幾大趨勢正推動社會以可持續(xù)經濟模式發(fā)展。就煉鋼等高能耗行業(yè)而言，向氣候中性方向邁進，意味著要大力投資使用替代原料的新工業(yè)流程。在這種情況下，T公司特別關注了以氫為基礎的解決方案，開發(fā)出能夠顯著降低鋼鐵生產能耗及其環(huán)境足跡的技術，并對其不斷改進。本文概述了處于煉鋼創(chuàng)新最前沿的SALCOS和HYBRIT項目以及氣基還原過程在這些創(chuàng)新路線中的作用。
1、為什么氫是革命性的
從無碳電能生產氫——我們稱之為綠色氫——只是正在進行的能源生產革命以及從舊的燃料-能源模式向能源-燃料模式轉變的冰山一角。
對可再生能源生產的研發(fā)投資，既解決了全球范圍內的溫度上升問題，也解決了更多的局部污染和環(huán)境問題，導致了一系列能夠降低綠色電力成本的技術的開發(fā)。然而，這樣的解決方案往往會導致電力生產不穩(wěn)定，無法滿足需求。因此需要以多種形式儲存能量，如水泵、電池，以及非常方便的燃料。
當今社會對燃料的運輸和使用已經得心應手，而燃料是最耗能和最穩(wěn)定的能源儲存方式。氫是一種能量載體：它是一種燃料，可以很容易地轉化為電力，再轉化為燃料，燃燒時產生水。
這，就是氫氣革命。
2、對熔爐市場的影響
T公司已開發(fā)出多種節(jié)約和回收能源的技術?？梢詮呐欧艩t氣中回收能量，并將其轉化為熱能，用于裝料（預熱）、蒸汽處理；外部應用；或者作為其他用途燃料或電能。推廣使用這些技術最重要的一個因素就是在許多情況下，需要對它們進行補貼，以使其具有經濟意義（因此，企業(yè)通常會受益于“碳信用額”和地方減少污染的獎勵措施）。
最近，一個不斷增長的市場正在發(fā)展，為行業(yè)提供這種能源革命所需的材料，如金屬硅、釩和特殊鋼。
3、直接還原設備和氫的使用
T公司與墨西哥特爾尼翁鋼鐵集團（Ternium Mexico）共用辦事處，專門研究直接還原工藝和技術。
自20世紀50年代初以來，T公司 HYL一直致力于該技術的開發(fā)和優(yōu)化，成為了直接還原技術的全球領導者之一。
在全球化石燃料燃燒產生的CO2直接排放中，鋼鐵工業(yè)占據了其中的7％-9％，而一體化煉鋼法（始于用C進行鐵礦石還原和熔融）是該行業(yè)CO2排放的最大因素。
與一體化路線相比，直接還原法是一種能用礦石生產鋼鐵，又能夠減少碳足跡的更好方法。通過使用天然氣并選擇性捕集CO2，溫室氣體排放可低至三分之一。而且，直接還原工藝還能替換作為還原劑的C。實際上，Energiron工藝可以用純氫更換所有天然氣，以進一步減少CO2排放，使CO2排放量接近零。
在歐洲，仍有60％的鋼鐵生產以舊的碳基一體化工藝路線為基礎，減少溫室氣體排放的探討一直在持續(xù)，而上述應用在歐洲正在變?yōu)楝F實。
4、純氫直接還原
關于使用純氫作為直接還原的還原劑/燃料，存在兩點疑問：一是技術上的，二是經濟上的。
從技術上來講，使用純氫會生成不含C的直接還原鐵產物，而C與空氣的反應性很強，因此很容易氧化。此外，需要在電弧爐料中添加C以進行鋼鐵生產。從經濟上來講，純氫的價值（以每能量單位美元計）比任何其他可燃氣體都高。
2018年的氫產量超過了6000萬噸，價值近1000億美元，其中80％的氫用于三個主要行業(yè)：精煉、制氨和金屬加工。
氫因其特性和用途（尤其是在B2C和化工市場中），可用于更高附加值的應用中，如運輸或其他方面。
對于Enerigiron直接還原設備，使用高氫含量的合成氣（例如，氫含量為55％，其相關的CO2排放量比一體化路線降低82％）似乎可以解決上述技術和經濟問題。這大致就是T公司與薩爾茨吉特公司（Salzgitter AG）合作開發(fā)的項目。
5、薩爾科斯（SALCOS）項目
SALCOS是T公司與薩爾茨吉特公司擬共同開發(fā)的一個項目。其理念就是用直接還原-電弧爐工藝路線替代高爐-轉爐煉鋼工藝，把碳密集型煉鋼工藝（薩爾茨吉特公司100％以高爐生產為基礎）的CO2排放量降低85％。在該項目中，所有煉鋼技術均由T公司設計并開發(fā)。
將新設施與現有的鋼鐵廠進行整合是直接還原工藝所面臨的挑戰(zhàn)。通過逐步安裝啟用Energiron反應器，最初的CO2減排量可高達50％。隨著一步步將整個生產過程轉移至直接還原設備，該數字將提高到85％。
直接還原設備使用的氣體是與H2混合的天然氣，H2用可再生能源通過電解產生，其百分比達到70％，獲得的直接還原鐵熱裝入電弧爐中，從而生產出質量與現有薩爾茨吉特產品極為相似的鋼。
T公司與薩爾茨吉特公司目前正在開展進一步的研究項目——GrInHy 2.0，該項目已獲得了歐洲氫能組織以及歐盟委員會的支持。這應該是向著將鋼鐵生產從煤轉變?yōu)闅錃獾牡谝粋€全面計劃又邁進了一步。
GrInHy2.0與已在薩爾茨吉特成功運行的GrlnHy第一期項目無縫銜接。Sunfire、Paul Wurth SA、Tenova SpA、法國CEA研究中心和Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH正在共同建造世界上最大的蒸汽電解槽（StE）以高效制氫，氫氣除了用于直接還原鐵生產以外，還可用于罩式退火爐。
GrInHy2.0項目首次在工業(yè)環(huán)境中采用標稱輸入功率為720kW的高溫電解槽。預計到2022年底，該高溫電解槽將至少運行13000h，總共產生約100t的高純度（99.98%）氫氣。
6、HYBRIT®項目
在這一轉變浪潮中，第一個進行的項目實際上是Hybrit Development AB公司的一個項目，該公司是由瑞典鋼鐵公司SSAB、瑞典LKAB礦業(yè)公司和瑞典大瀑布電力公司Vattenfall組成的一個瑞典合資公司。項目的基本思路是在鋼鐵生產過程中用氫氣取代焦炭和煤，目標是在瑞典盧勒奧（Lulea）的中試工廠中創(chuàng)建一種排水而不是排CO2的工藝。如果試驗成功，這一以HYBRIT®為品牌的新方案將為無化石世界作出重大貢獻。
SSAB認為，至少在21世紀末之前，再生廢料將無法充分滿足不斷增長的鋼鐵需求。事實上，直至2100年左右，全球鋼鐵生產仍將繼續(xù)依賴鐵礦石這一主要來源。鋼鐵行業(yè)的碳足跡對歐洲以及世界其他各地而言都是一種挑戰(zhàn)，但是，瑞典在氫能煉鋼方面具有獨特的優(yōu)勢，因為它能獲得無化石燃料發(fā)電電力、最高品質的鐵礦石，并擁有歷來具有創(chuàng)新性的鋼鐵行業(yè)。
SSAB最早將在2025年將其在瑞典的CO2排放量減少25%，首先是通過將瑞典奧克隆德（Oxelosund）的高爐轉換為電弧爐；然后在2030年到2040年之間，計劃完成瑞典盧勒奧（Lulea）和芬蘭拉赫（Raahe）的高爐轉換，消除大部分剩余的CO2排放。
該公司預計到2022年，其位于愛荷華州馬斯卡汀的運作將由可再生能源提供動力，而這家美國公司將從2026年開始提供無化石鋼鐵產品，該產品是利用瑞典HYBRIT®技術生產的直接還原鐵為原料生產的。與此同時，SSAB已經開始在整個公司范圍內逐步淘汰使用化石燃料的軋鋼廠和熱處理廠，以到2045年實現無化石燃料的目標。
中試階段：盧勒奧的無化石鋼鐵生產中試工廠始建于2018年夏。在HYBRIT中試工廠中，氫氣由電解水產生，然后泵送至T公司提供的直接還原模塊中，這是使用氫氣生產直接還原鐵最為可靠而直接的方法。事實上，傳統的Tenova ZR方案無需進行更改，只是在工藝路線中用氫氣代替了天然氣。至于其他，相同標準的ZR設備無需任何其他更改，即可工作。
產出的直接還原鐵將作為原料，和回收的廢鋼一起，用于電弧爐煉鋼。該中試工廠已啟動。另外，還決定在靠近HYBRIT中試工廠的地方，于Svartoberget LKAB基地地下約30m處建造一個試點氫存儲設施。預計該存儲設施于2022年開始運行。與此同時，在2019年夏，瑞典Malkaget的LKAB基地也開始建造無化石球團廠。在這里，化石燃料被生物燃料所替代，從而實現無化石的鐵礦石球團生產。
7、結語
工業(yè)過程與加熱的電氣化是降低工業(yè)碳排放強度的一項核心技術。顯然，在不久的將來，所用的額外電力將會盡可能降低二氧化碳排放。對鋼鐵行業(yè)的評估表明，要使該行業(yè)脫碳，必須大量增加此類電力的供應，而且還必須具有價格競爭力。
希望從煤炭到天然氣（作為過渡燃料）的結構化過渡，最終以綠色氫氣結束。T公司并不是在單打獨斗，自2018年中以來，T公司與Techint集團的另外兩家公司Techint E＆C和Tenaris一起組建了“ T3委員會”，意在通過三個不同但互補的方案，來探索減少碳足跡以及氫氣的利用。
大多數歐洲鋼鐵制造商正不懈努力對各中試工廠進行測試。其中主要有兩種方法，一種是碳捕集與利用（CCU），它仍會產生CO2，但可以各種形式捕集并使用；另一種是直接避免碳使用（CDA），它完全避免了CO2的排放。
T公司利用正在轉型的優(yōu)勢，同時參與了上述兩種方法。HYL直接還原技術是煉鐵和煉鋼行業(yè)中唯一一種具有CO2吸收裝置（工藝的固有特征）的技術，在許多運行的工廠中，CO2已經是一種有價副產品，可以出售給飲料行業(yè)或石油行業(yè)以提高石油采收率（EOR）。
我們更傾向于CDA，它對整體溫室氣體足跡方面的影響更大，因此，鼓勵開展更多類似瑞典的項目。對T公司來說，“順其自然”雖說是偶然的，但這是過去三十年來努力的結果，當時所關注的前瞻性問題，現已成為現實。
T公司已啟動一個名為“生態(tài)可持續(xù)”的網絡平臺，該平臺涉及各種事件、最佳實踐和案例研究，強調了T公司正在兌現其對可持續(xù)性發(fā)展的承諾。
- 文章摘自冶金技術網
冀公網安備13050002001422號