及技术已是全球课题

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“氢能炼钢”方面,近年来,国外钢铁企业已经进行了一系列探索,取得了一定的进展。尤其是瑞典钢铁HYBRIT(突破性氢能炼铁技术)项目将使钢铁生产过程中的二氧化碳排放量降至近乎于零,有望引发钢铁行业的一场变革。

除了上面介绍的之外,还有德国萨尔茨吉特钢铁公司发起的SALCOS(萨尔茨吉特低碳炼钢)项目和由奥钢联发起的H2FUTURE项目等等。

在氢能源革命这条道路上,新技术将会迅速涌现和迭代,让我们拭目以待。

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