編者按
隨著二氧化碳減排壓力的增大，氫氣還原技術(shù)受到了越來越多的重視，迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)會(huì)。在“氫能煉鋼”方面，近年來，國外鋼鐵企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了一系列探索，取得了一定的進(jìn)展。尤其是瑞典鋼鐵HYBRIT（突破性氫能煉鐵技術(shù)）項(xiàng)目將使鋼鐵生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放量降至近乎于零，有望引發(fā)鋼鐵行業(yè)的一場變革。
本版將聚焦當(dāng)前世界先進(jìn)的氫能利用項(xiàng)目及技術(shù)，分上、下兩期進(jìn)行深入剖析，旨在為中國鋼鐵工業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)提供思路，增強(qiáng)鋼鐵人實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的信心。本期將介紹由瑞典鋼鐵公司發(fā)起的HYBRIT項(xiàng)目、由德國薩爾茨吉特鋼鐵公司發(fā)起的SALCOS（薩爾茨吉特低碳煉鋼）項(xiàng)目和由奧鋼聯(lián)發(fā)起的H2FUTURE項(xiàng)目，下期將對(duì)以前述3個(gè)項(xiàng)目為代表的歐洲鋼企氫能利用項(xiàng)目的技術(shù)路徑與特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)日本和中國的相關(guān)項(xiàng)目發(fā)展情況進(jìn)行概述。
康斌
面對(duì)《巴黎協(xié)定》到2030年和2040年二氧化碳排放量相對(duì)1990年分別減排40%和60%的目標(biāo)，歐洲鋼企尤其是長流程鋼企如何降低二氧化碳排放強(qiáng)度成為亟待解決的問題。鋼企需要從碳輸入層面減少鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳使用量（甚至不用碳），在這方面，HYBRIT項(xiàng)目、SALCOS項(xiàng)目和H2FUTURE項(xiàng)目等都是有益的探索。
瑞典鋼鐵HYBRIT項(xiàng)目
當(dāng)前，瑞典鋼鐵公司（SSAB）二氧化碳排放量為600萬噸/年，其2025年的減排目標(biāo)是減少25%，計(jì)劃在2045年前實(shí)現(xiàn)近零排放。瑞典最大的電力與熱力供應(yīng)商——瑞典大瀑布電力公司（Vattenfall）當(dāng)前的二氧化碳排放量為2300萬噸/年，目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)近零排放。瑞典礦業(yè)集團(tuán)（LKAB）計(jì)劃到2021年噸礦二氧化碳排放量相比2015年下降12%，達(dá)到27.4千克。基于上述3家企業(yè)大幅降低碳排放的要求，2016年，SSAB、Vattenfall和LKAB聯(lián)合成立了HYBRIT項(xiàng)目。按照HYBRIT項(xiàng)目計(jì)劃，2016年~2017年為項(xiàng)目預(yù)研階段，主要工作內(nèi)容包括評(píng)估非化石能源冶煉的潛力，以及二氧化碳的捕集、存儲(chǔ)和利用等。
2018年初公布的研究結(jié)果表明：按照2017年底的電力、焦炭價(jià)格和二氧化碳排放交易價(jià)格，HYBRIT項(xiàng)目采用的氫冶金工藝成本比傳統(tǒng)高爐冶煉工藝高20%~30%。SSAB采用長流程工藝的噸鋼二氧化碳排放量為1600千克（歐洲其他國家的水平約為2000千克~2100千克），電力消耗為5385千瓦時(shí)；采用HYBRIT工藝的噸鋼二氧化碳排放量僅為25千克，電力消耗為4051千瓦時(shí)。
該項(xiàng)目的中試研究階段為2018年~2024年，示范運(yùn)行階段為2025年~2035年。在為期10年的示范運(yùn)行階段主要進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，以確保到2035年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。
HYBRIT項(xiàng)目的工藝流程如圖1所示，基本思路是：在高爐生產(chǎn)過程中用氫氣取代傳統(tǒng)工藝的煤和焦炭（氫氣由清潔能源發(fā)電產(chǎn)生的電力電解水產(chǎn)生），氫氣在較低的溫度下對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行直接還原，產(chǎn)生海綿鐵（直接還原鐵），并從爐頂排出水蒸氣和多余的氫氣，水蒸氣在冷凝和洗滌后實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。
HYBRIT項(xiàng)目的研究任務(wù)包括：研究可再生能源發(fā)電及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響，尋找有效的可再生能源用于發(fā)電，為非化石能源冶煉提供能源，同時(shí)降低制氫成本；建設(shè)制氫與存儲(chǔ)工藝及相關(guān)裝備，為HYBRIT工藝提供低成本、可靠穩(wěn)定的氫氣，并進(jìn)行氫氣產(chǎn)業(yè)鏈布局；研究氫基直接還原煉鐵工藝；研究配套煉鋼工藝；研究系統(tǒng)集成、過渡路徑和政策等。
薩爾茨吉特SALCOS項(xiàng)目
2019年4月份，在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司（以下簡稱薩爾茨吉特）與Tenova公司（一家為金屬上下游行業(yè)提供節(jié)能降耗技術(shù)解決方案的公司）簽署了一份諒解備忘錄，旨在繼續(xù)推進(jìn)以氫氣為還原劑煉鐵，從而減少二氧化碳排放的SALCOS項(xiàng)目。
SALCOS項(xiàng)目旨在對(duì)原有的高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝路線進(jìn)行逐步改造，把以高爐為基礎(chǔ)的碳密集型煉鋼工藝逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)富余氫氣的多用途利用。SALCOS項(xiàng)目工藝設(shè)想如圖2所示。
為實(shí)施SALCOS項(xiàng)目，薩爾茨吉特先期策劃實(shí)施了薩爾茨吉特風(fēng)電制氫項(xiàng)目（Wind H2），項(xiàng)目思路是采用風(fēng)力發(fā)電，電解水制氫和氧，再將氫氣輸送給冷軋工序作為還原性氣體，將氧氣輸送給高爐使用。風(fēng)力發(fā)電是與風(fēng)力發(fā)電供應(yīng)商合作，建設(shè)7臺(tái)總發(fā)電能力為30兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中3臺(tái)在薩爾茨吉特的某個(gè)廠內(nèi)。根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃，第一步是建設(shè)質(zhì)子交換膜電解槽，電解制氫能力為400標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，蒸餾水來自于鋼廠水凈化設(shè)施；第二步是將風(fēng)力發(fā)電場電力輸送到電解水工廠。風(fēng)力發(fā)電、制氫工廠建設(shè)投資總額約為5000萬歐元，制氫工廠將在2020年投用，在此基礎(chǔ)上再研究利用其他清潔能源發(fā)電。在這一項(xiàng)目中，林德（Linde）公司負(fù)責(zé)氫氣運(yùn)輸，運(yùn)輸方式主要以汽車儲(chǔ)氣罐運(yùn)輸為主。
薩爾茨吉特于2016年4月份正式啟動(dòng)了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，綠色工業(yè)制氫）項(xiàng)目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產(chǎn)氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲(chǔ)存起來。當(dāng)風(fēng)能（或其他可再生能源）波動(dòng)時(shí)，電解槽轉(zhuǎn)變成燃料電池，向電網(wǎng)供電，平衡電力需求。2017年5月份，該系統(tǒng)安裝了1500組固體氧化物電解槽，于2018年1月份完成了系統(tǒng)工業(yè)化環(huán)境運(yùn)行，2019年1月份完成了連續(xù)2000個(gè)小時(shí)的系統(tǒng)測(cè)試。今年2月份，GrInHy1.0項(xiàng)目完成。
2019年1月份，薩爾茨吉特開展了GrInHy2.0項(xiàng)目。GrInHy2.0項(xiàng)目的顯著特點(diǎn)是通過鋼企產(chǎn)生的余熱資源生產(chǎn)水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發(fā)電，然后采用高溫電解水法生產(chǎn)氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產(chǎn)，也可用于鋼鐵生產(chǎn)的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。GrInHy2.0項(xiàng)目設(shè)想如圖3所示。
GrInHy2.0項(xiàng)目重點(diǎn)設(shè)備及環(huán)節(jié)：
高溫電解槽：GrInHy2.0項(xiàng)目將首次在工業(yè)環(huán)境中采用標(biāo)稱輸入功率為720千瓦的高溫電解槽。其目標(biāo)是連續(xù)不間斷運(yùn)行7000小時(shí)，電解效率達(dá)到80%以上。同時(shí)，當(dāng)可再生能源不足時(shí)，平時(shí)存儲(chǔ)的氫氣可將高溫電解槽作為固體氧化物燃料電池用于發(fā)電。預(yù)計(jì)到2022年底，該高溫電解槽將至少運(yùn)行13000小時(shí)，總共產(chǎn)生約100噸的高純度（99.98%）氫氣。
為此，薩爾茨吉特將與德國Sunfire公司共同建設(shè)和運(yùn)營世界上最大的高溫電解槽，其中德國Sunfire公司將提供水蒸氣或高溫、電解核心元素相關(guān)技術(shù)設(shè)備，用于電解水生產(chǎn)氫氣。
氫氣壓縮與干燥裝置：由Paul Wurth公司提供。
氫氣運(yùn)輸：薩爾茨吉特Flachstahl廠將負(fù)責(zé)將氫氣輸送到工廠內(nèi)部的能源使用網(wǎng)絡(luò)。
奧鋼聯(lián)H2FUTURE項(xiàng)目
2017年初，由奧鋼聯(lián)發(fā)起的H2FUTURE項(xiàng)目旨在通過研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術(shù)，降低鋼鐵生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，最終目標(biāo)是到2050年減少80%的二氧化碳排放。圖4顯示了H2FUTURE項(xiàng)目的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。
H2FUTURE項(xiàng)目的成員單位包括奧鋼聯(lián)、西門子、Verbund（奧地利領(lǐng)先的電力供應(yīng)商，也是歐洲最大的水力發(fā)電商）公司、奧地利電網(wǎng)（APG）公司、奧地利K1-MET（冶金能力中心Metallurgical Competence Center）中心組等。
該項(xiàng)目將建設(shè)世界最大的氫還原中試工廠。西門子公司是質(zhì)子交換膜電解槽的技術(shù)提供方，將為奧鋼聯(lián)位于奧地利林茨市的工廠提供電解能力為6兆瓦的電解槽，氫氣產(chǎn)量為1200立方米/小時(shí)，電解水產(chǎn)氫效率目標(biāo)為80%以上；Verbund公司作為項(xiàng)目協(xié)調(diào)方，將利用可再生能源發(fā)電，同時(shí)提供電網(wǎng)相關(guān)服務(wù)；奧地利電網(wǎng)公司的主要任務(wù)是確保電力平衡供應(yīng)，保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定；奧地利K1-MET中心組將負(fù)責(zé)研發(fā)鋼鐵生產(chǎn)過程中氫氣可替代碳或碳基能源的工序，定量對(duì)比研究電解槽系統(tǒng)與其他方案在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)研究該項(xiàng)目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業(yè)的可復(fù)制性和大規(guī)模應(yīng)用的潛力。
《中國冶金報(bào)》（2019年07月19日 02版二版）
