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我国钢铁行业氢冶金发展现状及建议

  我国氢冶金发展情况

  在应对全球气候变化和能源转型的背景下,各国都高度重视无碳和低碳能源的开发利用。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,由于具有来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等诸多优点,被多国列入国家能源战略部署。

  所谓氢冶金就是在还原冶炼过程中主要使用氢气作还原剂,氢冶金目前主要有高炉富氢冶炼和氢直接还原工艺。我国高炉富氢冶炼研究与实践主要是往高炉内喷吹富氢气体,如焦炉煤气、天然气等;氢直接还原工艺主要是利用焦炉煤气发展氢基竖炉直接还原。

  我国由于废钢及天然气资源短缺,长流程工艺在钢铁工业中占绝对统治地位,但要推进我国钢铁工业的转型升级,就需要进行钢铁工艺流程的再造。

  我国钢铁行业氢冶金建议

  1、国家政策倾斜解决资金问题

  氢冶金研究和技术创新需要大量资金,同时向氢能转变需要在太阳能和风能发电方面投资,仅仅某一家企业可能资金压力比较大,需要国家政策进行倾斜。

  2、降低氢来源成本

  在炼钢(包括生产直接还原铁)过程中,使用蓝氢和绿氢的成本高,没有竞争力。直接还原铁厂通常使用天然气,而且通常位于天然气价格低廉的地区,例如中东和美国。如果要使用氢炼钢或生产直接还原铁具有竞争力,氢的价格应低于2美元/千克,最好低于1美元/千克。

  另外氢来源、运输、存储也需要考虑,氢的来源主要包括利用钢厂焦炉煤气中的氢和通过水电解制氢,而水电解制氢中电力来源应是绿色能源,比如核电、水电、风电等。

  3、解决氢炼铁技术问题

  A 需要耐氧-氢燃烧超高温的风口,如果直接使用现有风口,则风口的熔损将成为问题,需要开发新风口,例如,氧气采用其他喷枪,引入到炉下部内,控制燃烧焦点的位置。

  B 没有焦炭导致的炉料下降、透气性和透液性的问题,在低温约900℃以下利用氢快速还原很重要,所以最好在炉料熔融开始前熔化区(炉下部的氧-氢燃烧带)阶段一次熔化,这就需要研究最佳的炉料形状和改善还原性状等。

  C 考虑氢的危险性:要考虑氢配管安全性,构建安全的氢贮存、输送和喷吹系统。

  4、利用焦炉煤气发展非高炉炼铁技术(氢冶金直接还原)

  天然气产量丰富的国家和地区(如中东、美国、南美、东南亚、非洲),近年直接还原-电炉(DR-EAF)短流程发展很快。

  伊朗气基竖炉直接还原铁电炉炼钢年产量已经达到2000万吨以上。

  美国有廉价且丰富的页岩气资源,DR-EAF短流程已步入常态发展状态。例如欧洲奥钢联公司在美国德克萨斯州建造了一座年产200万吨HBI(热压块铁)直接还原铁厂,然后将产品运回奥地利,供林茨钢铁厂使用。

  印度由于炼焦煤气短缺,采用煤基+气基两种工艺生产直接还原铁,之后进行电炉炼钢,这样工艺使得印度成为全球直接还原铁生产大国。

  这些国家的生产实践证明,DR-EAF短流程具有建设成本低、能耗低、CO2排放低的特点,已被钢铁界所认可,但发展DR-EAF的前提条件是必须有足够天然气资源做支撑。

  我国天然气资源相对短缺,但我国拥有大量的焦炉煤气,焦炉煤气含有60%H2,是高化学能气体资源,焦炉煤气用作燃料是低效率的,应该用作还原剂,焦炉煤气生产直接还原铁是氢冶金在钢铁流程再造中的应用,而且氢冶金在冶金过程中不与焦炭接触,生产的DRI为高纯铁,产品质量高,有利于电炉生产出高纯净钢。

  另外随着大规模产业化经济制氢(太阳能、风能、水能、海洋能和地热能为基础的零排放经济制氢)与储氢技术发展,全氢竖炉直接还原技术将得到进一步发展。

  

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