鋼鐵是能源消耗總量高、碳排放量大的行業(yè),在嚴(yán)格的資源和環(huán)保碳排放政策約束下,面臨著巨大的環(huán)保壓力和降碳?jí)毫?。為降低鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放,鋼鐵企業(yè)積極開(kāi)展氫冶金技術(shù)路徑研究,希望通過(guò)“以氫代碳”,實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。截至目前,鋼鐵行業(yè)針對(duì)氫冶金研究初步形成氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)、氫基流化床直接還原煉鐵技術(shù)、高爐富氫冶煉技術(shù)和富氫熔融還原煉鐵技術(shù)等四大技術(shù)路徑。
氫冶金技術(shù)現(xiàn)狀
從國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)實(shí)踐來(lái)看,采用氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù)的項(xiàng)目有瑞典HYBRIT項(xiàng)目、安賽樂(lè)米塔爾純氫冶煉技術(shù)、德國(guó)蒂森克虜伯氫煉鐵技術(shù)、日本COURSE50項(xiàng)目,以及我國(guó)的中晉太行直接還原鐵項(xiàng)目、中國(guó)寶武湛江鋼鐵氫基豎爐項(xiàng)目和河鋼氫冶金項(xiàng)目。采用氫基流化床直接還原煉鐵技術(shù)的有魯奇公司Circored流化床直接還原項(xiàng)目和我國(guó)的鞍鋼氫冶金項(xiàng)目,采用高爐富氫冶煉技術(shù)的有德國(guó)蒂森克虜伯、迪林根—薩爾鋼兩家企業(yè),以及我國(guó)的晉南鋼鐵和中國(guó)寶武寶鋼股份,采用富氫熔融還原煉鐵技術(shù)的有建龍集團(tuán)CISP富氫熔融還原項(xiàng)目。從以上國(guó)內(nèi)外企業(yè)的氫冶金項(xiàng)目所采用的技術(shù)路徑進(jìn)行分析,氫冶金主流技術(shù)路徑為高爐富氫冶煉和氫基豎爐直接還原煉鐵技術(shù),并且氫能來(lái)源基本以焦?fàn)t煤氣為主。
氫冶金技術(shù)減碳潛力分析
對(duì)行業(yè)內(nèi)研究較多的氫基直接還原煉鐵技術(shù)和高爐富氫冶煉技術(shù)減碳潛力進(jìn)行分析。根據(jù)焦?fàn)t煤氣制直接還原鐵、全綠電綠氫制直接還原鐵和常規(guī)高爐煉鐵3種工藝流程,分別選擇3種工藝流程最接近實(shí)際情況的能源資源消耗進(jìn)行分析,測(cè)算碳排放,得到以下結(jié)果:“即全綠電綠氫制直接還原鐵碳排放最低,比常規(guī)高爐煉鐵碳排放低約78%,即每噸鐵可減排1.235噸二氧化碳;其次為焦?fàn)t煤氣制直接還原鐵,比常規(guī)高爐煉鐵碳排放低約44%,即每噸鐵可減排0.696噸二氧化碳。
對(duì)于高爐富氫冶煉技術(shù),在無(wú)爐頂氣循環(huán)利用條件下,高爐通過(guò)噴吹富氫還原氣實(shí)現(xiàn)碳減排的潛力受到限制,一般認(rèn)為高爐富氫還原的碳減排幅度能夠達(dá)到10%~20%。中國(guó)寶武開(kāi)發(fā)的富氫碳循環(huán)高爐技術(shù),通過(guò)富氫、富氧以及爐頂煤氣循環(huán)等措施,降碳目標(biāo)為30%。
氫冶金發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
其一,高品位鐵礦資源匱乏。
氫基直接還原要求鐵精粉品位達(dá)到68%以上,脈石含量低于4%,而我國(guó)鐵礦石是以低品位磁鐵礦為主,高品位鐵礦資源匱乏,難以支撐我國(guó)大規(guī)模開(kāi)展直接還原鐵生產(chǎn)。
其二,氫能資源少、利用成本高。
我國(guó)制氫規(guī)模雖然較大,但大部分均采用化石能源制氫,用于生產(chǎn)合成氨、甲醇等產(chǎn)品,可用于氫冶金的氫能資源較少。鋼鐵企業(yè)只有配套建設(shè)焦化項(xiàng)目或周邊地區(qū)有焦化企業(yè),才具有發(fā)展氫冶金的基礎(chǔ)。利用綠電—電解水制氫工藝,氫氣成本是焦?fàn)t煤氣制氫和天然氣制氫的2倍~3倍,用氫成本較高,難以和高爐—轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程在成本上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。
其三,技術(shù)研發(fā)難點(diǎn)多。
全氫直接還原煉鐵技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有高爐—轉(zhuǎn)爐工藝的革新,在技術(shù)研發(fā)上具有較多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。一是氫還原為強(qiáng)吸熱反應(yīng),將影響到反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)分布,而反應(yīng)溫度的變化將影響氫氣利用效率。二是依照現(xiàn)有氣基豎爐工藝或流化床工藝,氫還原反應(yīng)器內(nèi)熱量均依靠高溫還原氣的物理熱帶入,解決熱量不足問(wèn)題將是未來(lái)研發(fā)重點(diǎn)。三是通過(guò)提高還原氣溫度和增加還原氣流量來(lái)補(bǔ)充熱量,將影響到氫氣在豎爐中的流速,進(jìn)一步影響氫氣還原率及利用效率,同時(shí)對(duì)氣體加熱爐裝備、反應(yīng)器的耐高溫、耐高壓、防泄漏、耐氫蝕性等帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。四是全氫還原無(wú)滲碳條件,不含碳的直接還原鐵熔點(diǎn)高、極易再氧化、自燃,難以安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸。
其四,可再生能源制綠氫與冶金流程耦合難度大。
冶金工業(yè)是一種流程制造系統(tǒng),生產(chǎn)基地由多個(gè)不可拆分的化工、冶金反應(yīng)器組成,反應(yīng)器內(nèi)部高溫、高壓,伴有連續(xù)進(jìn)行的多相物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng),對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求很高,必須長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。而可再生能源受制于風(fēng)或光等外部自然條件變化,波動(dòng)性較大,如何通過(guò)利用電網(wǎng)、儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫等多種方式實(shí)現(xiàn)綠氫的穩(wěn)定供應(yīng),是氫能與鋼鐵產(chǎn)業(yè)間相互耦合要解決的難題。
發(fā)展建議
其一,氫冶金是鋼鐵工業(yè)遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)碳中和的重要路徑。國(guó)家和行業(yè)應(yīng)加快制訂鋼鐵行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)規(guī)劃和氫冶金發(fā)展規(guī)劃,明確氫冶金發(fā)展思路、技術(shù)路線圖及配套鼓勵(lì)性政策,支持低碳冶金園區(qū)、氫冶金示范項(xiàng)目建設(shè)。
其二,充分發(fā)揮綠色低碳類投資基金和全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟作用。集行業(yè)之力開(kāi)展氫冶金技術(shù)的研發(fā)與工程化示范,避免技術(shù)研發(fā)的重復(fù)投入和資源浪費(fèi)。加大高效、低成本選礦技術(shù)研發(fā)力度,突破發(fā)展直接還原煉鐵的原料端環(huán)節(jié)限制。
其三,以《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021年-2035年)》為引領(lǐng),加強(qiáng)制氫、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系,支撐氫能在冶金行業(yè)的應(yīng)用。
其四,鋼鐵企業(yè)開(kāi)展氫冶金示范項(xiàng)目建設(shè),應(yīng)組織專業(yè)技術(shù)人員深入總結(jié)國(guó)內(nèi)外氫冶金工程示范經(jīng)驗(yàn),開(kāi)展相關(guān)技術(shù)裝備調(diào)研、市場(chǎng)分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估、氫能資源評(píng)估等前期準(zhǔn)備工作,規(guī)避投資風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。(員曉 彭鋒 李曉 白永強(qiáng) 張麗娜)