編者按
隨著二氧化碳減排壓力的增大，氫氣還原技術受到了越來越多的重視，迎來了蓬勃發(fā)展的機會。在“氫能煉鋼”方面，近年來，國外鋼鐵企業(yè)已經進行了一系列探索，取得了一定的進展。尤其是瑞典鋼鐵HYBRIT（突破性氫能煉鐵技術）項目將使鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放量降至近乎于零，有望引發(fā)鋼鐵行業(yè)的一場變革。
本版將聚焦當前世界先進的氫能利用項目及技術，分上、下兩期進行深入剖析，旨在為中國鋼鐵工業(yè)應對氣候變化挑戰(zhàn)提供思路，增強鋼鐵人實現綠色發(fā)展的信心。本期將介紹由瑞典鋼鐵公司發(fā)起的HYBRIT項目、由德國薩爾茨吉特鋼鐵公司發(fā)起的SALCOS（薩爾茨吉特低碳煉鋼）項目和由奧鋼聯發(fā)起的H2FUTURE項目，下期將對以前述3個項目為代表的歐洲鋼企氫能利用項目的技術路徑與特點進行詳細分析，并對日本和中國的相關項目發(fā)展情況進行概述。
康斌
面對《巴黎協定》到2030年和2040年二氧化碳排放量相對1990年分別減排40%和60%的目標，歐洲鋼企尤其是長流程鋼企如何降低二氧化碳排放強度成為亟待解決的問題。鋼企需要從碳輸入層面減少鋼鐵生產過程中的碳使用量（甚至不用碳），在這方面，HYBRIT項目、SALCOS項目和H2FUTURE項目等都是有益的探索。
瑞典鋼鐵HYBRIT項目
當前，瑞典鋼鐵公司（SSAB）二氧化碳排放量為600萬噸/年，其2025年的減排目標是減少25%，計劃在2045年前實現近零排放。瑞典最大的電力與熱力供應商——瑞典大瀑布電力公司（Vattenfall）當前的二氧化碳排放量為2300萬噸/年，目標是在2030年實現近零排放。瑞典礦業(yè)集團（LKAB）計劃到2021年噸礦二氧化碳排放量相比2015年下降12%，達到27.4千克。基于上述3家企業(yè)大幅降低碳排放的要求，2016年，SSAB、Vattenfall和LKAB聯合成立了HYBRIT項目。按照HYBRIT項目計劃，2016年~2017年為項目預研階段，主要工作內容包括評估非化石能源冶煉的潛力，以及二氧化碳的捕集、存儲和利用等。
2018年初公布的研究結果表明：按照2017年底的電力、焦炭價格和二氧化碳排放交易價格，HYBRIT項目采用的氫冶金工藝成本比傳統高爐冶煉工藝高20%~30%。SSAB采用長流程工藝的噸鋼二氧化碳排放量為1600千克（歐洲其他國家的水平約為2000千克~2100千克），電力消耗為5385千瓦時；采用HYBRIT工藝的噸鋼二氧化碳排放量僅為25千克，電力消耗為4051千瓦時。
該項目的中試研究階段為2018年~2024年，示范運行階段為2025年~2035年。在為期10年的示范運行階段主要進行運行測試，以確保到2035年實現商業(yè)化運行。
HYBRIT項目的工藝流程如圖1所示，基本思路是：在高爐生產過程中用氫氣取代傳統工藝的煤和焦炭（氫氣由清潔能源發(fā)電產生的電力電解水產生），氫氣在較低的溫度下對球團礦進行直接還原，產生海綿鐵（直接還原鐵），并從爐頂排出水蒸氣和多余的氫氣，水蒸氣在冷凝和洗滌后實現循環(huán)使用。
HYBRIT項目的研究任務包括：研究可再生能源發(fā)電及其對電力系統的影響，尋找有效的可再生能源用于發(fā)電，為非化石能源冶煉提供能源，同時降低制氫成本；建設制氫與存儲工藝及相關裝備，為HYBRIT工藝提供低成本、可靠穩(wěn)定的氫氣，并進行氫氣產業(yè)鏈布局；研究氫基直接還原煉鐵工藝；研究配套煉鋼工藝；研究系統集成、過渡路徑和政策等。
薩爾茨吉特SALCOS項目
2019年4月份，在漢諾威工業(yè)博覽會上，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司（以下簡稱薩爾茨吉特）與Tenova公司（一家為金屬上下游行業(yè)提供節(jié)能降耗技術解決方案的公司）簽署了一份諒解備忘錄，旨在繼續(xù)推進以氫氣為還原劑煉鐵，從而減少二氧化碳排放的SALCOS項目。
SALCOS項目旨在對原有的高爐-轉爐煉鋼工藝路線進行逐步改造，把以高爐為基礎的碳密集型煉鋼工藝逐步轉變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝路線，同時實現富余氫氣的多用途利用。SALCOS項目工藝設想如圖2所示。
為實施SALCOS項目，薩爾茨吉特先期策劃實施了薩爾茨吉特風電制氫項目（Wind H2），項目思路是采用風力發(fā)電，電解水制氫和氧，再將氫氣輸送給冷軋工序作為還原性氣體，將氧氣輸送給高爐使用。風力發(fā)電是與風力發(fā)電供應商合作，建設7臺總發(fā)電能力為30兆瓦的風力發(fā)電機，其中3臺在薩爾茨吉特的某個廠內。根據項目計劃，第一步是建設質子交換膜電解槽，電解制氫能力為400標準立方米/小時，蒸餾水來自于鋼廠水凈化設施；第二步是將風力發(fā)電場電力輸送到電解水工廠。風力發(fā)電、制氫工廠建設投資總額約為5000萬歐元，制氫工廠將在2020年投用，在此基礎上再研究利用其他清潔能源發(fā)電。在這一項目中，林德（Linde）公司負責氫氣運輸，運輸方式主要以汽車儲氣罐運輸為主。
薩爾茨吉特于2016年4月份正式啟動了GrInHy1.0（Green Industrial Hydrogen，綠色工業(yè)制氫）項目，采用可逆式固體氧化物電解工藝生產氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲存起來。當風能（或其他可再生能源）波動時，電解槽轉變成燃料電池，向電網供電，平衡電力需求。2017年5月份，該系統安裝了1500組固體氧化物電解槽，于2018年1月份完成了系統工業(yè)化環(huán)境運行，2019年1月份完成了連續(xù)2000個小時的系統測試。今年2月份，GrInHy1.0項目完成。
2019年1月份，薩爾茨吉特開展了GrInHy2.0項目。GrInHy2.0項目的顯著特點是通過鋼企產生的余熱資源生產水蒸氣，用水蒸氣與綠色再生能源發(fā)電，然后采用高溫電解水法生產氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產，也可用于鋼鐵生產的后道工序，如作為冷軋退火的還原氣體。GrInHy2.0項目設想如圖3所示。
GrInHy2.0項目重點設備及環(huán)節(jié)：
高溫電解槽：GrInHy2.0項目將首次在工業(yè)環(huán)境中采用標稱輸入功率為720千瓦的高溫電解槽。其目標是連續(xù)不間斷運行7000小時，電解效率達到80%以上。同時，當可再生能源不足時，平時存儲的氫氣可將高溫電解槽作為固體氧化物燃料電池用于發(fā)電。預計到2022年底，該高溫電解槽將至少運行13000小時，總共產生約100噸的高純度（99.98%）氫氣。
為此，薩爾茨吉特將與德國Sunfire公司共同建設和運營世界上最大的高溫電解槽，其中德國Sunfire公司將提供水蒸氣或高溫、電解核心元素相關技術設備，用于電解水生產氫氣。
氫氣壓縮與干燥裝置：由Paul Wurth公司提供。
氫氣運輸：薩爾茨吉特Flachstahl廠將負責將氫氣輸送到工廠內部的能源使用網絡。
奧鋼聯H2FUTURE項目
2017年初，由奧鋼聯發(fā)起的H2FUTURE項目旨在通過研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術，降低鋼鐵生產過程中的二氧化碳排放，最終目標是到2050年減少80%的二氧化碳排放。圖4顯示了H2FUTURE項目的氫能產業(yè)鏈。
H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯、西門子、Verbund（奧地利領先的電力供應商，也是歐洲最大的水力發(fā)電商）公司、奧地利電網（APG）公司、奧地利K1-MET（冶金能力中心Metallurgical Competence Center）中心組等。
該項目將建設世界最大的氫還原中試工廠。西門子公司是質子交換膜電解槽的技術提供方，將為奧鋼聯位于奧地利林茨市的工廠提供電解能力為6兆瓦的電解槽，氫氣產量為1200立方米/小時，電解水產氫效率目標為80%以上；Verbund公司作為項目協調方，將利用可再生能源發(fā)電，同時提供電網相關服務；奧地利電網公司的主要任務是確保電力平衡供應，保障電網頻率穩(wěn)定；奧地利K1-MET中心組將負責研發(fā)鋼鐵生產過程中氫氣可替代碳或碳基能源的工序，定量對比研究電解槽系統與其他方案在鋼鐵行業(yè)應用的技術可行性和經濟性，同時研究該項目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業(yè)的可復制性和大規(guī)模應用的潛力。
《中國冶金報》（2019年07月19日 02版二版）
