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走向“氫氣煉鋼”的未來
發布時間:2018-10-16     閱讀:520 次     來源:中國冶金報 中國冶金報社

 鋼鐵工業二氧化碳排放量占全球工業二氧化碳排放量的三分之一,這迫使其向更可持續的生產模式轉變。近期,瑞典鋼鐵公司(SSAB)、瑞典大瀑布電力公司(Vattenfall)和瑞典礦業集團(LKAB)聯合創立的非化石能源鋼鐵項目HYBRIT獲得了瑞典能源署5.28億瑞典克朗(約合5801萬美元)的資金支持。

 瑞典能源署向HYBRIT項目提供的資助資金主要涵蓋兩個子項目。一是利用氫氣直接還原進行鋼鐵生產初步研究項目。該研究項目的目標是開發出一種以純氫氣為球團礦生產海綿鐵的還原劑的技術(圖1是傳統高爐工藝和HYBRIT工藝的比較)。二是球團、燒結工藝的非化石能源加熱初步研究項目。該研究項目有著雙重目標,即在減少現有球團廠的溫室氣體排放的同時,設計出一種全新的造塊工藝。

 HYBRIT項目有望使瑞典二氧化碳排放總量減少10%,使芬蘭二氧化碳排放總量減少7%,將對瑞典實現《巴黎協定》目標起到至關重要的作用。同時,該項目可有效提升瑞典鋼鐵工業整體競爭力,並有助於綠色能源體係的建立。


圖1 傳統高爐工藝和HYBRIT工藝生產鐵水和海綿鐵的流程對比

實現環境可持續性是下一步鋼鐵工業轉型的主要目標

    對於正處於轉型升級關鍵階段的鋼鐵工業來說,提高能源利用效率、采用低碳生產流程、最大程度地實現能源回收利用是當前及未來一段時間的重中之重。

很多人認為,鋼鐵工業難以應對大規模轉型帶來的挑戰。這主要是由於鋼鐵工業屬於能源和資本密集型行業,進入壁壘較高,技術創新既危險又昂貴。鋼鐵工業用平爐煉鋼技術進行鋼鐵生產的時間長達50年,直到20世紀50年代,由奧地利人開發的堿性氧氣轉爐投入市場,才促使鋼鐵工業向生產效率更高、利潤更豐厚的生產方式轉型。如今,鋼鐵工業正處於另一次技術轉型的關鍵時期。這一次轉型不僅要提高生產能力和盈利能力,而且要滿足環境的可持續性的需要。

HYBRIT項目將進入中試階段

對於瑞典來說,在鋼鐵工業大規模地采用基於氫氣的直接還原技術是可以實現的。首先,根據該技術的原理,鋼企需要大量的電力來產生氫氣,而瑞典具備較高的非化石能源發電能力,因此並不需要大量進口煤炭。其次,該技術與瑞典政府逐步淘汰煤炭消費的預期相吻合,因此得到了來自政府和社會的廣泛支持。

SSAB、Vattenfall、LKAB將在瑞典呂勒奧建設一座HYBRIT項目的中試工廠,進行一係列非化石能源鋼鐵生產試驗。該廠將主要采用氫氣替代煤炭作為還原劑,副產物是水,而非二氧化碳。該廠計劃於2020年之前建成,目前已經完成了奠基儀式。HYBRIT項目的中試階段預計將花費14億瑞典克朗(約合1.53億美元),用於建設中試工廠和進行後期的科學研究。瑞典能源署提供的5.28億瑞典克朗資金支持約占總支出的37%,其餘63%(約8.7億瑞典克朗,約合9559萬美元)由SSAB、LKAB和Vattenfall共同出資。

中試工廠的試驗對於證實小規模實驗室的結論是非常必要的,因為其更接近於未來的工業化生產流程。借助中試工廠,可以更為清晰地理解交互聯係的工業體係中出現的各類狀況,並通過進一步的優化改進實現高效清潔生產。

要實現非化石能源鋼鐵生產,應建設能效更高的新型球團廠,這也是LKAB接下來的主要任務之一,即開發無碳直接還原球團礦。SSAB的目標是在2045年之前實現非化石能源煉鋼;Vattenfall則將借助非化石能源產生的電力大量生產氫氣,從而顯著減少溫室氣體的排放。

從2024年開始,HYBRIT項目將從中試階段轉向實證階段,計劃實證階段將為2025年~2035年。在這一階段,HYBRIT項目將進行小規模的工業生產,並在2035年之前完成非化石能源鋼鐵生產工藝的研發工作。

“氫氣煉鋼”是鋼鐵工業當前已知的最佳減排技術

“氫氣煉鋼”是鋼鐵工業當前已知的最佳減排技術。業內一位專家表示:“除了通過基於氫氣的直接還原技術和碳捕獲與封存技術實現減排以外,關於減少鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放,當前沒有更多的方式。預計到2045年~2050年,鋼鐵生產仍將以鐵礦石為主要原材料。因此,天天干夜夜射需要研發出一種可以實現大規模減排的技術。目前來看,通過基於氫氣的直接還原技術實現減排或許是鋼鐵工業已知的最佳方案,而碳捕獲與封存技術屬於末端解決方案,並沒有從根源上解決問題。通過將廢鋼作為鋼鐵生產原材料來實現減排則麵臨著廢鋼供給不足、用廢鋼生產出的鋼材質量不夠高等問題。此外,以天然氣作為還原劑進行鋼鐵生產在減排方麵有局限,且天然氣的獲取在政治上存在著一定的複雜性。”

盡管基於氫氣的直接還原技術是當前鋼鐵工業減少二氧化碳排放潛力最大的一項技術,但是,向這種生產方式轉變的路徑既不容易,也不明晰。


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