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氢冶金技术路线
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2023/11/16 14:12:51 阅读:73次 【字体:
 

氢冶金技术路线
一、氢冶金技术路线特点及优劣势
  (1)富氢高炉冶炼技术
  富氢高炉冶炼技术是通过喷吹焦炉煤气、天然气或氢气等,以替代煤粉和部分焦炭的热源和还原剂作用,减少高炉碳排放。由于焦炭骨架作用的不可替代性,富氢高炉冶炼的碳减排潜力受到限制,一般认为单独富氢方式的碳减排潜力为10%~20%。但在国内90%左右生铁来自高炉—转炉长流程的背景下,为避免工艺转型过程造成现有资产的大幅减值损失,富氢高炉在实现碳达峰、碳中和目标的过渡时期具有重要推广意义。
  与传统高炉冶炼相比,高炉富氢将增加煤气中水蒸气含量,对焦炭气化反应行为产生不利影响。由于富氢使焦比降低、煤气成分变化,对烧结矿、球团矿等入炉原料的强度、粒度、熔滴性及低温还原粉化率、还原性等冶金性能指标提出了更高的要求。目前,高炉富氢对焦炭的置换比在0.3左右,在经济性和降低工序能耗方面还有所不足。未来,只有利用存量高炉大修机会,对炉身进行改造,通过炉身、风口喷入富氢气体,进一步将置换比提升至0.5以上,高炉富氢才可能体现出节能降碳的比较优势。
  (2)氢基竖炉直接还原技术
  以天然气为气源的传统竖炉直接还原技术在国外已成熟并广泛应用,形成MIDREX、ENERGIRON及PERED三种工艺与装备,实现了利用含氢50%~70%的还原气生产海绵铁(DRI)。据统计,2022年世界DRI产量达到1.27亿吨,其中约70%低碳DRI是通过竖炉方式生产的,已成为全球钢铁冶炼工艺重要组成部分。氢基竖炉直接还原技术是以竖炉装备为基础,采用高比例富氢或纯氢气体为还原剂,以高品位球团矿、块矿为原料,通过气—固直接还原方式生产固态海绵铁。国内钢铁企业创新开发基于富氢焦炉煤气的竖炉直接还原工艺,焦炉煤气经过煤气净化、气体重整后得到富氢还原气,再参与反应生产低碳DRI产品,充分发挥了我国焦化副产氢资源优势。
  使用天然气/焦炉煤气竖炉直接还原工艺,吨产品碳排放量为0.6吨~0.7吨,若进一步考虑电炉环节碳排放,则吨钢碳排放量为1吨~1.2吨,较传统长流程工艺碳排放量减少40%~50%,若能够实现稳定全绿氢供应,理论上可以实现全氢零碳冶炼。在单套规模上,竖炉装备最大生产能力为250万吨/年,接近3000立方米高炉生产能力,符合钢铁生产规模化、高效化要求。环保上,由于完全避免使用焦炭、烧结矿,富氢气体或纯氢气体经净化后含硫量极低,相应冶炼环节大气污染物排放量远低于高炉长流程。但该技术需要使用高品位铁矿石资源作为原料,而全球都面临着优质高品位铁矿石资源匮乏的问题,并且高比例氢气的使用,对氢气加热炉装备制造、加热方式及用氢安全性均提出更高要求。
  (3)基于流化床的氢基直接还原技术
  流化床是一种有效直接还原粉铁矿的工艺装置,基于流化床的氢基直接还原技术是氢冶金研发的重要技术路线,典型工艺主要有FINMET和Circored工艺。
  FINMET生产装置由4级流化床顺次串联,逐级预热和还原粉铁矿原料,还原煤气是流化床炉顶煤气和天然气重整气体的混合气。
  Circored工艺以天然气制氢为还原剂,在流化床设备中还原粉铁矿生产海绵铁,流化床反应器包括一级预热循环流化床、二级预还原循环流化床与三级终还原卧式鼓泡流化床,流化床内温度为630摄氏度~650摄氏度。
  当前传统高炉及氢基竖炉使用铁原料均需要高温造块,增加能耗和大气污染物排放,基于流化床的氢基直接还原则完全以铁矿粉为原料,不再需要对矿粉进行造块。但该技术存在要求使用高品位铁矿石、产品较高的金属化率易造成黏结失流及单位产品能耗高于氢基竖炉等不足之处。受流化床工艺控制难度大、能量利用率和生产率低、生产成本高、缺乏市场竞争力等多因素影响,全球多个基于天然气的流化床直接还原工业化项目均未能长期有效运行。
  (4)富氢熔融还原技术

  富氢熔融还原技术是在传统煤基熔融还原技术基础上的创新,将氢冶金与“熔融还原”相结合,以HIsmelt、HIsarna等煤基熔融还原工艺为基础,通过喷吹富氢气体替代煤炭,降低碳排放量,实现绿色冶金。该技术可以使用传统高炉流程用铁矿粉,无需焦化、烧结等高污染工序,大幅度降低污染物排放。未来高比例富氢或全氢的熔融还原技术若开发成熟并实现规模化应用,可以摆脱目前发展氢基直接还原技术所面临的优质铁矿石资源匮乏的限制。
二、国内外氢冶金技术进展
  (1)富氢高炉冶炼技术
  国内,宝钢股份于2020年进行了复合喷吹天然气的生产试验,吨铁喷吹量达到60标准立方米~65标准立方米,试验中一氧化碳利用率保持在49%,氢气利用率达到43%,燃料比由492千克/吨下降至440千克/吨,降幅为10%左右。晋南钢铁2座1860立方米高炉开展风口喷吹焦炉煤气和工业副产氢气的研发、设计和工业化应用,实现了吨铁焦炉煤气喷吹量为65标准立方米,高炉燃料比平均降低32千克/吨,吨铁碳排放量降低80千克左右,取得了较好的经济、社会、环境和降碳效果。宝武八钢创新研发了富氢碳循环氧气高炉技术,建设400立方米富氢碳循环氧气高炉工业实验平台,完成从35%富氧、50%超高富氧到100%全氧冶炼工况条件下的喷吹脱碳煤气和富氢冶炼的工业化生产试验,实现了化石燃料消耗降低30%、碳减排21%的阶段性目标,其2500立方米HyCROF(富氢碳循环氧气高炉)商业化示范项目也于今年9月底建成并正式点火投运,预计将实现年减排二氧化碳100万吨。
  国外,蒂森克虏伯于2019年正式将氢气注入杜伊斯堡厂9号高炉进行氢炼铁试验,此后逐步将氢气的使用范围扩展到高炉全部28个风口,最终目标是在杜伊斯堡地区3座高炉都喷吹氢气,实现碳减排19%~20%。安赛乐米塔尔公司分别在德国不莱梅厂和法国敦刻尔克厂的高炉上开展了纯氢或富氢气体喷吹。日本则于2008年启动COURSE50项目研究,开发将焦炉改质煤气作为还原剂喷吹进高炉的富氢还原技术及碳捕集技术,于2016年进行了第一次试验,研发了氢还原效果最大化的操作技术,基本实现碳减排9.4%,2023年2月份日本制铁决定启动该技术在实际高炉中的试验,计划于2026年在君津厂2号4500立方米高炉开展工业化试验。

  (2)氢基竖炉直接还原技术
  “十四五”期间,中国宝武、河钢集团、中晋冶金、中国钢研等一批国内钢铁企业围绕氢基竖炉技术开展工业示范。河钢集团120万吨氢冶金示范工程一期60万吨项目已投产运行4个月,采用基于焦炉煤气零重整竖炉直接还原技术,产品质量指标达到设计要求,比同等高炉长流程每年可减少碳排放80万吨,减排比例达70%。湛江钢铁百万吨氢基竖炉于2022年2月份开建,预计于2023年底建成,投产后对比传统铁前全流程高炉炼铁工艺同等规模铁水产量,每年可减少碳排放50万吨以上,项目主要以焦炉煤气和天然气为氢源。中国钢研开发具有自主知识产权的纯氢冶金技术,于2022年在山东临沂临港建设万吨级纯氢冶金技术开发中试基地,现阶段正开展试验。
  国外钢铁企业也积极推进氢基竖炉直接还原研发与示范应用,瑞典钢铁开展HYBRIT无化石能源炼钢项目,采用全绿氢竖炉+电炉的技术路线来实现零碳目标,目前正处于中试阶段,计划在2026年—2030年完成商业化应用。安赛乐米塔尔致力于纯氢冶炼技术研发,建设10万吨/年纯氢竖炉中试厂,并计划于2025年、2026年分别在西班牙、加拿大建设氢基竖炉+电炉流程的零碳工厂。德国萨尔茨吉特公司建设试验规模为100千克/时的μDRAL绿氢中试示范工厂,计划于2033年完成萨尔茨吉特工厂的低碳改造,二氧化碳总量降低约95%。同时,塔塔钢铁、日本神户制钢、蒂森钢铁也规划或正在开展氢基竖炉工程项目,逐步降低现有高碳排放的传统高炉生产流程占比。
  (3)基于流化床反应器的氢直接还原工艺
  围绕流化床直接还原工艺,中科院过程工程所多年来持续推进针对普通铁矿、钒钛磁铁矿的流化床直接还原工艺技术和关键装备的研发,于2014年建立2000吨/年钒钛磁铁矿直接还原—电炉熔分示范装置,实现了7天连续热态稳定运行;2022年联合鞍钢集团、上海大学等单位合作建设全球首套年产1万吨直接还原铁的流化床绿氢直接还原示范装置,计划于2024年前投入运行,并在此基础上优化形成年产50万吨直接还原铁的流化床氢气直接还原工艺包。

  国外针对流化床的氢基直接还原研究也在持续开展。美卓奥图泰公司于1999年投运1座年产50万吨的Circored工业生产装置,至2001年共生产了超过30万吨的高质量热压块海绵铁,目前该厂归安赛乐米塔尔公司所有,自2015年以来一直处于闲置状态。普锐特冶金在原FINMET流化床经验基础上,正在研发HYFOR(氢基粉矿还还原)流化床还原技术,在奥钢联钢铁公司投运一座中试试验厂,作为该技术研发平台。韩国浦项依托FINEX流化床反应器设计运行经验优势,正在开发HyREX技术,高炉使用普通铁矿粉作为原料,通过流化床还原后的矿粉经热压块进入熔融气化炉(远期采用电熔分炉)熔分得到铁水,期望突破传统直接还原对高品质矿石资源的要求限制。据悉该技术目前仍处于试验研究阶段,计划2025年—2028年完成中试,2030年以后进行商业化推广。
  (4)富氢熔融还原技术
  该技术是国内建龙集团正在研发的氢冶金新技术,基于富氢冶金理念的全球首套工业化熔融还原项目于2021年4月份投产,该项目将通过3步(煤+焦炉煤气熔融还原、全焦炉煤气熔融还原、纯氢熔融还原)走,实现富氢冶金、全氢冶金。目前,该项目处于第一步的煤+焦炉煤气富氢熔融还原示范阶段。国外则主要是科研机构、企业正在开展氢等离子体熔融还原技术(HPSR)的实验室研究,其中奥钢联在多纳维茨的工厂建设熔融还原试验装置来开展基础研究,暂未开展工业化示范项目建设及运营。
三、现阶段氢冶金面临的难题
  (1)全球高品位铁矿石资源匮乏
  得到行业普遍认可的氢基直接还原+电炉炼钢的近零碳流程,需要使用优质高品位铁矿石资源(含铁67%以上)。根据美国地质调查局2023年数据,全球铁矿石储量约为1800亿吨,其中铁含量为850亿吨,但全球铁矿资源分布不均衡,富矿资源主要集中在南半球的澳大利亚、巴西、印度、南非、伊朗等国家,原矿采出品位基本在50%以上,但铁矿产品以粉矿为主,且品位基本在67%以下。按铁矿石资源储量,我国居世界第四位,但铁矿石含铁品位平均仅为34.5%,贫矿占全部铁矿石资源储量的98.8%,绝大部分铁矿石须经过选矿富集后才能使用,产品以传统高炉用铁精矿为主,67%以上优质高品位铁矿石仍然较少。此外未来随着铁矿开采不断推进,全球高品位优质铁矿石资源还将不断减少。基于氢基直接还原+电炉炼钢的近零碳流程产业化面临着铁矿石资源保障难度大的问题,为推进低品位铁矿石资源在氢基直接还原工艺中应用,各国研究机构及部分企业提出氢基直接还原+电熔分炉(ESF)+转炉炼钢的创新技术路线,但还处于研发过程中,其经济性有待验证。
  (2)氢冶金耗氢量大,氢能资源保障难度大
  按照氢基竖炉直接还原吨铁消耗氢气900标准立方米计算,百万吨级氢基直接还原项目年消耗氢气9亿标准立方米,折合年消耗氢气8.2万吨,若全国全氢竖炉冶炼实现1亿吨规模,需增加氢气制取能力至少820万吨。根据中国氢能联盟研究院与石油和化学工业规划院统计,我国氢气年产量约为3300万吨,电解水制氢规模占比仅为2%,化石能源制氢均为配套合成氨、甲醇、石油化工等项目而被直接利用,电解水制氢则主要配套浮法玻璃、电子、交通运输等领域。虽然我国制氢规模较大,但现阶段可用于氢冶金的清洁低碳氢资源少。

  现阶段我国钢铁行业发展氢冶金最易获得的氢源是焦化副产焦炉煤气,每年外供焦炉煤气资源量约为900亿立方米~1000亿立方米,但基本作为钢铁生产燃料、发电或生产化工产品利用,在无明显经济效益优势的情形下,难以促使焦化企业放弃原有的焦炉煤气综合利用设施而建设新的氢冶金生产线。
  (3)制氢成本高、经济性差
  发展氢冶金需要有低成本的氢能作为基础保障。现阶段可再生能源电解水制绿氢成本在2元/标准立方米~3元/标准立方米,每生产1吨DRI使用氢气成本达到1800元~2700元,而传统高炉冶炼吨铁燃料成本在1000元左右,单纯能源成本就增加800元~1700元;氢基直接还原使用含铁67%以上高品位铁矿石原料成本也高于高炉用普通铁矿石原料,DRI产品用于电炉炼钢,吨钢电耗在400千瓦时~500千瓦时,其能源成本高于转炉炼钢能源成本。总体来看,氢气成本、铁矿石原料成本及电炉炼钢环节成本增加是影响氢冶金+电炉炼钢近零碳流程经济性的主要限制因素。
  (4)技术研发方面存在较多难点
  氢冶金的发展需要制—储—用3个环节协同推进,并兼顾每个环节的经济性、低碳性和安全性。一是绿氢的大规模、低成本制备技术障碍需要突破;二是氢还原为强吸热反应,需研究解决热平衡问题及配套装备参数优化,氢冶金涉及到竖炉、流化床主要装备还未成熟,尤其竖炉装备现阶段仍以引进国外技术为主;三是可再生能源受制于风或光等外部资源变化,波动性较大,如何与制氢、冶金连续稳定生产相结合是重点攻关方向;四是解决氢能的安全使用问题,氢能使用对加热装备和反应器的耐高温、耐高压、防泄漏、耐氢蚀性及安全存储输送等带来巨大挑战。
四、氢冶金发展前景及建议
  (1)发展前景
  “十四五”期间,我国氢冶金技术以中试及工业示范为主。基于焦炉煤气的竖炉直接还原技术和富氢高炉冶炼技术将趋于成熟,工业化应用经验及装备国产化技术能力将大幅提升。预计2025年基于焦炉煤气的竖炉直接还原炼铁规模达到300万吨~400万吨,在区域电价、煤气价格具有优势情况下,直接还原铁/废钢+电炉冶炼工艺生产优特钢及高附加值出口钢材将在有需求的龙头企业内得到示范应用。在该阶段绿氢价格难以大幅下降,应用于冶金工艺将大幅增加产品成本,还不具备成本优势。
  “十五五”期间,基于焦炉煤气的竖炉直接还原技术预计在煤气资源丰富的地区或企业得到进一步推广应用,生产高附加值低碳钢材产品及应对欧盟碳关税限制,预计到2030年基于富氢焦炉煤气的直接还原铁规模将能达到700万吨~900万吨,基于流化床反应器的氢还原铁技术预计将得到攻关突破。在此阶段,预计绿氢成本仍较高、不具备竞争优势,难以实现规模化工业应用。
  2035年后,上述氢冶金技术将不断趋于成熟,核心技术装备实现国产化,应用规模持续扩大,并且随着可再生能源制氢资源不断丰富、成本下降及碳排放成本增加,绿氢将在氢冶金工艺中得到工业应用。
  (2)发展建议
  国家层面,应加强氢冶金顶层设计。我国氢冶金技术的研发需要国家层面的战略规划和定位,编制出台可行的氢冶金发展战略规划、氢冶金实施方案、氢冶金技术路线图等,制定氢能在钢铁等工业领域的应用标准,逐步构建氢冶金标准体系。建议协调国家有关部门及地方制定专项政策,对于行业重大和突破性氢冶金低碳共性技术,在产能置换、产量、能耗总量控制、污染物排放指标等方面给予一定的政策支持。将降碳潜力大的氢冶金技术纳入绿色金融、转型金融、绿色信贷支持范围内,并在财政、税收、信贷上给予支持,推进先进氢冶金示范项目建设及有效运营。
  行业层面,聚焦先进低碳冶金共性技术,建立行业重点攻关创新技术目录。集聚行业企业、科研机构优势创新资源,布局开展前瞻性、系统性、战略性新技术研发项目,使我国低碳冶金技术创新达到国际领先水平。搭建多方参与的低碳冶金创新平台,共同开展低碳冶金共性技术研发,培育壮大以企业为主体的低碳创新生力军,构建低碳冶金技术创新体系,提高行业科技创新策源能力。
  企业层面,稳步审慎推进氢冶金项目建设。当前,低成本制取绿氢、储氢等关键技术还未实现重大突破,具有经济性和低碳性的氢冶金技术路线还未成熟,金融、财税等相关支持政策还不完善,建议钢铁企业在投资前做好项目技术调研、经济分析、投资风险评估等基础论证工作。冶金企业加强与制氢装备企业合作,共同推进制氢—氢冶金两大行业实现能源稳定供应,增强技术装备开发和设施运营的一致性、互融性,积极布局掌控全球优质铁矿石资源,增强自身发展氢冶金的资源保障能力。
来源:中国钢铁工业协会

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