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我国钢铁行业氢冶金发展现状及建议
发布时间:2021-09-15 15:38浏览次数:

在应对全球气候变化和能源转型的背景下,各国都高度重视无碳和低碳能源的开发利用。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,由于具有来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等诸多优点,被多国列入国家能源战略部署。

所谓氢冶金,就是在还原冶炼过程中主要使用氢气作为还原剂,目前主要有高炉富氢冶炼和氢直接还原工艺。我国高炉富氢冶炼研究与实践主要是往高炉内喷吹富氢气体,如焦炉煤气、天然气等;氢直接还原工艺主要是利用焦炉煤气发展氢基竖炉直接还原。

由于我国废钢及天然气资源短缺,长流程工艺在钢铁工业中占绝对统治地位,但要推进我国钢铁工业的转型升级,就需要进行钢铁工艺流程的再造。

我国钢铁企业氢冶金进展及成果

中国宝武

2019年1月份,中国宝武与中核集团、清华大学签订《核能—制氢—冶金耦合技术战略合作框架协议》,共同打造核氢冶金产业联盟。据计算,1台60万千瓦高温气冷堆机组可满足180万吨钢对氢气、电力及部分氧气的需求,每年可减排约300万吨二氧化碳,减少100万吨标准煤能源消费。

2020年7月份,中国宝武在八钢进行了富氢碳循环氧气高炉工艺实验,把脱碳后的煤气接入富氢碳循环高炉,与接入炉脱碳煤气前相比,富氢碳循环高炉吨铁燃料比下降近45千克,比传统高炉减排二氧化碳30%。传统高炉采用热风炉生产,由于高炉煤气含有大量氮气,不具备脱碳再循环使用价值,这也是传统高炉实现碳减排最大的难点。2021年7月份,八钢富氢碳循环高炉已实现第二阶段50%(第一阶段为35%)富氧目标。后期,八钢富氢碳循环高炉将通过技术升级和优化,实现全氧冶炼目标。

2021年1月份,中国宝武宣布力争2023年实现碳达峰、2035年实现减碳30%、2050年实现碳中和。

鞍钢集团

鞍钢集团积极布局氢冶金相关技术研究。2021年7月份,鞍钢、鞍山钢铁与中科院过程所、中科院大化所、上海大学签订“绿色氢能冶金技术”五方联合研发协议,推动绿色氢能冶金技术发展和应用,主要包括风电+光伏(绿电)—电解水制氢(绿氢)—氢冶金工艺,配加钒电池储能调峰。

2021年5月份,鞍钢宣布计划在2025年前实现碳达峰、2030年实现前沿低碳冶金技术产业化突破、2035年碳排放总量较峰值降低30%,力争成为我国钢铁行业首批实现碳中和的大型钢铁企业。

河钢集团

2019年3月份,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,组建氢能技术与产业创新中心,研究包括制氢、储运、加氢等氢能利用领域。

2019年11月份,河钢集团与意大利特诺恩集团合作利用世界最先进的制氢和氢还原技术在河钢宣钢建设全球首例120万吨规模的氢冶金示范工程,并于2021年5月份启动,预计年减碳幅度达60%。该项目利用风能、光能等可再生能源,使用含氢量约70%的补充气源作为还原剂,生产1吨直接还原铁仅产生250千克二氧化碳,同时对产生的二氧化碳进行选择性回收。

2020年11月份,河钢集团与意大利特诺恩集团签订合同,建设高科技的氢能源开发利用工程,包括1座年产60万吨的ENERGIRON直接还原厂。

2021年3月份,河钢和必和必拓签署合作备忘录,围绕氢气直接还原铁技术、钢渣处理及循环利用技术等重点领域展开协作。

2021年3月份,河钢宣布计划2022年实现碳达峰、2025年实现碳排放量较峰值降10%以上、2030年实现碳排放量较峰值降30%以上、2050年实现碳中和。

包钢集团

2021年5月份,包钢宣布计划2023年实现碳达峰、2050年实现碳中和。

2021年8月份,包钢集团与亿利集团、西部天然气公司签署战略合作协议,以包钢氢冶金工艺路线为基础,利用亿利集团在制氢及西部天然气公司在管网输气方面的优势,形成光伏制氢、管道输氢和绿氢冶炼共同体,并探索发展氢能重卡等终端应用产业。

建龙集团

2021年4月13日,建龙集团总投资达10.9亿元、占地240余亩的内蒙古赛思普(CISP)科技有限公司年产30万吨富氢熔融还原法生产高纯铸造生铁项目热试成功,出铁156吨。

该项目通过氢冶金和熔融还原相结合,强化对焦炉煤气综合利用,推动传统碳冶金向氢冶金转变,可有效减排二氧化硫及氮氧化物38%左右,减排粉尘89%。该项目研发共分3个阶段,目前处于第一阶段,可实现喷氢1万吨/年,减少二氧化碳排放11.2万吨/年。

酒钢集团

2020年10月份,酒钢建设了首套煤基氢冶金中试装置及配套的干磨干选中试装置。其以高炉瓦斯灰为原料,回转窑投料运行后料层碳气化反应良好,瓦斯灰在回转窑内被有效还原,并形成了金属化块料。

煤基氢冶金工艺流程短、监控点少,水循环及水处理设施规模小,烟气排放次数少且数量小,将减少能耗50%以上。

京华日钢控股集团有限公司

2020年5月份,该公司与中国钢研签订了《年产50万吨氢冶金及高端钢材制造项目合作协议》,以氢冶金全新工艺—装备—品种—用户应用为目标,建设具有我国自主知识产权的首台(套)年产50万吨氢冶金及高端钢材制造产线,其所用氢气是从以天然气为原料生产醋酸乙烯的共生产品中提取出来的。

山西中晋太行矿业有限公司

中晋太行矿业有限公司于2017年8月份在山西左权县龙泉乡循环经济工业示范园启动气基竖炉直接还原铁工艺项目建设。该项目投资约为7.5亿元,采用优质的铁精粉和焦炉煤气(配套建设100万吨焦化项目)生产30万吨/年优质高纯直接还原铁,2021年6月份试产成功,产出了合格海绵铁。

我国钢铁行业氢冶金建议

第一,国家政策倾斜,解决资金问题。

氢冶金研究和技术创新需要大量资金,同时向氢能转变需要在太阳能和风能发电方面投资,钢铁企业可能将面临较大的资金压力,需要国家政策的倾斜。

第二,降低氢成本。

在炼钢(包括生产直接还原铁)过程中,企业使用蓝氢(使用化石燃料制氢,并使用碳捕集和碳封存)和绿氢的成本高,没有竞争力。直接还原铁厂一般使用天然气,通常位于天然气价格低廉的地区,例如中东和美国。目前来看,如果要在使用氢冶炼或生产直接还原铁方面具有竞争力,那么氢的价格应低于2美元/千克,最好低于1美元/千克。

另外,氢的来源、运输、存储也需要考虑。其中,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、风电等。

第三,解决氢炼铁技术问题。

一是需要耐氧—氢燃烧超高温的风口,如果直接使用现有风口,则风口的熔损将成为问题,需要开发新风口。例如,氧气采用其它喷枪,引入到炉下部内,控制燃烧焦点的位置。

二是没有焦炭导致的炉料下降、透气性和透液性的问题,在低温约900摄氏度以下利用氢快速还原很重要,所以最好在炉料熔融开始前熔化区(炉下部的氧—氢燃烧带)阶段一次熔化,这就需要研究最佳的炉料形状并改善还原性状等。

三是考虑氢的危险性。

除上述因素外,企业还必须考虑氢配管的安全性,构建安全的氢贮存、输送和喷吹系统。

第四,利用焦炉煤气发展非高炉炼铁技术(氢冶金直接还原)。

近年来,在天然气产量丰富的国家和地区(如中东、美国、南美、东南亚、非洲),DR-EAF(直接还原—电炉)短流程发展很快。

其中,气基竖炉直接还原铁电炉炼钢年产量已经达到2000万吨以上。美国有廉价且丰富的页岩气资源,DR-EAF短流程已步入常态化发展。例如,欧洲奥钢联公司在美国得克萨斯州建造了一座年产200万吨HBI(热压块铁)直接还原铁厂,其产品将被运回奥地利,供林茨钢铁厂使用。印度由于炼焦煤气短缺,采用煤基+气基两种工艺生产直接还原铁,之后进行电炉炼钢,这使印度成为全球直接还原铁生产大国。

这些国家的生产实践证明,DR-EAF短流程具有建设成本低、能耗低、二氧化碳排放低的特点,已获钢铁界普遍认可,但发展DR-EAF的前提条件是必须有足够的天然气资源做支撑。

我国虽然天然气资源相对短缺,但拥有大量的焦炉煤气,焦炉煤气含有60%氢气,是高化学能气体资源;焦炉煤气用作燃料是低效率的,应用作还原剂。焦炉煤气生产直接还原铁是氢冶金在钢铁流程再造中的应用,而且氢冶金在冶金过程中不与焦炭接触,生产的直接还原铁为高纯铁,产品质量高,有利于电炉生产出高纯净钢。

另外,随着大规模产业化经济制氢(太阳能、风能、水能、海洋能和地热能为基础的零排放经济制氢)与储氢技术发展,全氢竖炉直接还原技术将得到进一步发展。

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