田晨陽
氫基直接還原鐵技術是一種使用氫氣代替化石燃料生產(chǎn)鐵的創(chuàng)新技術,可以顯著減少煉鐵過程中的二氧化碳排放量。目前,100%使用氫氣生產(chǎn)直接還原鐵的工藝尚未在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。近日,浦項制鐵發(fā)布了一份低碳煉鐵工藝深度分析報告,其中介紹的無碳氫基直接還原煉鐵工藝——HyREX工藝引起了業(yè)界廣泛關注。
根據(jù)該報告,HyREX工藝是在浦項制鐵自主研發(fā)的FINEX煉鐵工藝基礎上,利用氫氣和鐵礦粉生產(chǎn)鋼鐵。該工藝旨在用熔融氣化爐取代現(xiàn)有的使用煤炭的高爐,且無需燒結、焦化工序。
HyREX工藝采用的流化床反應器與傳統(tǒng)氣基豎爐有以下區(qū)別:
一是原材料不同。傳統(tǒng)氣基豎爐采用球團礦,鐵礦石經(jīng)破碎篩分后加工成一定尺寸的圓球,而流化床反應器采用的是鐵礦粉,無需加工。
二是原材料與還原氣體的接觸方式不同。在傳統(tǒng)氣基豎爐中,氫氣從下至上穿過鐵礦石之間的空隙,發(fā)生還原反應。豎爐的透氣性對于氫氣能否順利穿過鐵礦石之間的空隙很重要,因此鐵礦石需要被加工成一定尺寸的球團礦,以便生產(chǎn)。在流化床反應器中,高溫還原氣體通過反應器底部的孔狀網(wǎng)格均勻分布,使鐵礦粉流化后像混合液體一樣發(fā)生還原反應,還原后的鐵礦粉經(jīng)過多級反應器后成為直接還原鐵。
三是碳排放強度的差異。一般來說,豎爐生產(chǎn)1噸直接還原鐵會排放50千克~150千克的二氧化碳。這就意味著該工藝要實現(xiàn)二氧化碳凈零排放,必須使用風能或太陽能等綠色能源來制造球團礦,而使用鐵礦粉的流化床反應器則不會存在這樣的問題。
此外,HyREX工藝還具有其他兩個方面的優(yōu)勢:
一是在材料供應方面,鐵礦粉比球團礦更容易確保供應穩(wěn)定,且鐵礦粉不需要再加工,經(jīng)濟效益相對較高。相關數(shù)據(jù)顯示,2020年全球鐵礦石產(chǎn)量為18億噸,球團礦的供應量為4.2億噸。根據(jù)國際鋼鐵與金屬協(xié)會 (IIMA) 預測,到2030年,如果不對材料生產(chǎn)和綠色冶煉技術等加大投資,全球將面臨直接還原鐵用球團礦供應短缺的問題。
二是在溫度控制方面,流化床反應器比傳統(tǒng)氣基豎爐更具優(yōu)勢。還原爐的溫度控制在氫基直接還原鐵中至關重要,如果還原爐內(nèi)部溫度過低,則會導致鐵水質量缺陷。使用煤炭或天然氣等化石燃料的還原反應是一種放熱反應,而采用氫氣的還原反應是一種吸熱反應,需要從外部連續(xù)向還原爐內(nèi)輸送熱量并對其進行合理控制,以防止產(chǎn)生缺陷。流化床反應器由多個不同的反應器組成,反應器呈階梯狀排列,可從外壁和底部注入額外的氧氣控制爐內(nèi)溫度。然而,傳統(tǒng)的氣基豎爐由單級還原爐組成,整個還原爐的溫度僅能通過從底部注入氧氣來控制,致使還原爐頂部的溫度極易變低。
據(jù)了解,目前浦項制鐵正計劃與韓國政府一起,以FINEX工藝和流化反應器為基礎,推動HyREX工藝深入開發(fā),到2028年在浦項鋼鐵廠建成年產(chǎn)100萬噸直接還原鐵的設施,以檢驗HyREX工藝實現(xiàn)商業(yè)化的可能性。此外,浦項制鐵還將開發(fā)一種新型電爐煉鋼技術。
浦項制鐵自1992年開始研發(fā)FINEX工藝,并于2007年實現(xiàn)商業(yè)化,截至目前已經(jīng)成功生產(chǎn)了3400萬噸的熔融金屬。浦項制鐵計劃從2025年開始在沒有試點試驗的情況下直接進入到HyREX工藝的示范生產(chǎn)階段。此外,浦項制鐵計劃到2050年分階段將浦項鋼鐵廠和光陽鋼鐵廠的現(xiàn)有生產(chǎn)工藝全部改成氫基直接還原鐵工藝,并實現(xiàn)企業(yè)運營碳中和。
《中國冶金報》(2022年08月12日 02版二版)