劉獻東
在對歐洲鋼鐵工業(yè)聯(lián)盟(Eurofer,簡稱歐鋼聯(lián))“智能碳使用”和“碳直接避免”技術路線的重點項目、歐盟氫冶金發(fā)展進程中有重大影響的政策、歐鋼聯(lián)碳減排政策框架等內(nèi)容進行介紹及解讀后,本期《觀海聽潮》圍繞歐洲低碳煉鋼發(fā)展過程中,產(chǎn)業(yè)鏈上的共性技術難題及鋼企的相關探索展開論述。
短中長期階段亟待突破的關鍵技術
為實現(xiàn)歐盟“碳中和大陸”的目標,各種政策密集出臺,歐洲主要鋼企均提出了目標和行動計劃。目前正在研發(fā)或已達到商業(yè)成熟級別的主要技術有:瑞典鋼鐵(SSAB)的HYBRIT技術(突破性氫能煉鐵技術)、塔塔鋼鐵的Hlsarna技術(直接利用煤粉和粉礦的熔融還原技術)、奧鋼聯(lián)的HYFOR技術(氫基粉礦還原技術)和H2FUTURE項目(用可再生能源發(fā)電以制造“綠色氫”)、安賽樂米塔爾的智能碳和直接還原鐵(DRI)技術、意大利Tenova(特諾恩集團)的HYL/ENERGIRON-ZR直接還原鐵技術、蒂森克虜伯的Carbon2Chem碳捕捉技術。此外,歐盟正在推進的項目還有IGAR、PEM和STEPWISE、Steelanol、FReSMe、Everest(碳捕集、存儲項目)等。
上述這些技術,可分為兩個主要的技術路線,即“智能碳使用”和“碳直接避免”。歐洲鋼鐵業(yè)普遍認為,這兩條技術路線最終都能實現(xiàn)碳中和的目標,而采用“碳直接避免”的技術路線,碳減排的效率是“智能碳使用”技術路線的4倍。如果用“綠色氫”替代碳進行直接還原,可實現(xiàn)近乎100%的碳減排??紤]到轉(zhuǎn)型期間的成本問題,在2030年前,“碳直接避免”很難完全達到商業(yè)化運營條件,而“智能碳使用”則會在2030年前發(fā)揮效果,以支撐歐盟到2030年減少55%溫室氣體排放量(與1990年水平相比)的目標。
這些技術突破的進展狀態(tài)差異較大。基于兩條技術路線,根據(jù)商業(yè)化成熟度的3個階段(即短中期、中期、長期階段),再結(jié)合“碳基冶金”“電力基冶金”“氫基冶金”三元維度,可將這些技術歸納如下:
在短中期階段,需要突破的關鍵技術可分為以下4個方面:
一是PI過程集成方向,包括高爐脫碳煤氣的回收利用、高爐和連鑄的二氧化碳捕集、混煤或混焦裝煤、生物質(zhì)燃料替代高爐噴煤、高爐噴吹純氫或富氫氣體、天然氣直接還原、利用現(xiàn)有鋼鐵廠氣體熔煉廢鋼等技術。
二是“碳直接避免”方向,包括氫基直接還原+電弧爐技術。
三是碳捕集與利用方向,包括用鋼廠排放的氣體制造甲醇、乙醇、聚合物的原料,利用殘渣進行礦物碳化等。
四是輔助工藝方向,包括堿性水電解(AEL)、質(zhì)子交換膜電解(PEMEL)、吸附強化水煤氣變換(SEWGS)等制氫技術和真空變壓吸附、胺洗滌、甲醇洗滌、低溫分離等碳捕捉技術。
短中期階段的商業(yè)化成熟目標是:到2030年,二氧化碳減排目標為40%(相比于1990年的水平);用天然氣基的DR—EAF(直接還原爐-電爐)工藝替代部分高爐—轉(zhuǎn)爐的傳統(tǒng)工藝;從傳統(tǒng)高爐冶煉方案切換到各種改進型的高爐冶煉方案;用生物質(zhì)燃料替代部分高爐噴煤。到2030年,78%的高爐—轉(zhuǎn)爐工藝將轉(zhuǎn)型為新的技術。
在中期階段,需要突破的關鍵技術可分為以下4個方面:
一是“碳直接避免”方向,包括電解沉積(堿性溶液)技術。
二是PI過程集成方向,包括先進煤基熔融還原技術。
三是碳捕集與利用方向,包括微藻技術、直接礦物碳化(原生礦物)技術、單級二甲醚合成技術、氫強化甲烷合成技術、環(huán)狀碳酸鹽合成技術、RWGS-干法重整技術等。
四是輔助工藝方向,包括SOEC/高溫蒸汽電解(HTE)、氫氣和固體碳的天然氣熱解轉(zhuǎn)化(焦炭床反應器)等制氫技術和利用固體吸附劑的碳捕捉技術。
中期階段的商業(yè)化成熟目標是:用天然氣或氫基DR-EAF裝置進一步替代部分高爐—轉(zhuǎn)爐裝置,逐步提高直接還原工藝的氫含量,進一步利用生物質(zhì)燃料和碳捕獲、利用與封存技術。
在長期階段,需要突破的關鍵技術可分為以下3個方面:
一是“碳直接避免”方向,包括氫等離子體熔融還原技術、氧化鐵熔融電解/熱電解技術。
二是碳捕集與利用方向,包括不同生物發(fā)酵工藝、二氧化碳電解與生物反應器(人工光合作用)組合、電化學二氧化碳還原/轉(zhuǎn)化、光化學二氧化碳還原等技術。
三是輔助工藝方向,包括太陽能光催化分解水技術。
長期階段的商業(yè)化成熟目標實現(xiàn)后,溫室氣體排放量將比1990年減少80%~95%。
歐盟鋼企的“氫探索”
對這些重大技術,歐洲各鋼廠分別制訂了自己的計劃時間表。目前公開發(fā)布的信息有:
瑞典鋼鐵:2020年8月31日,HYBRIT中試工廠投運;2025年,建立一個HYBRIT示范工廠;2026年,Oxel?sund高爐改造完成;2030年~2040年,全部高爐改造完成;2045年完全實現(xiàn)無化石鋼鐵制造。
奧鋼聯(lián):2019年11月,H2FUTURE“綠色氫”中試工廠投運;2020年底,HYFOR中試機組投運。
安賽樂米塔爾:2020年,SIDERWIN直接電解鐵礦石中試線投產(chǎn);氫基DRI示范工廠正處于設計和融資階段,最初年產(chǎn)能為10萬噸海綿鐵;2022年,Carbalyst?(Steelanol)示范工廠投運,用高爐廢氣制造生物乙醇;2021年,3D(DMXTM)示范工廠投運,為碳捕獲試點項目。
塔塔鋼鐵:2018年,HIsarna開始工業(yè)試驗;2027年,Athos項目實現(xiàn)碳減排100萬噸,將排放氣體加工成化工原料;2030年,Everest項目(碳捕集、存儲項目)實現(xiàn)碳減排300萬噸;2030年,在荷蘭建立年產(chǎn)100萬噸~150萬噸的工業(yè)級示范線。
蒂森克虜伯:2019年11月11日,德國杜伊斯堡9號高爐注入氫氣試驗;2022年,氫氣試驗擴大到所有28個風口;2025年,第一座DRI(直接還原鐵)工廠投運,年產(chǎn)能40萬噸;2030年,氫基DRI年產(chǎn)能增加至300萬噸。
薩爾茨吉特鋼鐵公司(Salzgitter):2020年第四季度,高溫電解槽(HTE)投運,風力發(fā)電廠投運;2020年底開始推出綠色鋼鐵產(chǎn)品;2021年3月,氫基DRI200萬噸示范線完成可行性論證。
在上述關鍵技術實現(xiàn)突破的同時,工藝路線也將完成重大轉(zhuǎn)型。隨著氫基冶金技術的成熟、“綠色氫”成本的降低、資源保證能力的提高,歐盟鋼鐵行業(yè)將逐步從傳統(tǒng)的碳基冶煉工藝路線、廢鋼電弧爐工藝,經(jīng)由碳基直接還原DRI+電弧爐工藝、天然氣基直接還原DRI+電弧爐工藝,向氫注入高爐替代碳還原工藝、氫基直接還原DRI+綠色電力基電弧爐工藝、綠色電基電解鐵礦石等方向完成轉(zhuǎn)型。
要實現(xiàn)碳中和的最終目標,除了冶金技術本身的突破外,還要關注循環(huán)經(jīng)濟的創(chuàng)新,主要包括以下5個方面:
一是回收和再利用。將鋼鐵冶煉過程中的廢棄物和副產(chǎn)品作為其他有價值產(chǎn)品的原料。
二是壽命延長。延長產(chǎn)品和資產(chǎn)的壽命,加強維護、升級和維修,以及逆向物流、產(chǎn)品回收和再制造。
三是共享和服務模式。通過“使用付費模式”提供服務,并利用共享和租賃平臺最大限度地利用產(chǎn)品和資產(chǎn)。
四是循環(huán)設計。在設計產(chǎn)品時,盡可能地選擇低碳材料,并在整個生命周期中盡量減少資源使用。
五是數(shù)字平臺。通過將物理服務與在線服務進行整合,實現(xiàn)非物質(zhì)化,并通過物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化最大化地使用資源。
歐盟鋼企的“氫延伸”
實現(xiàn)氫基冶金的前提條件是獲得資源有保障、成本合理化的“綠色氫”。因此,“綠色氫”產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展關乎到歐盟鋼鐵行業(yè)能否在2050年實現(xiàn)碳中和目標。歐盟委員會設定的目標是到2024年將綠色制氫設施電解槽產(chǎn)能擴大到6000兆瓦,可生產(chǎn)100萬立方米“綠色氫”;到2030年電解槽產(chǎn)能達到40000兆瓦,可生產(chǎn)1000萬立方米“綠色氫”。目前世界主要地區(qū)已明確計劃的電解法制造氫的項目,歐洲占的比例最大?!熬G色氫”的主要應用領域包括工業(yè)制造、車輛運輸和電力行業(yè),到2050年工業(yè)用“綠色氫”電解槽產(chǎn)能將達到80萬兆瓦左右,車輛運輸行業(yè)在70萬兆瓦左右,電力能源行業(yè)在50萬兆瓦左右。氫氣采用管網(wǎng)方式傳輸具備優(yōu)勢,每傳輸1千瓦/1000公里,以管網(wǎng)氣體形式的投資成本為9歐元~11歐元(以電力形式的投資成本為230歐元)。最理想的情況下,“綠色氫”制造成本為0.3美元/千克。
因此,歐洲主要鋼廠在推動冶金技術進步的同時,也在向“綠色氫”制造產(chǎn)業(yè)鏈拓展。比如,薩爾茨吉特鋼鐵公司建設風電和氫氣電解工廠,并配備2.2兆瓦的質(zhì)子交換膜(PEM)電解裝置(西門子天然氣電力公司制造); 蒂森克虜伯擴大電解制氫產(chǎn)能;奧鋼聯(lián)全球最大的電解槽投入運行,其在Linz(奧地利林茨)鋼廠的大型PEM電解系統(tǒng),容量為6兆瓦,可生產(chǎn)1200立方米的“綠色氫”;塔塔鋼鐵正在荷蘭阿姆斯特丹港推進H2ermes項目,預計氫產(chǎn)能在1.5萬立方米左右。
在未來的氫基冶金工藝路線上,直接還原鐵(DRI)工藝將扮演重要角色。2019年,全球DRI產(chǎn)量超過1.08億噸,較2018年增長7.3%,連續(xù)第4年創(chuàng)新高。相關的技術和設備供應商有達涅利、意大利Tenova。雙方共同設計和建造了天然氣基的直接還原工廠。
不過,“綠色氫”不是免費的午餐,氫冶煉的成本肯定會高于傳統(tǒng)工藝。在冶金技術實現(xiàn)突破的同時,為了支撐氣候目標的達成并保護其鋼鐵行業(yè),歐盟很可能于2021年~2022年左右實施碳邊境稅。習近平主席今年9月份宣布,爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。在實現(xiàn)碳中和的歷史大背景下,中國鋼鐵行業(yè)也正面臨挑戰(zhàn)和機遇,要力爭在新的一輪冶金技術革命中占領先機,形成差異化優(yōu)勢,并通過領先的技術突破貿(mào)易壁壘。
《中國冶金報》(2020年12月04日 02版二版)