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        炼钢领域的氢技术革命
          来源:冶金技术网 发布时间:2021年07月14日 点击数:

        几大趋势正推动社会以可持续经济模式发展。就炼钢等高能耗行业而言,向气候中性方向迈进,意味着要大力投资使用替代原料的新工业流程。在这种情况下,T公司特别关注了以氢为基础的解决方案,开发出能够显著降低钢铁生产能耗及其环境足迹的技术,并对其不断改进。本文概述了处于炼钢创新最前沿的SALCOS和HYBRIT项目以及气基还原过程在这些创新路线中的作用。

        1、为什么氢是革命性的

        从无碳电能生产氢——我们称之为绿色氢——只是正在进行的能源生产革命以及从旧的燃料-能源模式向能源-燃料模式转变的冰山一角。

        对可再生能源生产的研发投资,既解决了全球范围内的温度上升问题,也解决了更多的局部污染和环境问题,导致了一系列能够降低绿色电力成本的技术的开发。然而,这样的解决方案往往会导致电力生产不稳定,无法满足需求。因此需要以多种形式储存能量,如水泵、电池,以及非常方便的燃料。

        当今社会对燃料的运输和使用已经得心应手,而燃料是最耗能和最稳定的能源储存方式。氢是一种能量载体:它是一种燃料,可以很容易地转化为电力,再转化为燃料,燃烧时产生水。

        这,就是氢气革命。

        2、对熔炉市场的影响

        T公司已开发出多种节约和回收能源的技术。可以从排放炉气中回收能量,并将其转化为热能,用于装料(预热)、蒸汽处理;外部应用;或者作为其他用途燃料或电能。推广使用这些技术最重要的一个因素就是在许多情况下,需要对它们进行补贴,以使其具有经济意义(因此,企业通常会受益于“碳信用额”和地方减少污染的奖励措施)。

        最近,一个不断增长的市场正在发展,为行业提供这种能源革命所需的材料,如金属硅、钒和特殊钢。

        3、直接还原设备和氢的使用

        T公司与墨西哥特尔尼翁钢铁集团(Ternium Mexico)共用办事处,专门研究直接还原工艺和技术。

        自20世纪50年代初以来,T公司 HYL一直致力于该技术的开发和优化,成为了直接还原技术的全球领导者之一。

        在全球化石燃料燃烧产生的CO2直接排放中,钢铁工业占据了其中的7%-9%,而一体化炼钢法(始于用C进行铁矿石还原和熔融)是该行业CO2排放的最大因素。

        与一体化路线相比,直接还原法是一种能用矿石生产钢铁,又能够减少碳足迹的更好方法。通过使用天然气并选择性捕集CO2,温室气体排放可低至三分之一。而且,直接还原工艺还能替换作为还原剂的C。实际上,Energiron工艺可以用纯氢更换所有天然气,以进一步减少CO2排放,使CO2排放量接近零。

        在欧洲,仍有60%的钢铁生产以旧的碳基一体化工艺路线为基础,减少温室气体排放的探讨一直在持续,而上述应用在欧洲正在变为现实。

        4、纯氢直接还原

        关于使用纯氢作为直接还原的还原剂/燃料,存在两点疑问:一是技术上的,二是经济上的。

        从技术上来讲,使用纯氢会生成不含C的直接还原铁产物,而C与空气的反应性很强,因此很容易氧化。此外,需要在电弧炉料中添加C以进行钢铁生产。从经济上来讲,纯氢的价值(以每能量单位美元计)比任何其他可燃气体都高。

        2018年的氢产量超过了6000万吨,价值近1000亿美元,其中80%的氢用于三个主要行业:精炼、制氨和金属加工。

        氢因其特性和用途(尤其是在B2C和化工市场中),可用于更高附加值的应用中,如运输或其他方面。

        对于Enerigiron直接还原设备,使用高氢含量的合成气(例如,氢含量为55%,其相关的CO2排放量比一体化路线降低82%)似乎可以解决上述技术和经济问题。这大致就是T公司与萨尔茨吉特公司(Salzgitter AG)合作开发的项目。

        5、萨尔科斯(SALCOS)项目

        SALCOS是T公司与萨尔茨吉特公司拟共同开发的一个项目。其理念就是用直接还原-电弧炉工艺路线替代高炉-转炉炼钢工艺,把碳密集型炼钢工艺(萨尔茨吉特公司100%以高炉生产为基础)的CO2排放量降低85%。在该项目中,所有炼钢技术均由T公司设计并开发。

        将新设施与现有的钢铁厂进行整合是直接还原工艺所面临的挑战。通过逐步安装启用Energiron反应器,最初的CO2减排量可高达50%。随着一步步将整个生产过程转移至直接还原设备,该数字将提高到85%。

        直接还原设备使用的气体是与H2混合的天然气,H2用可再生能源通过电解产生,其百分比达到70%,获得的直接还原铁热装入电弧炉中,从而生产出质量与现有萨尔茨吉特产品极为相似的钢。

        T公司与萨尔茨吉特公司目前正在开展进一步的研究项目——GrInHy 2.0,该项目已获得了欧洲氢能组织以及欧盟委员会的支持。这应该是向着将钢铁生产从煤转变为氢气的第一个全面计划又迈进了一步。

        GrInHy2.0与已在萨尔茨吉特成功运行的GrlnHy第一期项目无缝衔接。Sunfire、Paul Wurth SA、Tenova SpA、法国CEA研究中心和Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH正在共同建造世界上最大的蒸汽电解槽(StE)以高效制氢,氢气除了用于直接还原铁生产以外,还可用于罩式退火炉。

        GrInHy2.0项目首次在工业环境中采用标称输入功率为720kW的高温电解槽。预计到2022年底,该高温电解槽将至少运行13000h,总共产生约100t的高纯度(99.98%)氢气。

        6、HYBRIT®项目

        在这一转变浪潮中,第一个进行的项目实际上是Hybrit Development AB公司的一个项目,该公司是由瑞典钢铁公司SSAB、瑞典LKAB矿业公司和瑞典大瀑布电力公司Vattenfall组成的一个瑞典合资公司。项目的基本思路是在钢铁生产过程中用氢气取代焦炭和煤,目标是在瑞典卢勒奥(Lulea)的中试工厂中创建一种排水而不是排CO2的工艺。如果试验成功,这一以HYBRIT®为品牌的新方案将为无化石世界作出重大贡献。

        SSAB认为,至少在21世纪末之前,再生废料将无法充分满足不断增长的钢铁需求。事实上,直至2100年左右,全球钢铁生产仍将继续依赖铁矿石这一主要来源。钢铁行业的碳足迹对欧洲以及世界其他各地而言都是一种挑战,但是,瑞典在氢能炼钢方面具有独特的优势,因为它能获得无化石燃料发电电力、最高品质的铁矿石,并拥有历来具有创新性的钢铁行业。

        SSAB最早将在2025年将其在瑞典的CO2排放量减少25%,首先是通过将瑞典奥克隆德(Oxelosund)的高炉转换为电弧炉;然后在2030年到2040年之间,计划完成瑞典卢勒奥(Lulea)和芬兰拉赫(Raahe)的高炉转换,消除大部分剩余的CO2排放。

        该公司预计到2022年,其位于爱荷华州马斯卡汀的运作将由可再生能源提供动力,而这家美国公司将从2026年开始提供无化石钢铁产品,该产品是利用瑞典HYBRIT®技术生产的直接还原铁为原料生产的。与此同时,SSAB已经开始在整个公司范围内逐步淘汰使用化石燃料的轧钢厂和热处理厂,以到2045年实现无化石燃料的目标。

        中试阶段:卢勒奥的无化石钢铁生产中试工厂始建于2018年夏。在HYBRIT中试工厂中,氢气由电解水产生,然后泵送至T公司提供的直接还原模块中,这是使用氢气生产直接还原铁最为可靠而直接的方法。事实上,传统的Tenova ZR方案无需进行更改,只是在工艺路线中用氢气代替了天然气。至于其他,相同标准的ZR设备无需任何其他更改,即可工作。

        产出的直接还原铁将作为原料,和回收的废钢一起,用于电弧炉炼钢。该中试工厂已启动。另外,还决定在靠近HYBRIT中试工厂的地方,于Svartoberget LKAB基地地下约30m处建造一个试点氢存储设施。预计该存储设施于2022年开始运行。与此同时,在2019年夏,瑞典Malkaget的LKAB基地也开始建造无化石球团厂。在这里,化石燃料被生物燃料所替代,从而实现无化石的铁矿石球团生产。

        7、结语

        工业过程与加热的电气化是降低工业碳排放强度的一项核心技术。显然,在不久的将来,所用的额外电力将会尽可能降低二氧化碳排放。对钢铁行业的评估表明,要使该行业脱碳,必须大量增加此类电力的供应,而且还必须具有价格竞争力。

        希望从煤炭到天然气(作为过渡燃料)的结构化过渡,最终以绿色氢气结束。T公司并不是在单打独斗,自2018年中以来,T公司与Techint集团的另外两家公司Techint E&C和Tenaris一起组建了“ T3委员会”,意在通过三个不同但互补的方案,来探索减少碳足迹以及氢气的利用。

        大多数欧洲钢铁制造商正不懈努力对各中试工厂进行测试。其中主要有两种方法,一种是碳捕集与利用(CCU),它仍会产生CO2,但可以各种形式捕集并使用;另一种是直接避免碳使用(CDA),它完全避免了CO2的排放。

        T公司利用正在转型的优势,同时参与了上述两种方法。HYL直接还原技术是炼铁和炼钢行业中唯一一种具有CO2吸收装置(工艺的固有特征)的技术,在许多运行的工厂中,CO2已经是一种有价副产品,可以出售给饮料行业或石油行业以提高石油采收率(EOR)。

        我们更倾向于CDA,它对整体温室气体足迹方面的影响更大,因此,鼓励开展更多类似瑞典的项目。对T公司来说,“顺其自然”虽说是偶然的,但这是过去三十年来努力的结果,当时所关注的前瞻性问题,现已成为现实。

                T公司已启动一个名为“生态可持续”的网络平台,该平台涉及各种事件、最佳实践和案例研究,强调了T公司正在兑现其对可持续性发展的承诺。

        - 文章摘自冶金技术网

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