幾大趨勢(shì)正推動(dòng)社會(huì)以可持續(xù)經(jīng)濟(jì)模式發(fā)展。就煉鋼等高能耗行業(yè)而言，向氣候中性方向邁進(jìn)，意味著要大力投資使用替代原料的新工業(yè)流程。在這種情況下，T公司特別關(guān)注了以氫為基礎(chǔ)的解決方案，開(kāi)發(fā)出能夠顯著降低鋼鐵生產(chǎn)能耗及其環(huán)境足跡的技術(shù)，并對(duì)其不斷改進(jìn)。本文概述了處于煉鋼創(chuàng)新最前沿的SALCOS和HYBRIT項(xiàng)目以及氣基還原過(guò)程在這些創(chuàng)新路線中的作用。
1、為什么氫是革命性的
從無(wú)碳電能生產(chǎn)氫——我們稱之為綠色氫——只是正在進(jìn)行的能源生產(chǎn)革命以及從舊的燃料-能源模式向能源-燃料模式轉(zhuǎn)變的冰山一角。
對(duì)可再生能源生產(chǎn)的研發(fā)投資，既解決了全球范圍內(nèi)的溫度上升問(wèn)題，也解決了更多的局部污染和環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致了一系列能夠降低綠色電力成本的技術(shù)的開(kāi)發(fā)。然而，這樣的解決方案往往會(huì)導(dǎo)致電力生產(chǎn)不穩(wěn)定，無(wú)法滿足需求。因此需要以多種形式儲(chǔ)存能量，如水泵、電池，以及非常方便的燃料。
當(dāng)今社會(huì)對(duì)燃料的運(yùn)輸和使用已經(jīng)得心應(yīng)手，而燃料是最耗能和最穩(wěn)定的能源儲(chǔ)存方式。氫是一種能量載體：它是一種燃料，可以很容易地轉(zhuǎn)化為電力，再轉(zhuǎn)化為燃料，燃燒時(shí)產(chǎn)生水。
這，就是氫氣革命。
2、對(duì)熔爐市場(chǎng)的影響
T公司已開(kāi)發(fā)出多種節(jié)約和回收能源的技術(shù)。可以從排放爐氣中回收能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，用于裝料（預(yù)熱）、蒸汽處理；外部應(yīng)用；或者作為其他用途燃料或電能。推廣使用這些技術(shù)最重要的一個(gè)因素就是在許多情況下，需要對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)貼，以使其具有經(jīng)濟(jì)意義（因此，企業(yè)通常會(huì)受益于“碳信用額”和地方減少污染的獎(jiǎng)勵(lì)措施）。
最近，一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)正在發(fā)展，為行業(yè)提供這種能源革命所需的材料，如金屬硅、釩和特殊鋼。
3、直接還原設(shè)備和氫的使用
T公司與墨西哥特爾尼翁鋼鐵集團(tuán)（Ternium Mexico）共用辦事處，專門研究直接還原工藝和技術(shù)。
自20世紀(jì)50年代初以來(lái)，T公司 HYL一直致力于該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，成為了直接還原技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一。
在全球化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2直接排放中，鋼鐵工業(yè)占據(jù)了其中的7％-9％，而一體化煉鋼法（始于用C進(jìn)行鐵礦石還原和熔融）是該行業(yè)CO2排放的最大因素。
與一體化路線相比，直接還原法是一種能用礦石生產(chǎn)鋼鐵，又能夠減少碳足跡的更好方法。通過(guò)使用天然氣并選擇性捕集CO2，溫室氣體排放可低至三分之一。而且，直接還原工藝還能替換作為還原劑的C。實(shí)際上，Energiron工藝可以用純氫更換所有天然氣，以進(jìn)一步減少CO2排放，使CO2排放量接近零。
在歐洲，仍有60％的鋼鐵生產(chǎn)以舊的碳基一體化工藝路線為基礎(chǔ)，減少溫室氣體排放的探討一直在持續(xù)，而上述應(yīng)用在歐洲正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
4、純氫直接還原
關(guān)于使用純氫作為直接還原的還原劑/燃料，存在兩點(diǎn)疑問(wèn)：一是技術(shù)上的，二是經(jīng)濟(jì)上的。
從技術(shù)上來(lái)講，使用純氫會(huì)生成不含C的直接還原鐵產(chǎn)物，而C與空氣的反應(yīng)性很強(qiáng)，因此很容易氧化。此外，需要在電弧爐料中添加C以進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)。從經(jīng)濟(jì)上來(lái)講，純氫的價(jià)值（以每能量單位美元計(jì)）比任何其他可燃?xì)怏w都高。
2018年的氫產(chǎn)量超過(guò)了6000萬(wàn)噸，價(jià)值近1000億美元，其中80％的氫用于三個(gè)主要行業(yè)：精煉、制氨和金屬加工。
氫因其特性和用途（尤其是在B2C和化工市場(chǎng)中），可用于更高附加值的應(yīng)用中，如運(yùn)輸或其他方面。
對(duì)于Enerigiron直接還原設(shè)備，使用高氫含量的合成氣（例如，氫含量為55％，其相關(guān)的CO2排放量比一體化路線降低82％）似乎可以解決上述技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。這大致就是T公司與薩爾茨吉特公司（Salzgitter AG）合作開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目。
5、薩爾科斯（SALCOS）項(xiàng)目
SALCOS是T公司與薩爾茨吉特公司擬共同開(kāi)發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目。其理念就是用直接還原-電弧爐工藝路線替代高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，把碳密集型煉鋼工藝（薩爾茨吉特公司100％以高爐生產(chǎn)為基礎(chǔ)）的CO2排放量降低85％。在該項(xiàng)目中，所有煉鋼技術(shù)均由T公司設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)。
將新設(shè)施與現(xiàn)有的鋼鐵廠進(jìn)行整合是直接還原工藝所面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)逐步安裝啟用Energiron反應(yīng)器，最初的CO2減排量可高達(dá)50％。隨著一步步將整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)移至直接還原設(shè)備，該數(shù)字將提高到85％。
直接還原設(shè)備使用的氣體是與H2混合的天然氣，H2用可再生能源通過(guò)電解產(chǎn)生，其百分比達(dá)到70％，獲得的直接還原鐵熱裝入電弧爐中，從而生產(chǎn)出質(zhì)量與現(xiàn)有薩爾茨吉特產(chǎn)品極為相似的鋼。
T公司與薩爾茨吉特公司目前正在開(kāi)展進(jìn)一步的研究項(xiàng)目——GrInHy 2.0，該項(xiàng)目已獲得了歐洲氫能組織以及歐盟委員會(huì)的支持。這應(yīng)該是向著將鋼鐵生產(chǎn)從煤轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃獾牡谝粋€(gè)全面計(jì)劃又邁進(jìn)了一步。
GrInHy2.0與已在薩爾茨吉特成功運(yùn)行的GrlnHy第一期項(xiàng)目無(wú)縫銜接。Sunfire、Paul Wurth SA、Tenova SpA、法國(guó)CEA研究中心和Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH正在共同建造世界上最大的蒸汽電解槽（StE）以高效制氫，氫氣除了用于直接還原鐵生產(chǎn)以外，還可用于罩式退火爐。
GrInHy2.0項(xiàng)目首次在工業(yè)環(huán)境中采用標(biāo)稱輸入功率為720kW的高溫電解槽。預(yù)計(jì)到2022年底，該高溫電解槽將至少運(yùn)行13000h，總共產(chǎn)生約100t的高純度（99.98%）氫氣。
6、HYBRIT®項(xiàng)目
在這一轉(zhuǎn)變浪潮中，第一個(gè)進(jìn)行的項(xiàng)目實(shí)際上是Hybrit Development AB公司的一個(gè)項(xiàng)目，該公司是由瑞典鋼鐵公司SSAB、瑞典LKAB礦業(yè)公司和瑞典大瀑布電力公司Vattenfall組成的一個(gè)瑞典合資公司。項(xiàng)目的基本思路是在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中用氫氣取代焦炭和煤，目標(biāo)是在瑞典盧勒奧（Lulea）的中試工廠中創(chuàng)建一種排水而不是排CO2的工藝。如果試驗(yàn)成功，這一以HYBRIT®為品牌的新方案將為無(wú)化石世界作出重大貢獻(xiàn)。
SSAB認(rèn)為，至少在21世紀(jì)末之前，再生廢料將無(wú)法充分滿足不斷增長(zhǎng)的鋼鐵需求。事實(shí)上，直至2100年左右，全球鋼鐵生產(chǎn)仍將繼續(xù)依賴鐵礦石這一主要來(lái)源。鋼鐵行業(yè)的碳足跡對(duì)歐洲以及世界其他各地而言都是一種挑戰(zhàn)，但是，瑞典在氫能煉鋼方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗塬@得無(wú)化石燃料發(fā)電電力、最高品質(zhì)的鐵礦石，并擁有歷來(lái)具有創(chuàng)新性的鋼鐵行業(yè)。
SSAB最早將在2025年將其在瑞典的CO2排放量減少25%，首先是通過(guò)將瑞典奧克隆德（Oxelosund）的高爐轉(zhuǎn)換為電弧爐；然后在2030年到2040年之間，計(jì)劃完成瑞典盧勒奧（Lulea）和芬蘭拉赫（Raahe）的高爐轉(zhuǎn)換，消除大部分剩余的CO2排放。
該公司預(yù)計(jì)到2022年，其位于愛(ài)荷華州馬斯卡汀的運(yùn)作將由可再生能源提供動(dòng)力，而這家美國(guó)公司將從2026年開(kāi)始提供無(wú)化石鋼鐵產(chǎn)品，該產(chǎn)品是利用瑞典HYBRIT®技術(shù)生產(chǎn)的直接還原鐵為原料生產(chǎn)的。與此同時(shí)，SSAB已經(jīng)開(kāi)始在整個(gè)公司范圍內(nèi)逐步淘汰使用化石燃料的軋鋼廠和熱處理廠，以到2045年實(shí)現(xiàn)無(wú)化石燃料的目標(biāo)。
中試階段：盧勒奧的無(wú)化石鋼鐵生產(chǎn)中試工廠始建于2018年夏。在HYBRIT中試工廠中，氫氣由電解水產(chǎn)生，然后泵送至T公司提供的直接還原模塊中，這是使用氫氣生產(chǎn)直接還原鐵最為可靠而直接的方法。事實(shí)上，傳統(tǒng)的Tenova ZR方案無(wú)需進(jìn)行更改，只是在工藝路線中用氫氣代替了天然氣。至于其他，相同標(biāo)準(zhǔn)的ZR設(shè)備無(wú)需任何其他更改，即可工作。
產(chǎn)出的直接還原鐵將作為原料，和回收的廢鋼一起，用于電弧爐煉鋼。該中試工廠已啟動(dòng)。另外，還決定在靠近HYBRIT中試工廠的地方，于Svartoberget LKAB基地地下約30m處建造一個(gè)試點(diǎn)氫存儲(chǔ)設(shè)施。預(yù)計(jì)該存儲(chǔ)設(shè)施于2022年開(kāi)始運(yùn)行。與此同時(shí)，在2019年夏，瑞典Malkaget的LKAB基地也開(kāi)始建造無(wú)化石球團(tuán)廠。在這里，化石燃料被生物燃料所替代，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)化石的鐵礦石球團(tuán)生產(chǎn)。
7、結(jié)語(yǔ)
工業(yè)過(guò)程與加熱的電氣化是降低工業(yè)碳排放強(qiáng)度的一項(xiàng)核心技術(shù)。顯然，在不久的將來(lái)，所用的額外電力將會(huì)盡可能降低二氧化碳排放。對(duì)鋼鐵行業(yè)的評(píng)估表明，要使該行業(yè)脫碳，必須大量增加此類電力的供應(yīng)，而且還必須具有價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
希望從煤炭到天然氣（作為過(guò)渡燃料）的結(jié)構(gòu)化過(guò)渡，最終以綠色氫氣結(jié)束。T公司并不是在單打獨(dú)斗，自2018年中以來(lái)，T公司與Techint集團(tuán)的另外兩家公司Techint E＆C和Tenaris一起組建了“ T3委員會(huì)”，意在通過(guò)三個(gè)不同但互補(bǔ)的方案，來(lái)探索減少碳足跡以及氫氣的利用。
大多數(shù)歐洲鋼鐵制造商正不懈努力對(duì)各中試工廠進(jìn)行測(cè)試。其中主要有兩種方法，一種是碳捕集與利用（CCU），它仍會(huì)產(chǎn)生CO2，但可以各種形式捕集并使用；另一種是直接避免碳使用（CDA），它完全避免了CO2的排放。
T公司利用正在轉(zhuǎn)型的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)參與了上述兩種方法。HYL直接還原技術(shù)是煉鐵和煉鋼行業(yè)中唯一一種具有CO2吸收裝置（工藝的固有特征）的技術(shù)，在許多運(yùn)行的工廠中，CO2已經(jīng)是一種有價(jià)副產(chǎn)品，可以出售給飲料行業(yè)或石油行業(yè)以提高石油采收率（EOR）。
我們更傾向于CDA，它對(duì)整體溫室氣體足跡方面的影響更大，因此，鼓勵(lì)開(kāi)展更多類似瑞典的項(xiàng)目。對(duì)T公司來(lái)說(shuō)，“順其自然”雖說(shuō)是偶然的，但這是過(guò)去三十年來(lái)努力的結(jié)果，當(dāng)時(shí)所關(guān)注的前瞻性問(wèn)題，現(xiàn)已成為現(xiàn)實(shí)。
T公司已啟動(dòng)一個(gè)名為“生態(tài)可持續(xù)”的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，該平臺(tái)涉及各種事件、最佳實(shí)踐和案例研究，強(qiáng)調(diào)了T公司正在兌現(xiàn)其對(duì)可持續(xù)性發(fā)展的承諾。
- 文章摘自冶金技術(shù)網(wǎng)
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