“碳冶金”變“氫冶金”意味著什么?
發(fā)布時(shí)間:2023-08-28 11:13:20 作者:武漢南銳工程 瀏覽量:121
何為氫冶金?它與傳統(tǒng)煉鐵工藝有何不同?從“碳冶金”到“氫冶金”,意味著怎樣的轉(zhuǎn)變?它對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展有著怎樣啟示?帶著這些問(wèn)題,記者深入氫冶金項(xiàng)目一線進(jìn)行實(shí)地采訪。
二氧化碳減排70%以上
8月3日下午,位于張家口市某氫冶金項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng),一座118米高的氫基豎爐巍然聳立,豎爐周圍簇?fù)碇幚?、加熱爐、二氧化碳脫除等裝置,高低錯(cuò)落的通廊、密集架設(shè)的管道將各個(gè)裝置連接,整套設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。這是全球首例采用“焦?fàn)t煤氣零重整豎爐直接還原”工藝技術(shù)的氫冶金示范工程。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行,今年5月,項(xiàng)目正式實(shí)現(xiàn)安全、連續(xù)、順利生產(chǎn)。
置身現(xiàn)場(chǎng),氫冶金與傳統(tǒng)煉鐵工藝在觀感上差別很大。傳統(tǒng)高爐被氫基豎爐取代,一個(gè)個(gè)銀白色的反應(yīng)罐,密布的管道和閥門、儀表,也是傳統(tǒng)高爐煉鐵所沒有的,這里更像一座化工廠。
“這些反應(yīng)罐和管道內(nèi)流通的是焦?fàn)t煤氣,焦?fàn)t煤氣經(jīng)過(guò)深度凈化、脫除雜質(zhì),加壓進(jìn)入氫基豎爐內(nèi),之后該氣體的主要成分氫將與鐵礦石進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)?!睔湟苯鹱鳂I(yè)區(qū)作業(yè)長(zhǎng)呂同志一邊說(shuō),一邊手指管線描述大致流程。
采用氫氣作為還原劑和過(guò)程燃料,是氫冶金與傳統(tǒng)高爐煉鐵本質(zhì)的不同?!案郀t煉鐵是鐵礦石和焦炭反應(yīng),將鐵礦石中的氧化鐵還原成單質(zhì)鐵,變成鐵水。而氫冶金是氫與鐵礦石反應(yīng),置換出鐵礦石中的氧,整個(gè)過(guò)程是氣體與固體的反應(yīng)?!眳瓮緦煞N工藝進(jìn)行對(duì)比。
與傳統(tǒng)工藝比,氫冶金在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源替代的同時(shí),也改變了整個(gè)冶金的生產(chǎn)流程。
當(dāng)前,鋼鐵企業(yè)普遍的冶煉工藝是“高爐+轉(zhuǎn)爐”的模式,在高爐冶煉出鐵水,再經(jīng)轉(zhuǎn)爐熔煉成鋼,這種模式被稱為長(zhǎng)流程煉鋼。氫冶金技術(shù)省去高爐等流程,所產(chǎn)出的DRI(直接還原鐵)產(chǎn)品直接轉(zhuǎn)入電爐,工藝流程環(huán)節(jié)減少,復(fù)雜度也大大降低。
能源的轉(zhuǎn)換,加上冶煉流程的縮短,氫冶金帶來(lái)最直接的改變是碳排放量的變化。對(duì)此,全程參與氫冶金項(xiàng)目的技術(shù)中心副主任李同志感受頗深。
“傳統(tǒng)的冶煉工藝,以含碳量高的煤和焦炭作為燃料,每生產(chǎn)一噸鋼,約排放2噸二氧化碳,其中有1.6噸至1.7噸在高爐環(huán)節(jié)產(chǎn)生。而氫冶金使用的焦?fàn)t煤氣,本身含有55%至65%的氫氣,可直接利用,還有15%的甲烷可分解為氫氣和一氧化碳,最終,還原氣體中的氫碳比達(dá)到8∶1以上?!弊鳛橐幻撹F行業(yè)的老兵,李同志經(jīng)歷過(guò)高爐煉鐵的鼎盛時(shí)代,他直言氫冶金是鋼鐵冶煉的重大技術(shù)革新。
一組數(shù)據(jù)可以說(shuō)明氫冶金的減排效果。據(jù)測(cè)算,與同等生產(chǎn)規(guī)模的“高爐+轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程工藝相比,氫冶金示范工程一期每年可減少二氧化碳排放80萬(wàn)噸,減排比例達(dá)到70%以上,同時(shí)二氧化硫、氮氧化合物、煙粉塵排放分別減少30%、70%和80%以上。
為了將減排效果,該氫冶金項(xiàng)目在規(guī)劃時(shí),還配套了二氧化碳捕集和精制系統(tǒng)。
在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)東側(cè)區(qū)域,呂同志告訴筆者,二氧化碳精制過(guò)程在這里完成?!拔覀儠?huì)將氫冶金過(guò)程中產(chǎn)生的部分二氧化碳捕集,進(jìn)而脫水、加壓,精制成工業(yè)級(jí)液體二氧化碳和食品級(jí)液體二氧化碳,預(yù)計(jì)生產(chǎn)一噸DRI產(chǎn)品可捕集二氧化碳約125千克,項(xiàng)目可年產(chǎn)二氧化碳副產(chǎn)品約6萬(wàn)噸?!?/p>
當(dāng)天17時(shí),呂同志趕回氫冶金項(xiàng)目辦公樓,循例參加項(xiàng)目部的會(huì)議。會(huì)議議題是對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行再梳理、再優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)減碳潛力,探索當(dāng)前工藝下的降碳極限。呂同志表示,自5月以來(lái),這樣的會(huì)議至少是一天一開,目的是努力打造行業(yè)首條“零碳”示范產(chǎn)線。
在氫冶金項(xiàng)目辦公樓大廳內(nèi),展示著一封5月31日中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)來(lái)的賀信。賀信中說(shuō),氫冶金項(xiàng)目一期工程的成功,是由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變的重要里程碑,引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)邁入“以氫代煤”冶煉“綠鋼”的時(shí)代。
低碳“綠鋼”走向世界名企
8月4日,特材研究制造產(chǎn)線上,一塊燒得通體發(fā)紅的鍛件被機(jī)器從高溫爐內(nèi)取出,送至鍛壓機(jī)下,在工人們的輔助下,鍛壓機(jī)開始對(duì)鍛件進(jìn)行錘打,發(fā)出震耳欲聾的聲響。這是一種用于制作模具的綠色鋼材,它配加的主要原料是氫冶金項(xiàng)目生產(chǎn)的DRI產(chǎn)品。
模具被稱為工業(yè)之母,是制造業(yè)不可或缺的生產(chǎn)工具。模具對(duì)構(gòu)型和尺寸精度要求極高,因此模具鋼要求鋼的品質(zhì)要足夠高、足夠純凈,否則極易引起磨損、裂紋,甚至破型。在特材產(chǎn)品區(qū)域,整齊堆疊著剛剛下線的不同規(guī)格的模具鋼。說(shuō),這些模具材料已達(dá)到北美壓鑄協(xié)會(huì)模具鋼的優(yōu)質(zhì)級(jí)別,由它制作的模具,應(yīng)用于特斯拉、大眾新能源汽車等世界馳名企業(yè)?!坝捎谫|(zhì)量過(guò)硬,該種鋼材今年以來(lái)訂單量持續(xù)攀升,售價(jià)近4萬(wàn)元/噸?!?/p>
模具鋼是特材
“在碳達(dá)峰碳中和背景下,鋼鐵下游行業(yè)越來(lái)越關(guān)注鋼材產(chǎn)品的碳排放量,未來(lái),產(chǎn)品能不能被廣大客戶接納,要看制造流程是否綠色,生產(chǎn)過(guò)程是否有減碳措施?!崩钔菊f(shuō),如奔馳、寶馬等汽車企業(yè),已經(jīng)要求鋼鐵供應(yīng)商提供鋼材產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)報(bào)告,明確提出“綠鋼”要求。
“綠鋼”需求無(wú)疑是一個(gè)好消息,它將氫冶金在綠色低碳方面的優(yōu)勢(shì),最終轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品上的競(jìng)爭(zhēng)力。
“下一步,我們將研究生產(chǎn)多種原料結(jié)構(gòu)條件下的DRI產(chǎn)品,提供排放更低、純凈度更高的氫冶金產(chǎn)品,讓綠色制造的含金量更高?!崩钔菊f(shuō)。
引領(lǐng)未來(lái)行業(yè)發(fā)展風(fēng)向標(biāo)
在專業(yè)人士看來(lái),氫冶金之所以受到關(guān)注,源于鋼鐵行業(yè)減排的大背景。數(shù)據(jù)資料顯示,中國(guó)鋼鐵工業(yè)碳排放量占全球鋼鐵碳排放量的60%以上,占全國(guó)碳排放總量的15%左右,是我國(guó)制造業(yè)中碳排放量最多的行業(yè)。毫無(wú)疑問(wèn),降低碳排放量,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo),鋼鐵行業(yè)是主戰(zhàn)場(chǎng)。
外部環(huán)境也在促使鋼鐵行業(yè)加快降碳步伐。5月17日,歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制(CBAM)正式生效,這意味著,鋼鐵、水泥等多個(gè)行業(yè)將被征收“碳稅”。對(duì)我國(guó)鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō),如果不能盡快完成降碳目標(biāo),未來(lái)在國(guó)際市場(chǎng)上將面臨很大競(jìng)爭(zhēng)壓力。
鋼鐵行業(yè)降碳該從何處下手?
多年來(lái),傳統(tǒng)的冶煉工藝節(jié)能降碳空間幾乎觸碰到了天花板,要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模降碳,需摒棄原有思路,尋找新路徑?!安捎镁G色能源的冶煉工藝將成為鋼鐵業(yè)低碳發(fā)展的方向,就當(dāng)前的技術(shù)路線來(lái)看,氫冶金是未來(lái)的方向,至少是方向之一?!睂I(yè)人士說(shuō)。
事實(shí)上,氫冶金并不是一門新技術(shù),該技術(shù)在歐洲等國(guó)家已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟。氫冶金技術(shù)在我國(guó)遲遲沒有推開,一個(gè)深層次的原因是,過(guò)去二十年間,鋼鐵企業(yè)更注重提高生產(chǎn)效率和增加產(chǎn)能,而氫冶金是一個(gè)小而精的產(chǎn)線,并不適應(yīng)彼時(shí)我國(guó)的發(fā)展需求。
“當(dāng)前,我國(guó)鋼鐵行業(yè)進(jìn)入新發(fā)展階段,總產(chǎn)能達(dá)到峰值并逐步開始回落,鋼鐵業(yè)開始由量向質(zhì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程,所以氫冶金這種更綠色、更注重質(zhì)量的技術(shù)路線有了生存空間。”李同志說(shuō)。
談及鋼鐵企業(yè)對(duì)氫冶金的接受度,李同志表示,當(dāng)前階段,鋼鐵行業(yè)對(duì)氫冶金技術(shù)還處在觀望期,但對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的接納度要比原來(lái)高很多,未來(lái)幾年,一些規(guī)模比較大的鋼鐵企業(yè)會(huì)逐步嘗試氫冶金技術(shù)。
在我國(guó),對(duì)氫冶金的探索已經(jīng)開始起步。在河北省,根據(jù)河鋼集團(tuán)規(guī)劃,預(yù)計(jì)到2025年,河鋼氫冶金冶煉流程占比將提升到7%左右,2030年進(jìn)一步提升到10%左右,2050年努力達(dá)到30%。
從政策角度,對(duì)于發(fā)展氫冶金,國(guó)家層面已經(jīng)有了頂層設(shè)計(jì)。2022年,工信部等幾部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》,提出將制定氫冶金行動(dòng)方案,加快推進(jìn)低碳冶煉技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。而在國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃》中則進(jìn)一步明確,開展以氫作為還原劑的氫冶金技術(shù)研發(fā)應(yīng)用,探索氫能冶金示范應(yīng)用。
能源結(jié)構(gòu)調(diào)整支撐鋼鐵低碳轉(zhuǎn)型
河鋼集團(tuán)從“碳冶金”到“氫冶金”,不僅是工藝流程上的改變,更被看作鋼鐵行業(yè)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的標(biāo)志性事件。
長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,氫能被視為21世紀(jì)具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?,在碳達(dá)峰碳中和大背景下,未來(lái)鋼鐵行業(yè)無(wú)論是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整還是工藝創(chuàng)新,氫能都是重要方向。
隨著鋼鐵工業(yè)進(jìn)入新舊能源混用階段,氫能逐漸應(yīng)用于冶金過(guò)程中的部分環(huán)節(jié)。對(duì)鋼鐵行業(yè)而言,當(dāng)前階段可以充分利用各類工業(yè)副產(chǎn)氫,就近消納,降低氫能供給成本。在中長(zhǎng)期,則需要依賴氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和布局,以此支撐鋼鐵工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型。
根據(jù)河北省新型能源強(qiáng)省建設(shè)相關(guān)方案,河北將加快構(gòu)建形成“風(fēng)、光、水、火、核、儲(chǔ)、氫”多能互補(bǔ)的能源格局,氫能被列為其中重要一極。河北省在全國(guó)率先印發(fā)實(shí)施省級(jí)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃,提出要推動(dòng)高純氫制備技術(shù)、氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和整車技術(shù)研發(fā),并布局推進(jìn)第一、二批氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目128個(gè)。
在國(guó)家層面,近日,國(guó)家六部委聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2023版)》。指南系統(tǒng)構(gòu)建了氫能制、儲(chǔ)、輸、用全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系,涵蓋基礎(chǔ)與安全、氫制備、氫儲(chǔ)存和輸運(yùn)、氫加注、氫能應(yīng)用五個(gè)子體系,旨在充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)范和引領(lǐng)作用。
政策引領(lǐng)下,河北氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出良好勢(shì)頭。在唐山,目前國(guó)內(nèi)單體產(chǎn)能最大的電池燃料用氫氣生產(chǎn)項(xiàng)目已投產(chǎn);在保定,全國(guó)首條百輛級(jí)別氫能重卡運(yùn)輸線實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)。全省正在形成一條完整的氫產(chǎn)業(yè)鏈。
在氫產(chǎn)業(yè)體系中,可再生能源制氫的前景被廣泛看好。無(wú)論是河北在建設(shè)新型能源強(qiáng)省中提出“提高清潔高效能源比重”,還是我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃中要求“重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫,嚴(yán)格控制化石能源制氫”,都意味著綠氫將迎來(lái)蓬勃發(fā)展的機(jī)遇。
河北省在可再生能源領(lǐng)域已具備一定規(guī)模,張家口可再生能源示范區(qū)、承德國(guó)家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)、風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目、海興光伏“領(lǐng)跑者”基地等一批可再生能源示范項(xiàng)目及配套工程正加快建設(shè),將為綠電制氫產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)能源。
張家口作為可再生能源示范區(qū),風(fēng)能、太陽(yáng)能資源十分豐富。有關(guān)專家表示,在未來(lái)以清潔能源為主體的大背景下,鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)應(yīng)以氫能替代為主線,綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此,構(gòu)建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統(tǒng),使鋼鐵擺脫對(duì)化石能源的依賴,從源頭上解決碳排放問(wèn)題,是實(shí)現(xiàn)低碳甚至“零碳”排放的一條途徑。