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走向“氫氣煉鋼”的未來

2018-10-15 10:43 中國冶金報社 系統(tǒng)管理員

鋼鐵工業(yè)二氧化碳排放量占全球工業(yè)二氧化碳排放量的三分之一,這迫使其向更可持續(xù)的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。近期,瑞典鋼鐵公司(SSAB)、瑞典大瀑布電力公司(Vattenfall)和瑞典礦業(yè)集團(tuán)(LKAB)聯(lián)合創(chuàng)立的非化石能源鋼鐵項目HYBRIT獲得了瑞典能源署5.28億瑞典克朗(約合5801萬美元)的資金支持。

瑞典能源署向HYBRIT項目提供的資助資金主要涵蓋兩個子項目。一是利用氫氣直接還原進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)初步研究項目。該研究項目的目標(biāo)是開發(fā)出一種以純氫氣為球團(tuán)礦生產(chǎn)海綿鐵的還原劑的技術(shù)(圖1是傳統(tǒng)高爐工藝和HYBRIT工藝的比較)。二是球團(tuán)、燒結(jié)工藝的非化石能源加熱初步研究項目。該研究項目有著雙重目標(biāo),即在減少現(xiàn)有球團(tuán)廠的溫室氣體排放的同時,設(shè)計出一種全新的造塊工藝。

HYBRIT項目有望使瑞典二氧化碳排放總量減少10%,使芬蘭二氧化碳排放總量減少7%,將對瑞典實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)起到至關(guān)重要的作用。同時,該項目可有效提升瑞典鋼鐵工業(yè)整體競爭力,并有助于綠色能源體系的建立。

實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)性是下一步鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要目標(biāo)

  對于正處于轉(zhuǎn)型升級關(guān)鍵階段的鋼鐵工業(yè)來說,提高能源利用效率、采用低碳生產(chǎn)流程、最大程度地實現(xiàn)能源回收利用是當(dāng)前及未來一段時間的重中之重。

很多人認(rèn)為,鋼鐵工業(yè)難以應(yīng)對大規(guī)模轉(zhuǎn)型帶來的挑戰(zhàn)。這主要是由于鋼鐵工業(yè)屬于能源和資本密集型行業(yè),進(jìn)入壁壘較高,技術(shù)創(chuàng)新既危險又昂貴。鋼鐵工業(yè)用平爐煉鋼技術(shù)進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)的時間長達(dá)50年,直到20世紀(jì)50年代,由奧地利人開發(fā)的堿性氧氣轉(zhuǎn)爐投入市場,才促使鋼鐵工業(yè)向生產(chǎn)效率更高、利潤更豐厚的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型。如今,鋼鐵工業(yè)正處于另一次技術(shù)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。這一次轉(zhuǎn)型不僅要提高生產(chǎn)能力和盈利能力,而且要滿足環(huán)境的可持續(xù)性的需要。

HYBRIT項目將進(jìn)入中試階段

對于瑞典來說,在鋼鐵工業(yè)大規(guī)模地采用基于氫氣的直接還原技術(shù)是可以實現(xiàn)的。首先,根據(jù)該技術(shù)的原理,鋼企需要大量的電力來產(chǎn)生氫氣,而瑞典具備較高的非化石能源發(fā)電能力,因此并不需要大量進(jìn)口煤炭。其次,該技術(shù)與瑞典政府逐步淘汰煤炭消費(fèi)的預(yù)期相吻合,因此得到了來自政府和社會的廣泛支持。

SSAB、Vattenfall、LKAB將在瑞典呂勒奧建設(shè)一座HYBRIT項目的中試工廠,進(jìn)行一系列非化石能源鋼鐵生產(chǎn)試驗。該廠將主要采用氫氣替代煤炭作為還原劑,副產(chǎn)物是水,而非二氧化碳。該廠計劃于2020年之前建成,目前已經(jīng)完成了奠基儀式。HYBRIT項目的中試階段預(yù)計將花費(fèi)14億瑞典克朗(約合1.53億美元),用于建設(shè)中試工廠和進(jìn)行后期的科學(xué)研究。瑞典能源署提供的5.28億瑞典克朗資金支持約占總支出的37%,其余63%(約8.7億瑞典克朗,約合9559萬美元)由SSAB、LKAB和Vattenfall共同出資。

中試工廠的試驗對于證實小規(guī)模實驗室的結(jié)論是非常必要的,因為其更接近于未來的工業(yè)化生產(chǎn)流程。借助中試工廠,可以更為清晰地理解交互聯(lián)系的工業(yè)體系中出現(xiàn)的各類狀況,并通過進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)實現(xiàn)高效清潔生產(chǎn)。

要實現(xiàn)非化石能源鋼鐵生產(chǎn),應(yīng)建設(shè)能效更高的新型球團(tuán)廠,這也是LKAB接下來的主要任務(wù)之一,即開發(fā)無碳直接還原球團(tuán)礦。SSAB的目標(biāo)是在2045年之前實現(xiàn)非化石能源煉鋼;Vattenfall則將借助非化石能源產(chǎn)生的電力大量生產(chǎn)氫氣,從而顯著減少溫室氣體的排放。

從2024年開始,HYBRIT項目將從中試階段轉(zhuǎn)向?qū)嵶C階段,計劃實證階段將為2025年~2035年。在這一階段,HYBRIT項目將進(jìn)行小規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn),并在2035年之前完成非化石能源鋼鐵生產(chǎn)工藝的研發(fā)工作。

“氫氣煉鋼”是鋼鐵工業(yè)當(dāng)前已知的最佳減排技術(shù)

“氫氣煉鋼”是鋼鐵工業(yè)當(dāng)前已知的最佳減排技術(shù)。業(yè)內(nèi)一位專家表示:“除了通過基于氫氣的直接還原技術(shù)和碳捕獲與封存技術(shù)實現(xiàn)減排以外,關(guān)于減少鋼鐵生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放,當(dāng)前沒有更多的方式。預(yù)計到2045年~2050年,鋼鐵生產(chǎn)仍將以鐵礦石為主要原材料。因此,我們需要研發(fā)出一種可以實現(xiàn)大規(guī)模減排的技術(shù)。目前來看,通過基于氫氣的直接還原技術(shù)實現(xiàn)減排或許是鋼鐵工業(yè)已知的最佳方案,而碳捕獲與封存技術(shù)屬于末端解決方案,并沒有從根源上解決問題。通過將廢鋼作為鋼鐵生產(chǎn)原材料來實現(xiàn)減排則面臨著廢鋼供給不足、用廢鋼生產(chǎn)出的鋼材質(zhì)量不夠高等問題。此外,以天然氣作為還原劑進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)在減排方面有局限,且天然氣的獲取在政治上存在著一定的復(fù)雜性。”

盡管基于氫氣的直接還原技術(shù)是當(dāng)前鋼鐵工業(yè)減少二氧化碳排放潛力最大的一項技術(shù),但是,向這種生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的路徑既不容易,也不明晰。
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