【钢铁知识】国内外氢冶金技术的发展现状

【钢铁知识】国内外氢冶金技术的发展现状2020 年9 月国家发布了“2030 年实现碳达峰、2060 年力争碳中和”的承诺。钢铁工业低碳绿色化是当前和未来的紧迫任务及发展方向。欧洲、日本、韩国1-2等钢铁企业将高炉富氢还原和氢气直接还原-电炉短流程工艺作为低碳甚至零碳排放的革新性技术，大力研发、试验，并加快商业化应用，目前已取得阶段性进展。为了实现钢铁行业低碳绿色发展和CO2 减排目标，我国科研单位和钢铁企业积极研究低碳冶金及氢冶金技术，规划未来低碳发展路线图，制定相关行动方案。日本低碳技术的开发日本制铁的减碳目标是2030 年比2013 年减排30%，2050 年实现碳中和。“零碳钢”创新技术主要包括氢还原高炉革新炼铁工艺（Super-Course50），氢气竖炉直接还原技术，CCUS（碳中和措施）。日本COURSE50以“创新的炼铁工艺”为主要研究内容，通过开发高炉富氢还原炼铁技术和高炉炉顶煤气CO2 捕集利用储存技术，将高炉CO2 排放量减少30%。项目研发分为三个阶段：第一阶段（20082017年），进行技术探索、以小型试验高炉为主体的“氢还原和CO2 分离回收技术综合开发”；第二阶段（20172030年）开发Super-Course50（使用外部制氢厂的H2），进行数值模拟和放大试验，2030 年左右首套装置开始商业化运行；第三阶段（20302050）技术推广应用。目前，该技术已完成第一阶段试验，证明可减排CO2 近10%。日本制铁君津厂试验高炉内容积12 m3（高6.5 m，直径1.2 m），其示意图如图1 所示。3 个炉缸风口同时喷吹煤粉、氧气和COG，3 个炉身下部风口喷吹改质COG（温度800850，含67%H2、18%CH4、8%CO），3 个炉身上部风口喷入预热煤气。COURSE50 项目试验用氢气采用焦炉煤气和改质的COG，将焦炉煤气中的焦油等采用新型催化剂进行改质，可将焦炉煤气的氢含量由55%提高至63%67%。焦炉煤气离开炭化室时的温度达800，可充分利用其显热对焦油和烃类物质进行催化裂解以产生氢气。图2 给出了COURSE50 技术实施计划。日本制铁的CCUS技术，包括研发光催化水分解的零排放制氢技术（高性能光催化剂），利用钢渣吸收固定CO2 改善海洋生态环境（蓝碳）技术，将CO2 转化为化工产品（碳酸二甲酯DMC）技术等。图3 是JFE 碳中和技术实施计划，其技术路径主要包括：（1）碳循环高炉+CCU 技术；（2）氢气直接还原炼铁技术；（3）过渡技术：COURSE50+CCU 技术、铁焦制造技术、废钢高效加热和转炉多用废钢技术、大量使用废钢的高效电炉炼钢技术。JFE 计划开发碳循环氧气高炉工艺，并与CCU 相结合，炉顶煤气脱除的CO2 一部分经加氢反应合成甲烷，从风口喷入高炉，形成碳循环利用，剩余的CO2 加氢转化制基础化工品（甲醇等）。德国蒂森克虏伯氢还原炼铁德国蒂森克虏伯钢铁公司的CO2 减排目标是：到2022 年，降低钢铁生产中20%的CO2 排放；到2030年，由生产过程产生和购买能源所产生的CO2 排放减少30%；到2050 年，钢铁生产过程实现零碳排放。蒂森克虏伯钢铁公司计划采取两种方式来减少二氧化碳排放：氢冶金的tkH2Steel4项目，以及将钢厂尾气（含二氧化碳）转化为化工原料的Carbon2Chem®项目。tkH2Steel 项目包括高炉喷吹氢气项目和氢气直接还原炼铁项目（高炉2.0）。2021 年1 月完成了Duisburg 9 号高炉单个风口注入氢气的测试，验证了喷吹纯氢低碳冶炼技术可行性和安全性。计划2022 年开始第二阶段试验，使用外部制氢厂管道输送的氢气向全部28 个风口喷吹，考察氢气间接还原和节碳的效果，为技术应用铺平道路。与德国莱茵集团（RWE）合作，计划在林格发电厂建设一个100MW 的的碱液水电解槽，氢气产量1.7t/h，考虑用现有天然气管道输送氢气到杜伊斯堡。最终目标是Duisburg 地区的3 座高炉都喷吹氢气，CO2 减排19%20%。同时，为了能实现碳中和，2020年8 月蒂森克虏伯宣布启动“高炉2.0”计划，将于2025年前在杜伊斯堡钢厂建成一座120 万吨/a“氢气竖炉DRI+绿电电炉熔化单元”的生产装置（如图4 所示），生产“electric hot metal”给现有炼钢厂。先采用现有高炉熔化DRI，从2030 年起，将采用电炉取代高炉冶炼直接还原铁，其中电炉电力最大比例来源于可再生能源。韩国浦项氢还原炼铁韩国原子能研究院开发超高温反应堆（VHTR）和中小型反应堆（SMART）核能制氢技术。韩国政府曾计划从2017 年到2023 年以官民合作方式研发氢还原炼铁法。2017 年12 月韩国开始启动COOLSTAR 项目5，主要包括“高炉喷吹焦炉煤气、氢气的碳减排技术”和“以氢气作还原剂生产DRI 电炉炼钢技术”2项课题。COOLSTAR 项目计划20172020 年完成基础技术开发，20212024 年进行中试规模的技术开发，完成技术验证，到2024 年11 月前完成氢还原炼铁工艺的开发；20242030 年筛选出真正可行的技术并投入实际应用，2050 年前后实现商用化应用。图5 是浦项低碳技术路线图，其碳减排目标是：到2030 年CO2 排放量减少20%，到2040 年CO2 排放量减少50%，到2050 年达到碳中和。过渡的低碳技术包括：（1）高炉喷吹COG（部分氢还原）；（2）高炉喷吹生物质燃料；（3）高炉使用流化床直接还原生产的LRI；（4）使用品质废钢；（5）CO2 捕获和转化利用；（6）高温炉渣显热回收。碳中和技术路线是风电、太阳能发电-水电解制氢-粉矿流化床氢气直接还原-热压DRI-电炉炼钢，计划1020 年内完成HyREX 氢基流化床直接还原工艺的规模化开发，未来绿氢可大量供应时与电炉结合进行钢铁冶炼，以实现碳中和。图6 是浦项HyREX 氢基流化床直接还原-电炉工艺流程。奥钢联和普瑞特低碳炼铁项目2017 年初，奥钢联启动H2FUTURE6项目，在Linz 建立世界最大的6 MW质子交换膜电解制氢（PEM）装置，用可再生能源发电制氢。项目采用西门子的Silyzer300 设计方案，使用12 个模块，H2 产量（标态）为1200m3/h，2019年11 月投用。计划从2025 年开始建设更大规模的制氢设备，20302035 年实现商业运行。将氢气作为钢厂的绿色能源和炼铁还原剂，目标是将Linz 钢厂的CO2 减排1/3。普瑞特计划1015 年内将位于美国德克萨斯州的Midrex-NG 工厂（200 万吨/年）改为使用氢气。普瑞特HYFOR 粉矿流化床氢气直接还原项目，借鉴Finmet、FINEX 技术和设备，将精矿粉（<0.15 mm）在预热-氧化装置中加热到约900进入流化床还原设备，氢气（主要还原剂）通过导流栅进入还原设备。尾气经余热回收后干法除尘。约600热直接还原铁（HDRI）进行冷却或者生产热压铁块（HBI）供给电弧炉。在奥钢联Donawitz 钢厂建成了HYFOR 工艺中试装置（如图7 所示），2020 年底投运，2021 年45 月成功进行了首次测试，每次精矿粉用量800 kg 左右。商业化的直接还原装置将采用模块化设计，每个模块设计产能25 万吨/年。瑞典无化石燃料钢铁制造项目SSAB计划到2032 年CO2排放量比2018 年减少35%，2035 年前建成无化石燃料钢铁制造流程。由SSAB、Vattenfall 和LKAB 联合开发的HYBRIT 项目7，使用生物质油做球团厂燃料，采用可再生能源发电、电解水制氢、氢气直接还原铁矿石生产直接还原铁。1 万吨/年氢气竖炉直接还原中试工厂进行了试验，2021 年6月生产出100t 海绵铁。SSAB 计划于2026 年在瑞典北部建成一个设计年产能为130 万吨的无化石燃料的海绵铁生产厂，使HYBRIT 工艺工业化，目标是到2030 年将海绵铁的生产规模扩大到270 万吨。计划2026年前将其在瑞典Oxelösund 厂的高炉停产，新建电弧炉；于20302040 年间将拉赫厂和吕勒奥厂的高炉停产，新建电弧炉。2045 年SSAB 将完全实现无化石燃料钢铁制造。德国Salzgitter AG 的 SALCOS 项目为在2050 年实现碳中和，德国Salzgitter 公司与Tenova 公司合作，采用绿电水电解制氢和气基竖炉直接还原工艺，DRI 供电炉炼钢。气基竖炉技术开发实施分3 个阶段：Stage1 使用天然气，Stage2 使用65%天然气+35%氢气，Stage3 采用氢气竖炉DRI+电炉炼钢。未来增加水电解制氢能力和竖炉DRI-电炉产能，相应对现有钢铁生产流程进行逐步改造，减少高炉和转炉，最终转变成无高炉和转炉的新型钢厂。图8 是Salzgitter AG 钢铁冶炼流程转型计划图。2021 年3 月完成可行性研究，计划建造一座风力发电厂、一套高温蒸汽电解槽（HTE）制氢装置和一座年产能200 万吨的氢气直接还原铁厂。Salzgitter 于2016 年4 月正式启动了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，绿色工业制氢）项目8，采用固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，于2018 年1 月完成了系统工业化环境运行，2019 年2 月，GrInHy1.0项目完成。之后又开展了GrInHy2.0 项目，其理念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续工序。Salzgitter 开展水电解制氢工程试验，先后安装了固体氧化物电解设备（氢气产量（标态）40m³/h）、世界最大的高温蒸汽电解槽HTE（Sunfire 公司提供，额定功率720kW，氢气产量200m3/h，用于SALCOS 项目氢气竖炉直接还原试验）。此外，计划投产一座400m3/h 的制氢工厂，配备2.2MW 的质子交换膜水电解设备（西门子提供）。安赛乐米塔尔碳减排技术安赛乐米塔尔欧洲公司计划到2030 年将其欧洲钢厂的CO2 排放量减少30%，2050 年达到碳中和。实施碳循环高炉和氢气直接还原（碳避免）2 条减碳工艺路线。图9 和图10 分别是安赛乐米塔尔欧洲公司碳循环高炉技术流程图、碳避免技术流程图。安赛乐米塔尔欧洲公司采用Midrex-H2 工艺设备，将德国汉堡钢厂运行的天然气竖炉改为使用风电-电解水生产的氢气，DRI 年产能10 万吨，2025 年商业化运行。计划在德国不莱梅和艾森许腾施塔特2 个钢厂建设DRI-EAF 流程，先使用天然气，再逐步以氢气代替天然气，直至全部使用氢气生产DRI。与EWE能源公司合作，第一阶段建设一座24MW 的水电解制氢工厂，为不莱梅钢厂提供绿色氢气。计划在法国敦刻尔克厂采用氢气DRI-EAF 工艺。安赛乐米塔尔的碳减排技术还包括：将从高炉尾气捕获的CO2 用CH4（未来用生物质气和废塑料）重整为合成气，通过风口喷入高炉；钢厂尾气捕获的CO2 经生物转化制化工产品或生物乙醇等。氢气竖炉直接还原工艺气基竖炉直接还原技术早在20 世纪中叶就实现了工业化应用。目前世界上正在运行的以天然气或煤制合成气生产DRI 的MIDREX、HYL 竖炉达几十座，竖炉入炉煤气的氢气含量已达到55%80%。MIDREX 和HYL 公司正在研究开发全氢气竖炉直接还原技术。MIDREX-H2®工艺流程如图11 所示。将氢气直接混入除尘、加压后的炉顶循环煤气中，炉顶煤气无需脱除CO2，工艺气体也无需CH4 重整，只需煤气预热炉、加热炉将氢气加热到所需温度。但为了补充竖炉内还原所需热量和对DRI 增碳，入炉还原气中的氢