氢能炼钢哪家强？——世界先进氢能利用项目探析（上）
2019-08-01 17:07:36   来源： ()　   评论：0 点击：

编者按

随着二氧化碳减排压力的增大，氢气还原技术受到了越来越多的重视，迎来了蓬勃发展的机会。在“氢能炼钢”方面，近年来，国外钢铁企业已经进行了一系列探索，取得了一定的进展。尤其是瑞典钢铁HYBRIT（突破性氢能炼铁技术）项目将使钢铁生产过程中的二氧化碳排放量降至近乎于零，有望引发钢铁行业的一场变革。

本版将聚焦当前世界先进的氢能利用项目及技术，分上、下两期进行深入剖析，旨在为中国钢铁工业应对气候变化挑战提供思路，增强钢铁人实现绿色发展的信心。本期将介绍由瑞典钢铁公司发起的HYBRIT项目、由德国萨尔茨吉特钢铁公司发起的SALCOS（萨尔茨吉特低碳炼钢）项目和由奥钢联发起的H2FUTURE项目，下期将对以前述3个项目为代表的欧洲钢企氢能利用项目的技术路径与特点进行详细分析，并对日本和中国的相关项目发展情况进行概述。

康斌

面对《巴黎协定》到2030年和2040年二氧化碳排放量相对1990年分别减排40%和60%的目标，欧洲钢企尤其是长流程钢企如何降低二氧化碳排放强度成为亟待解决的问题。钢企需要从碳输入层面减少钢铁生产过程中的碳使用量（甚至不用碳），在这方面，HYBRIT项目、SALCOS项目和H2FUTURE项目等都是有益的探索。

瑞典钢铁HYBRIT项目

当前，瑞典钢铁公司（SSAB）二氧化碳排放量为600万吨/年，其2025年的减排目标是减少25%，计划在2045年前实现近零排放。瑞典最大的电力与热力供应商——瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）当前的二氧化碳排放量为2300万吨/年，目标是在2030年实现近零排放。瑞典矿业集团（LKAB）计划到2021年吨矿二氧化碳排放量相比2015年下降12%，达到27.4千克。基于上述3家企业大幅降低碳排放的要求，2016年，SSAB、Vattenfall和LKAB联合成立了HYBRIT项目。按照HYBRIT项目计划，2016年~2017年为项目预研阶段，主要工作内容包括评估非化石能源冶炼的潜力，以及二氧化碳的捕集、存储和利用等。

2018年初公布的研究结果表明：按照2017年底的电力、焦炭价格和二氧化碳排放交易价格，HYBRIT项目采用的氢冶金工艺成本比传统高炉冶炼工艺高20%~30%。SSAB采用长流程工艺的吨钢二氧化碳排放量为1600千克（欧洲其他国家的水平约为2000千克~2100千克），电力消耗为5385千瓦时；采用HYBRIT工艺的吨钢二氧化碳排放量仅为25千克，电力消耗为4051千瓦时。

该项目的中试研究阶段为2018年~2024年，示范运行阶段为2025年~2035年。在为期10年的示范运行阶段主要进行运行测试，以确保到2035年实现商业化运行。

HYBRIT项目的工艺流程如图1所示，基本思路是：在高炉生产过程中用氢气取代传统工艺的煤和焦炭（氢气由清洁能源发电产生的电力电解水产生），氢气在较低的温度下对球团矿进行直接还原，产生海绵铁（直接还原铁），并从炉顶排出水蒸气和多余的氢气，水蒸气在冷凝和洗涤后实现循环使用。

HYBRIT项目的研究任务包括：研究可再生能源发电及其对电力系统的影响，寻找有效的可再生能源用于发电，为非化石能源冶炼提供能源，同时降低制氢成本；建设制氢与存储工艺及相关装备，为HYBRIT工艺提供低成本、可靠稳定的氢气，并进行氢气产业链布局；研究氢基直接还原炼铁工艺；研究配套炼钢工艺；研究系统集成、过渡路径和政策等。

萨尔茨吉特SALCOS项目

2019年4月份，在汉诺威工业博览会上，德国萨尔茨吉特钢铁公司（以下简称萨尔茨吉特）与Tenova公司（一家为金属上下游行业提供节能降耗技术解决方案的公司）签署了一份谅解备忘录，旨在继续推进以氢气为还原剂炼铁，从而减少二氧化碳排放的SALCOS项目。

SALCOS项目旨在对原有的高炉-转炉炼钢工艺路线进行逐步改造，把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺路线，同时实现富余氢气的多用途利用。SALCOS项目工艺设想如图2所示。

为实施SALCOS项目，萨尔茨吉特先期策划实施了萨尔茨吉特风电制氢项目（Wind H2），项目思路是采用风力发电，电解水制氢和氧，再将氢气输送给冷轧工序作为还原性气体，将氧气输送给高炉使用。风力发电是与风力发电供应商合作，建设7台总发电能力为30兆瓦的风力发电机，其中3台在萨尔茨吉特的某个厂内。根据项目计划，第一步是建设质子交换膜电解槽，电解制氢能力为400标准立方米/小时，蒸馏水来自于钢厂水净化设施；第二步是将风力发电场电力输送到电解水工厂。风力发电、制氢工厂建设投资总额约为5000万欧元，制氢工厂将在2020年投用，在此基础上再研究利用其他清洁能源发电。在这一项目中，林德（Linde）公司负责氢气运输，运输方式主要以汽车储气罐运输为主。

萨尔茨吉特于2016年4月份正式启动了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，绿色工业制氢）项目，采用可逆式固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，并将多余的氢气储存起来。当风能（或其他可再生能源）波动时，电解槽转变成燃料电池，向电网供电，平衡电力需求。2017年5月份，该系统安装了1500组固体氧化物电解槽，于2018年1月份完成了系统工业化环境运行，2019年1月份完成了连续2000个小时的系统测试。今年2月份，GrInHy1.0项目完成。

2019年1月份，萨尔茨吉特开展了GrInHy2.0项目。GrInHy2.0项目的显著特点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道工序，如作为冷轧退火的还原气体。GrInHy2.0项目设想如图3所示。

GrInHy2.0项目重点设备及环节：

高温电解槽：GrInHy2.0项目将首次在工业环境中采用标称输入功率为720千瓦的高温电解槽。其目标是连续不间断运行7000小时，电解效率达到80%以上。同时，当可再生能源不足时，平时存储的氢气可将高温电解槽作为固体氧化物燃料电池用于发电。预计到2022年底，该高温电解槽将至少运行13000小时，总共产生约100吨的高纯度（99.98%）氢气。

为此，萨尔茨吉特将与德国Sunfire公司共同建设和运营世界上最大的高温电解槽，其中德国Sunfire公司将提供水蒸气或高温、电解核心元素相关技术设备，用于电解水生产氢气。

氢气压缩与干燥装置：由Paul Wurth公司提供。

氢气运输：萨尔茨吉特Flachstahl厂将负责将氢气输送到工厂内部的能源使用网络。

奥钢联H2FUTURE项目

2017年初，由奥钢联发起的H2FUTURE项目旨在通过研发突破性的氢气替代焦炭冶炼技术，降低钢铁生产过程中的二氧化碳排放，最终目标是到2050年减少80%的二氧化碳排放。图4显示了H2FUTURE项目的氢能产业链。

H2FUTURE项目的成员单位包括奥钢联、西门子、Verbund（奥地利领先的电力供应商，也是欧洲最大的水力发电商）公司、奥地利电网（APG）公司、奥地利K1-MET（冶金能力中心Metallurgical Competence Center）中心组等。

该项目将建设世界最大的氢还原中试工厂。西门子公司是质子交换膜电解槽的技术提供方，将为奥钢联位于奥地利林茨市的工厂提供电解能力为6兆瓦的电解槽，氢气产量为1200立方米/小时，电解水产氢效率目标为80%以上；Verbund公司作为项目协调方，将利用可再生能源发电，同时提供电网相关服务；奥地利电网公司的主要任务是确保电力平衡供应，保障电网频率稳定；奥地利K1-MET中心组将负责研发钢铁生产过程中氢气可替代碳或碳基能源的工序，定量对比研究电解槽系统与其他方案在钢铁行业应用的技术可行性和经济性，同时研究该项目在欧洲甚至是全球钢铁行业的可复制性和大规模应用的潜力。