歡迎光臨內蒙古宜和新能源科技有限公司!

首頁 > 新聞資訊 > 行業新聞
18004856606
18648653603
0474-4869060

行業新聞

碳中和目標下的氫冶金減碳路徑與應用前景(上)
發表時間:2022-04-27     閱讀次數:     字體:【


氫冶金是鋼鐵行業實現碳中和目標的革命性技術。氫冶金正處于技術導入期,需要從氫冶金的規模經濟和產業生態角度全方面研究了碳中和目標下的鋼鐵行業的減碳路徑與應用前景,百人會氫能中心在東北大學低碳鋼鐵前沿技術研究院、德國蒂森克虜伯、泰山鋼鐵等科研院所和企業的支持下,進行了氫冶金研究并發布報告。預計到 2030 年,基于綠氫的氫冶金將逐漸擴大在鋼鐵行業中的規;瘧,到 2050 年,鋼鐵行業的用氫需求將達到 980 萬噸,氫冶金成為鋼鐵行業實現碳中和目標的主要路徑之一。本文內容主要分為兩部分,節選自研報《碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究》及發表于《價格實踐與理論》的相應論文。

01

實現本世紀末全球平均氣溫上升不超過1.5℃的情景,到2050年中國鋼鐵行業須減排近100%

鋼鐵行業是我國工業的支柱性產業,約占全國GDP的5%。2020年全球粗鋼產量為18.64億噸,其中我國粗鋼產量達到10.53億噸,占比57%。2020年,國內鋼鐵行業碳排放總量約18億噸,占全國碳排放總量的15%左右,占全球鋼鐵行業碳排放總量的60%以上。碳中和目標下,鋼鐵行業面臨巨大的碳減排壓力。根據麥肯錫測算,如果要實現本世紀末全球平均氣溫上升不超過1.5℃的情景,到2050年中國鋼鐵行業須減排近100%。


從中國的煉鋼方式來看,中國鋼鐵產量大,鐵鋼比高,缺乏足夠的廢鋼煉鐵。目前鋼鐵行業以高爐-轉爐長流程為主,粗鋼產能約占90%。中國長流程煉鋼噸鋼二氧化碳排放處于較高水平,約2.2噸CO2/噸鋼。未來要實現我國的碳中和承諾,鋼鐵行業將面臨嚴峻挑戰,必須加強鋼鐵企業的低碳轉型。根據中國鋼鐵工業協會披露的《鋼鐵行業碳達峰及降碳行動方案》,2025年前,鋼鐵行業實現碳排放達峰;到2030年,鋼鐵行業碳排放量較峰值降低30%,預計將實現碳減排量4.2億噸。我國鋼鐵亟需推動綠色布局、節能及提升能效、優化用能及流程結構、構建循環經濟產業鏈、應用突破性低碳技術。鋼鐵行業最終實現零碳化,更需要推動碳捕集利用與封存、氫冶金等技術革命。例如利用氫能高能量密度、電化學活性和還原劑的屬性,在鐵還原環節對煤、焦進行規;娲,可以實現深度脫碳目標。


■ 圖表1 不同流程煉鋼方式噸鋼碳排放量與耗電量

資料來源:公開資料

02

氫冶金將在鋼鐵行業實現碳中和目標中發揮重要作用

■ 圖表2 不同煉鋼路線的減排效果

資料來源:東吳證券


以焦炭為還原劑的高爐煉鐵是煉鋼中主要的碳排放過程。根據2020年中國鋼鐵工業協會統計的數據顯示,其會員單位的高爐煉鐵入爐焦比為355.19kg/t,煉鐵過程產生的碳排放量為每噸生鐵1.3噸CO2。在高爐煉鐵中,采用技術工藝優化、焦爐煤氣噴吹等方式可降低焦炭的使用量,從而達到減排的作用。例如用噴吹氫代替10%的焦炭,可減少約5%-10%的碳排放量。


我國現有高爐和轉爐路線碳排放量為1.765噸CO2/噸鐵。對于高品位的鐵礦石,可采用直接還原和電弧爐路線。采用以80%的天然氣直接還原鐵和20%的廢鋼生產工藝,天然氣先經過裂解或重整,產生C、CO、H2。由于天然氣本身含氫元素,參與還原反應的碳比高爐少,碳排放量明顯降低。據測算,比現有的高爐轉爐路線,可降低碳排放量47%。采用以80%的綠色氫氣直接還原鐵和20%的廢鋼生產工藝,可降低75%碳排放。當全部采用100%綠色氫氣直接還原鐵和電弧爐路線時,幾乎沒有碳排放。


采用以氫為還原劑的煉鐵方式可起到明顯的減排效果。碳中和目標下,鋼鐵行業面臨嚴峻的減碳壓力,應逐步尋求還原劑從焦炭到氫的替代。利用氫冶金推動鋼鐵行業碳中和目標將成為大勢所趨。

03

氫冶金減碳技術路線

目前,以碳冶金為本質的鋼鐵行業,碳排放量巨大。長流程高爐煉鐵碳排放量約占整個鋼鐵生產碳排放量的70%。2020年鋼鐵行業用焦炭量約3億噸,僅焦炭帶來的碳排放就11億噸。鑒于鋼鐵行業碳中和目標的緊迫性,鋼鐵行業必須采用突破性的低碳煉鐵技術減少碳排放或通過CCUS技術實現脫碳。氫冶金減碳技術路線主要分為兩種:富氫還原高爐和氫氣氣基豎爐直接還原煉鐵。


1. 富氫還原高爐


高爐噴吹焦爐煤氣是一種新型的低碳富氫還原高爐煉鐵技術。將來自焦化廠的焦爐煤氣經過凈化處理,通過設備加壓至高爐封口的壓力,然后利用噴吹設施,將焦爐煤氣以一定的溫度通過各個支管噴入高爐,參與爐內的還原反應。高爐噴吹焦爐煤氣可以提供優質還原劑、提高能量利用率和使用價值、減少高爐碳排放。高爐噴吹焦爐煤氣在國內外有長期的工業研究和生產實踐,工藝技術路線成熟可靠。


■ 圖表3 日本COURSE50高爐噴吹焦爐煤氣技術路線圖

圖片來源:東北大學儲滿生教授演講報告


高爐噴吹焦爐煤氣能為高爐提供更好的還原劑,降低碳排放。噴吹設備簡單,技術可靠。實際操作工程中,焦爐煤氣噴吹量并不是越多越好,過高的焦爐煤氣噴吹量會帶來爐溫降低等不良影響。噴吹量要綜合考慮經濟效應、節焦潛力、富氧能力和焦爐煤氣富余量等因素。目前,噸鐵噴吹量可以達到100-200 m3,與焦炭的置換比約為0.4-0.7 kg/m3,使高爐焦比降低至200 kg/t以下,碳減排可達10%左右。


2. 氫氣氣基豎爐直接還原煉鐵


與傳統的長流程高爐-轉爐不同,氣基豎爐短流程技術是以還原氣體為還原劑,還原高品位球團或塊礦,生產純凈直接還原鐵(DRI),供電爐煉鋼,制造高純鋼制品。氣基豎爐技術工藝具有流程短、非焦低溫還原、大幅度減排等優勢。氫冶金一般是指入爐還原氣含氫大于55%(H2/CO大于1.5)條件下,還原鐵礦石、球團礦生產優質DRI的氣基豎爐技術。根據還原氣氛氫的含量,可分為富氫冶金和全氫冶金:焦爐煤氣氣基豎爐直接還原鐵為富氫冶金,全氫冶金為100%氫氣冶金。氫冶金過程中無需反復增碳脫碳、吹氧脫氧,工藝優化,能耗低,減排效果顯著。2017年,我國工業和信息化部出臺的《產業關鍵共性技術發展指南(2017年)》將氫氣豎爐直接還原清潔冶煉技術列為了重點。氫冶金是解決鋼鐵行業碳排放問題的關鍵途徑。


■ 圖表4 瑞典HYBRIT全氫豎爐路線圖

圖片來源:東北大學儲滿生教授演講報告


氣基豎爐煉鐵技術的減排潛力與還原氫氣的濃度相關。純氫豎爐煉鐵過程中幾乎沒有引入任何碳元素,碳減排能力可達到98%,F階段,由于技術、設備及工藝上的制約,純氫豎爐方式難以實現。富氫豎爐技術逐漸成為氫冶金研發熱點。依據還原劑氫氣的含量不同,富氫豎爐碳減排潛力可達50%-95%。

04

國內外氫冶金發展現狀

全球氫冶金項目研究主要分三步:(1)2025年之前,建立中試示范項目驗證大規模氫冶金的可行性;(2)到2030年,利用焦爐煤氣等副產品中的氫進行氫冶金生產;(3)到2050年,實現綠氫對灰氫的替代,進行氫冶金工業化生產。


■ 圖表5 國外氫冶金項目

資料來源:公開資料


■ 圖表6 瑞典鋼鐵HYBRIT項目

圖片來源:互聯網


國外在氫冶金方面起步較早,早在1955年,HYL公司建成一座有5個反應罐的直接還原廠,還原氣含H2 75%、CO 14%、CO2 8%、CH4 3%、H2O 1%、 H2/CO=5.36,后發展為HYL-III豎爐。20世紀80年代西歐進行了全氫氣基豎爐工業探索實踐,入爐H2量均高于3000Nm3/tDRI,驗證了使用100% H2的氣基豎爐直接還原技術可行。20世紀 90年代中期,美國的埃德加-湯姆森鋼鐵廠3號高爐噴吹焦爐煤氣。近年來,日、韓、歐盟、瑞典、德、美等國均有氫冶金規劃:日本COURSE50富氫還原煉鐵、歐盟ULCOS計劃ULCORED富氫氣基豎爐和氫氣還原煉鋼、奧鋼聯H2FUTURE、瑞典HYBRIT全氫豎爐、德國蒂森克虜伯高爐噴氫、美國AISI氫氣閃速熔煉、韓國COOLSTAR、美國MIDREX H2、德國薩爾茨吉特鋼鐵SALCOS等項目。


■ 圖表7 氫氣通入蒂森克虜伯9號高爐

圖片來源:互聯網


國內方面,20世紀60年代,本鋼高爐、鞍鋼9號高爐分別進行了高爐焦爐煤氣噴吹試驗。多年來氫冶金進展緩慢。近年,各大鋼鐵企業提出氫冶金規劃并積極籌建氫冶金氣基豎爐生產線或示范工程。2021年5月,河鋼集團在河北張家口啟動建設“全球首例富氫氣體直接還原示范工程”,從改變能源結構入手,推動鋼鐵冶金工藝變革。2021年第三季度,中國寶武將在湛江鋼鐵開工建設(一期)1座百萬噸級、具備全氫工藝試驗條件的氫基豎爐直接還原示范工程及配套設施,可按不同比例靈活使用焦爐煤氣、天然氣和氫氣。不僅龍頭企業積極發揮帶頭作用,首鋼、建龍、酒鋼、日照鋼鐵等一批鋼鐵企業也建立了低碳冶金示范項目。一大批低碳鋼鐵科研機構也紛紛成立,如東北大學組建低碳鋼鐵前沿技術研究院,河鋼集團與北京科技大學共同發起世界鋼鐵發展研究院,通過產學研的力量推動中國氫冶金的發展。


整體來看,全球氫冶金尚無工業化成熟的技術。氫冶金技術領跑的國家如德國、日本也正處于研發、試驗階段,中國氫冶金方面正強力跟進,蓄勢待發。中國在關鍵核心技術、制氫成本高等難題亟需突破和攻克。未來,隨著對氫冶金技術的重視和投入,氫冶金技術將成為鋼鐵行業重要的減碳方式之一。


 
上一篇:26位省委書記、省長談碳達峰碳中和
下一篇:碳中和目標下的氫冶金減碳路徑與應用前景(下)

客戶留言

国产不卡的一区二区三区四区_亚洲日韩色欧另类欧美色吊丝_波多野结衣中文字幕18部在线_一个人看BD高清免费