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国外氢冶金发展现状分析
来源:    浏览:    时间:2020-06-12 16:32:18

  1、前言

  氢能因其清洁低碳、热值高、来源广泛和安全可控的特点,逐渐成为全球能源技术创新和产业变革的推动力,重塑绿色生态能源消费结构的重要二次能源。氢存在于各种物质中,是可再生能源,储量充裕且高效,应用前景非常广阔。氢能作为高能量密度、无污染排放的二次能源,是有效耦合传统化石能源和可再生能源,构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的重要选择。

  钢铁行业是资金、技术、能源密集型行业,每生产一吨钢需排放1.8吨CO?。在全球严格的资源和环保政策约束大背景下,钢铁行业面临着巨大的环保压力。过去十年间,世界主要产钢国开始致力于开发能够显著降低CO?排放的突破性低碳炼钢技术,其中氢冶金应运而生,以氢代替碳是当前低碳发展、能源变革的重要方向,也是钢铁行业绿色低碳、高质量发展的主要出路。

  2、国外氢冶金发展现状

  国外多家钢铁企业对氢冶金进行了深度布局,项目大都进入了建设或者试验阶段,其中典型的项目如表1所示。

  

  2.1欧洲

  随着欧盟“2030年气候和能源政策目标”的发布,欧盟各国都推出更为严格的环保法规和排放标准,特别是欧盟排放权交易体系(EU-ETS)的建立使各行业碳排放的成本大大增加,在此背景下,高能耗、高污染的欧洲钢铁行业不得不将节能减排重视程度提升至同增长利润相等的高度。目前欧洲开展氢冶金研究和实践的钢铁企业主要有安赛乐米塔尔、瑞典钢铁企业、萨尔茨吉特、蒂森克虏伯、奥钢联及普锐特等。

  2.1.1安赛乐米塔尔集团开展纯氢炼铁技术研发

  安赛乐米塔尔集团投资6500万欧元,在其德国汉堡厂进行氢直接还原铁矿石的项目研究,项目思路与瑞典HYBRIT项目类似,并计划在未来几年建设中试厂。目前安米汉堡厂采用天然气生产直接还原铁,安米与弗莱贝格工业大学合作,计划在未来几年在汉堡厂对氢直接还原铁矿石工艺进行试验,中试厂的规模为10万吨/年。另外,该研究项目的氢气来源将首先采用变压吸附法,从安米汉堡厂炉顶煤气中分离氢气,使其纯度达到95%以上,待未来有足够数量绿氢(来自可再生能源的氢)时,将采用绿氢生产。

  2.1.2瑞典钢铁HYBRIT项目

  瑞典钢铁企业、瑞典国有铁矿石企业(LKAB)和瑞典大瀑布电力企业联合成立合资企业(HYBRIT),旨在联合开发用氢替代炼焦煤和焦炭的突破性炼铁技术。HYBRIT项目研究采用氢与球团矿直接还原生产直接还原铁,而氢由非化石能源制备。HYBRIT项目研究任务包括:研究可再生能源发电及其对电力系统的影响,寻找有效的可再生能源用于发电,为非化石能源冶炼提供能源,同时降低制氢成本;建设制氢与存储工艺及相关装备,为HYBRIT工艺提供低成本、可靠稳定的氢气,并进行氢气产业链布局;研究氢基直接还原炼铁工艺;研究配套炼钢工艺;研究系统集成、过渡路径和政策等。

  2018年6月HYBRIT项目在瑞典Lulea建设中试厂,预计2021-2024年运行,每年生产50万吨直接还原铁。该中试厂可方便的利用瑞典钢铁企业现有炼钢设施和Norrbotten铁矿。到2024年,该中试厂的建造和运营成本预计为10-20亿瑞典克朗,目标是在2035年之前形成无碳解决方案。作为配套设施,2019年10月HYBRIT项目投资1.5亿瑞典克朗,瑞典能源署出资近5000万瑞典克朗,将于2021年在靠近Lulea中试厂的LKAB位于Svartoberget地下25-35米处建造新氢气储存设施,该设施预计将于2022-2024年运行。瑞典钢铁企业计划2026年向市场提供第一批非化石能源生产的钢铁产品。

  2.1.3萨尔茨吉特SALCOS项目

  SALCOS项目旨在对原有的高炉-转炉工艺进行逐步改造,把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线,同时实现富余氢气的多用途利用。

  2016年4月萨尔茨吉特正式启动GrInHy 1.0(绿色工业制氢)项目,采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气,并将多余的氢气储存起来。当风能(或其他可再生能源)波动时,电解槽转变成燃料电池,向电网供电,平衡电力需求。2017年5月该系统安装了1500组固体氧化物电解槽,2018年1月完成系统工业化环境运行,2019年1月完成连续2000个小时系统测试后,萨尔茨吉特开展了GrInHy 2.0项目。GrInHy 2.0项目的显著特点是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气,用水蒸气与绿色再生能源发电,然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产,也可用于钢铁生产的后道工序,如作为冷轧退火的还原气体。

  2019年4月份,在汉诺威工业博览会上,德国萨尔茨吉特钢铁企业与特诺恩企业(Tenova)签署谅解备忘录,继续推进SALCOS项目。

  2.1.4奥钢联H2FUTURE项目

  2017年初,由奥钢联发起的H2FUTURE项目,旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术,降低钢铁生产中的CO?排放,最终目标是到2050年减少80%的CO?排放。H2FUTURE项目的成员单位包括奥钢联、西门子、Verbund(奥地利领先的电力供应商,欧洲最大的水电商)企业、奥地利电网(APG)企业、奥地利K1-MET中心组等。该项目将建设世界最大的氢还原中试工厂。西门子作为质子交换膜电解槽的技术提供方,将为奥钢联林茨厂提供电解能力为6兆瓦的电解槽,氢气产量为1200m³/小时,电解水产氢效率目标为80%以上;Verbund企业作为项目协调方,将利用可再生能源发电,同时提供电网相关服务;奥地利电网企业的主要任务是确保电力平衡供应,保障电网频率稳定;奥地利K1-MET中心组将负责研发钢铁生产过程中氢气可替代碳或碳基能源的工序,定量对比研究电解槽系统与其他方案在钢铁行业应用的技术可行性和经济性,同时研究该项目在欧洲甚至是全球钢铁行业的可复制性和大规模应用的潜力。

  2.1.5德国迪林根和萨尔钢企业富氢炼铁技术

  德国主要钢铁企业迪林根(Dillinger)和萨尔钢企业(Saarstahl)计划投资1400万欧元,研究将联合钢铁企业产生的富氢焦炉煤气输入萨尔炼铁企业的两座高炉中,用氢取代部分碳作为还原剂的工艺技术。该项研究涉及的设备及基础设施不影响高炉的运行,项目计划从2020年开始实施。在欧洲,萨尔企业高炉已属于最现代和最高效的高炉,为不断提高环境保护水平,该企业在过去15年里投入了大约5亿欧元。考虑到欧洲排放配额成本飙升,该项目将大幅削减CO?排放,对萨尔钢企业发展至关重要。

  2.1.6德国蒂森克虏伯氢炼铁技术

  蒂森克虏伯集团与液化气企业合作,计划到2050年投资100亿欧元开发将氢气大量喷入高炉的氢炼铁技术。2019年11月11日,蒂森克虏伯正式将氢气注入杜伊斯堡厂9号高炉进行氢炼铁试验。氢气通过其中一个风口注入了9号高炉,这标志着该项目一系列测试的开始。如果进展顺利,蒂森克虏伯计划逐步将氢气的使用范围扩展到9号高炉全部的28个风口。此外,蒂森克虏伯还计划从2022年开始,该厂其他三座高炉都将使用氢气进行钢铁冶炼,降低生产中的CO?排放,降幅可高达20%。此外,液化气企业将通过其位于莱茵-鲁尔区全长200公里的管道确保稳定的氢气供应。

  2.1.7普锐特冶金技术企业开发无碳氢基铁矿粉直接还原技术

  2019年6月,普锐特宣布正在开发一种不需要烧结或球团等任何预处理工序即可使用铁精矿的直接还原工艺。该工艺借鉴了Finmet工艺开发和设备安装的经验,可采用所有类型的精矿,甚至是粒度小于0.15毫米的粉矿。新工艺使用氢气作为主要的还原剂,氢气来自绿氢(可再生能源制备的氢气)、传统蒸汽重整炉的富氢气体或者富氢废气。该工艺将显著减少CO?排放,甚至减少到零。直接还原设备采用模块化设计,每个模块的设计产能为25万吨/年,可适用所有规模的钢厂。

  为了试验该工艺,并为下一步的工业规模设备的设计提供基础数据,普锐特将在奥钢联多纳维茨钢铁企业建立中试厂,预计2020年第二季度投入运行。中试厂将由三个部分组成,包括预热-氧化装置、气体处理设备和还原设备。精矿粉在预热-氧化装置中加热到大约900℃进入还原设备;氢气由气体供应装置通过导流栅提供;配套的废气余热回收系统保证能源使用得到优化,干法除尘系统解决粉尘排放问题。生产的热态直接还原铁(HDRI)以大约600℃的温度离开还原设备,供给电弧炉或生产热压块铁。

  2.2日本

  2008年日本启动“COURSE50”低碳炼铁项目,其关键核心技术是氢还原炼铁法,即用氢置换部分煤粉和焦炭,以减少高炉CO?排放,以及使用化学吸取法和物理吸附法将高炉煤气中的CO?进行分离和回收的技术。项目目标是:使用氢还原炼铁法减排10%,通过从高炉煤气中分离回收CO?技术减排20%,从而达到整体减排30%的目标。日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)委托日本制铁、JFE、神户制钢、日新制钢、新日铁工程企业等5家企业进行实验,预计2030年实现1号机组工业生产,2050年普及到日本国内所有高炉。

  2.2.1COURSE50项目基本达到CO?减排10%目标

  2019年日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)和日本钢铁联盟宣称,日本环境友好型炼铁工艺技术开发项目(COURSE50)通过在日本制铁君津厂厂内的炉容积为12m³的试验高炉上进行的试验证明,目前已基本达到减少高炉CO?排放10%的目标,完成了确立CO?削减、分离、回收技术的目标。

  从2017年该项目第四次试验结果来看,不仅烧结矿和碳的情况得到改善,而且根据试验后拆解调查和探棒取样确定,操作技术与模拟技术基本一致,CO?减排量从以往试验时的8%基本提高到10%。

  从截止2022财年开始的项目研发阶段Ⅱ步骤1中,项目组将结合试验高炉所确定的和实际高炉部分确定的技术,开展面向实用化的技术开发。日本制铁炼铁部部长指出,由于焦炭用量减少,炉内气流阻力大幅增加,试验高炉与实际高炉(约4000-5000m³)的风口数量、焦炭运动形态均不相同,还存在大量热平衡和气体平衡等诸多技术课题有待攻克。

  2.2.2COURSE50计划2022年开始实际高炉放大测试

  COURSE50项目在2018年进行了5次试验(从2018年10月29日到11月27日,共30天),通过改变气体和原材料的配比,并试验了氢气对炼铁作业的改善效果。第二阶段的研究重点是在高炉中分离回收CO?以及废热,并计划于2022年度进行实际高炉的放大测试。

  2018年,使用三维高炉数学模型验证了氢气吹入技术对CO?排放减少的影响,2022年度将在两座高炉上进行工业试验,目前已开始高炉选定工作,包括管道气体设计、分析技术等。

  2.3韩国

  2009年韩国原子能研究院与POSCO等韩国国内13家企业及机关共同签署原子能氢气合作协议(KNHA),正式开始开展核能制氢信息交流和技术研发。2010年6月,以韩国电力企业为首的财团投资1000亿韩元,联合浦项钢铁企业和韩国原子能研究院(KAERI)开展系统集成模块化先进反应堆(Smart)和超高温核反应堆(VHTR)技术的研发工作。全氢高炉炼铁技术的短期目标是利用钢铁生产过程中产生的副产气体制取可用于还原铁的氢气,中长期目标是开发出能够低成本大量制造高纯度氢气的技术。

  3、氢冶金技术趋势浅析

  3.1全球氢冶金技术尚处于研发、试验阶段

  当前,全球氢冶金项目研究可以分三步走:第一步,2025年前,建立中试装置研究大规模工业用氢能冶炼的可行性;第二步,到2030年,实现以焦炉煤气、化工等副产品中产生的氢气进行工业化生产;第三步,到2050年,实现绿色经济氢气的工业化生产,并进行钢铁高纯氢能冶炼,其中氢能以水电、风电及核电电解水为主。

  国内氢冶炼技术当前还处于研发起步阶段,多数企业仍处于项目规划,签订合作协议的阶段,只有少数企业设立了以清洁能源生产氢气作为冶炼能源的目标,多数企业还是以利用焦炉煤气、化工副产品等作为氢源冶炼为项目目标。

  我国氢冶炼技术的研发还需要以国家层面高度的规划和定位,确定可行的技术路线图,在政策支撑下,实现氢能和钢铁冶炼产业合作共赢。

  3.2“绿氢”生产成本高,氢冶金规模化应用尚早

  当前,工业中产生的氢气主要还是“灰氢”,低成本制取“绿氢”依然面临严峻的技术挑战。目前氢冶金主要有两种:一种在高炉风口加氢代替喷煤和焦炭,另一种是非高炉氢气直接还原技术,这两种技术目前都还需要关键技术突破。

  3.3我国氢冶金顶层设计和政策引导亟待加强

  目前,我国与氢冶金配套的专项规划、政策体系、标准体系、安全规范缺乏顶层设计。我国出台了涉及氢能领域各方面的一系列政策推动氢能产业健康发展,但目前涉及氢能产业的政策主要体现在交通领域,例如新能源汽车、加氢站、氢储存和运输、燃料电池等方面,而氢能在工业领域的应用还处于政策制定和规划之中。

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