专家议三大国际钢铁公司氢冶金路线
2022-06-13 09:00:41   来源： ()　   评论：0 点击：

一、蒂森克虏伯

1 碳中和目标

2019年蒂森克虏伯排放CO22300万吨，相当于整个德国排放总量的3%。蒂森钢铁（Thyssenkrupp Steel）是其中最主要的排放单元，其气候战略分两个阶段：2030年，生产流程以及能源采购过程中碳排放总量减少30%（以2018 年为基准）；2045年，实现碳中和。蒂森钢铁提出两条技术路线，一是tkH2Steel®，即氢冶金路线；二是Carbon2Chem® 工程，将钢厂废气转化为化学工业基础化学品，进一步用于制造肥料、塑料或燃料等。

2 氢冶金路线

蒂森钢铁杜伊斯堡厂采用长流程工艺，现有4座高炉，分别为1#3844m3、2#4769 m3、8#1303m3和9#1833 m3，其氢冶金发展路线分为4个阶段：

2019年起，实施高炉喷氢。2019年以来，在正常运行的9#高炉上已完成氢气利用相关测试，后续目标是向9#高炉全部28个风口喷入氢气。

2025年起，建设首座DR+SAF设施。建设一座大型竖炉直接还原厂生产DRI，配套新建一个创新型的、利用电能的熔炼单元（SAF）以熔化DRI生产铁水。关于直接还原用还原气体，先期采用天然气过渡，之后将采用绿氢；关于铁水去向，用于现有氧气炼钢厂。此阶段将退出第一座高炉。

2029年起，扩大生产规模。建设第二座更大规模的直接还原厂及熔炼炉，退出第二座高炉。

2045年起，实现碳中和。建成四座直接还原厂及4座熔炼炉，淘汰全部4座高炉，钢铁生产实现碳中和。

3 相关技术情况

一是关于高炉喷吹氢气。第一步试验开始于2019年11月11日，针对杜伊斯堡9#1833m3高炉，氢气通过其中某一风口喷入炉内。氢气由Air Liquide 公司通过气罐车输送。现已完成相关试验，试验团队获得大量有价数据，包括氢气喷枪在高炉中位置、流量和压力等。试验期间实现了每小时喷吹约1000m3的目标。第二步试验已于2022年启动。氢气喷吹将逐步扩大至所有28个风口。氢气将由Air Liquide公司的氢气管网提供。在此阶段采用氢气代替煤粉喷吹，有可能将碳排放量减少20%以上。该技术由德国联邦经济和技术部资助，其目的是将技术转移到大规模工业应用。

二是关于氢气直接还原。目前正在进行一系列试验，其中，如何喷入氢气以实现氢与铁矿石中的氧高效反应是其中关键问题。高炉喷吹氢气同样面临此问题。另外，由于在近期不会大量供应碳中性的氢气，天然气将作为权宜之计，但与煤基高炉路线相比，这已经显著减少碳排放。第一个大型直接还原厂将于2025年在蒂森钢铁投入运营。

三是关于生产系统融合。直接还原厂将被整合进现有生产流程。与高炉相比，直接还原厂生产固体DRI而非铁水。为实现进一步冶炼加工，需将DRI熔化成类似铁水的产品。蒂森钢铁联合开发了一个全新设施以优化铁水系统。该设施是一个利用电能的熔炼单元，与 直接还原设施结合。配套有熔炼设施的直接还原厂——像高炉一样——可连续生产普通铁水，以供应转炉炼钢车间。因此，新生产设施可以与现有生产厂无缝衔接。该技术最大优势是可以保持现有转炉炼钢工艺路线，杜伊斯堡厂可以像过去一样炼钢——但用氢和绿色能源代替了煤炭。

二、日本制铁

1 碳中和目标

日本制铁碳减排愿景规划为两个阶段：2030年，碳排放量减少30%以上（相对于2013年），主要措施包括：在现有高炉流程中实施COURSE50，减少现有工艺中的碳排放，建立高效的生产架构；2050年，实现碳中和，主要措施包括：采用大型电炉大规模生产高等级钢，实现氢冶金（Supor-COURSE50高炉，全氢直接还原），采用CCUS和其他碳补偿措施等。

2 氢冶金路线

日本制铁氢冶金包括高炉喷吹氢气和全氢直接还原+高炉/电弧炉熔化两条并行的技术路线。

3 相关技术情况

（1）高炉喷吹氢气（COURSE50和Super COURSE50）

COURSE50 高炉和Super COURSE50 高炉是在现有高炉基础上改造而成，采用氢气和DRI替代部分焦煤和铁矿。COURSE50 高炉，通过部分喷吹来自企业内部的氢气（如焦炉煤气），可实现30%减排量，其中，10%来自氢气作用，20%来自CCS。Super COURSE50 高炉，通过最大化地喷吹来自外部的氢气，配合CCS/CCUS，可实现碳中和。COURSE50为日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)委托项目。

高炉喷吹氢气存在的技术挑战：①碳还原是放热反应，氢还原是吸热反应，喷吹氢气将导致炉内温度降低。大量喷吹氢气需对氢气进行预热，相关技术有待开发。②减少焦炭、增大氢气喷入量后，炉内气体渗透性将降低，导致炉内反应恶化，同时，与高温气体接触减少，不易熔化。在操作上，要确保最大的气体渗透性，保证在降低焦比后可实现稳定的反应和熔化。③在大型高炉中大量喷入氢气后，还面临如何解决气体均匀分布、热量均匀分布、矿石粘着和熔体流动等系列技术问题。由于难以提供具有经济效益的氢气，目前日本还没有向高炉喷吹氢气的案例。

（2）全氢直接还原

世界多地运行有以甲烷（天然气）为还原气的DRI竖炉生产设施，但由于天然气价格原因，日本并没有此类设施。由于甲烷含碳，此工艺仍会产生一定CO2排放。全氢直接还原的目标是100%以氢气为还原剂，再利用高炉或电弧炉进行熔化。目前这种工艺仍存在一些技术问题。如，氢气需预热至足够温度以保证还原反应发生；竖炉内还原过程中，低温环境下球团易发生粉化，而下部预热的高温氢气易导致DRI粘结。

三、POSCO

1 碳中和目标

POSCO碳中和目标是以2017-2019年碳排放量平均值为基准：2030年，减少20%；2040年，减少50%；2050年，实现碳中和。POSCO低碳战略包括三部分：绿色工艺、绿色产品、绿色伙伴。其中，绿色工艺主要技术措施包括：①减碳阶段I，推进生产数字化、智能化，推进设备现代化和合理化以提高能源效率，此类措施预计实现10%减排量。②减碳阶段II，一是强化废钢用量，包括降低转炉铁水比至70%、新建电弧炉、增加炼铁过程直接利用等，其中，低铁水比技术预计实现10%减排量，炼铁直接利用废钢预计实现5%减排量；二是部分采用氢还原技术，即高炉和FINEX喷吹焦炉煤气、FINEX煤气等富氢气体，以及喷吹来自天然气重整的氢气和绿氢等，预计可实现10%减排量。③碳中和阶段，采用氢气直接还原零碳炼钢技术——HyREX。POSCO将在2050年前将浦项厂和光阳厂的高炉分阶段转为氢还原炼钢，以实现净零排放。

2 氢冶金路线

POSCO氢冶金路线总体分两个阶段，碳减排阶段以高炉和FINEX喷吹富氢气体或绿氢为主，碳中和阶段以HyREX技术为主。

3 HyREX技术相关情况

HyREX是一种使用铁矿粉和氢气生产钢水的炼钢工艺，基于FINEX技术开发。流化床还原反应器是HyREX工艺的核心装备。与竖炉直接还原相比，①原料不同。HyREX采用铁矿粉，竖炉采用球团。②原料与氢气的接触方式不同。在流化床还原反应器中，高温氢气通过反应器底部的多孔格栅均匀分布，使铁矿粉流化，与铁矿粉混合发生还原反应；在竖炉内，高温氢气自下而上通过球团间的空隙，在此过程与球团发生还原反应。③CO2排放不同。竖炉工艺所需的球团在制造过程会产生一定碳排放，HyREX不存在此排放问题。POSCO将与韩国政府和韩国钢铁公司合作，计划于2028年在浦项厂建设年产100万吨的试验设施，以验证HyREX技术商业化的可行性。

四、结论与建议

蒂森钢铁氢冶金路线是由高炉喷吹氢气逐渐发展为氢气竖炉直接还原（DR）+熔炼（SAF），显著特点是DR+SAF工艺生产铁水，供应转炉炼钢车间。日本制铁氢冶金路线为高炉喷吹氢气（COURSE50高炉、Super COURSE50 高炉）和全氢直接还原+高炉/电弧炉熔化两条并行的技术路线，显著特点是高炉的不断演进。POSCO氢冶金路线是碳减排阶段以高炉和FINEX喷吹富氢气体或绿氢为主，碳中和阶段以HyREX技术为主，显著特点是HyREX技术，即以铁矿粉为原料、氢气为还原剂的流化床直接还原工艺。三大公司氢冶金路线的共同点体现在高炉喷吹氢气或富氢气体；另外，上述各项氢冶金技术的研发过程均获得所在国政府支持。

结合各自实际，相关国家钢铁领域的龙头企业均在探索、布局氢冶金。我国钢铁工业以长流程为主，产能规模庞大，要科学有序推进我国氢冶金发展，不冒进、不冲锋。近日，冶金工业信息标准研究院院长张龙强指出，基于高炉一代炉役综合研判，我国氢冶金规模化发展的时机预计在2040年前后。因此，未来十年将是我国氢冶金逐步走向工程化、产业化的关键期，一是建议尽快组织实施氢冶金专项，引导社会各类资本积极参与，推动我国氢冶金领域技术进步；二是建议加快推进氢冶金标准研发，不断健全完善标准体系，加快新技术产业化步伐；三是建议钢铁行业企业立足实际，瞄准碳中和方向，科学规划氢冶金发展路线。

世界金属导报社社长助理 任江涛