編者按

　　隨著(zhù)二氧化碳減排壓力的增大，氫氣還原技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視，迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的機會(huì )。在“氫能煉鋼”方面，近年來(lái)，國外鋼鐵企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了一系列探索，取得了一定的進(jìn)展。尤其是瑞典鋼鐵HYBRIT（突破性氫能煉鐵技術(shù)）項目將使鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)變革。

　　本版將聚焦當前世界先進(jìn)的氫能利用項目及技術(shù)，分上、下兩期進(jìn)行深入剖析，旨在為中國鋼鐵工業(yè)應對氣候變化挑戰提供思路，增強鋼鐵人實(shí)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(lián)發(fā)起的H2FUTURE項目，下期將對以前述3個(gè)項目為代表的歐洲鋼企氫能利用項目的技術(shù)路徑與特點(diǎn)進(jìn)行詳細分析，并對日本和中國的相關(guān)項目發(fā)展情況進(jìn)行概述。

　　康斌

　　面對《巴黎協(xié)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(cháng)流程鋼企如何降低二氧化碳排放強度成為亟待解決的問(wèn)題。鋼企需要從碳輸入層面減少鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(wàn)噸/年，其2025年的減排目標是減少25%，計劃在2045年前實(shí)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(wàn)噸/年，目標是在2030年實(shí)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?；谏鲜?家企業(yè)大幅降低碳排放的要求，2016年，SSAB、Vattenfall和LKAB聯(lián)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?jì)r(jià)格和二氧化碳排放交易價(jià)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(cháng)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(shí)；采用HYBRIT工藝的噸鋼二氧化碳排放量?jì)H為25千克，電力消耗為4051千瓦時(shí)。

　　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(jìn)行運行測試，以確保到2035年實(shí)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(chǎn)過(guò)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(chǎn)生的電力電解水產(chǎn)生），氫氣在較低的溫度下對球團礦進(jìn)行直接還原，產(chǎn)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(shí)現循環(huán)使用。

　　HYBRIT項目的研究任務(wù)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(shí)降低制氫成本；建設制氫與存儲工藝及相關(guān)裝備，為HYBRIT工藝提供低成本、可靠穩定的氫氣，并進(jìn)行氫氣產(chǎn)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(guò)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(huì )上，德國薩爾茨吉特鋼鐵公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)薩爾茨吉特）與Tenova公司（一家為金屬上下游行業(yè)提供節能降耗技術(shù)解決方案的公司）簽署了一份諒解備忘錄，旨在繼續推進(jìn)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(xiàn)進(jìn)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(xiàn)，同時(shí)實(shí)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(shí)施SALCOS項目，薩爾茨吉特先期策劃實(shí)施了薩爾茨吉特風(fēng)電制氫項目（Wind H2），項目思路是采用風(fēng)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(fēng)力發(fā)電是與風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機，其中3臺在薩爾茨吉特的某個(gè)廠(chǎng)內。根據項目計劃，第一步是建設質(zhì)子交換膜電解槽，電解制氫能力為400標準立方米/小時(shí)，蒸餾水來(lái)自于鋼廠(chǎng)水凈化設施；第二步是將風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電力輸送到電解水工廠(chǎng)。風(fēng)力發(fā)電、制氫工廠(chǎng)建設投資總額約為5000萬(wàn)歐元，制氫工廠(chǎng)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(chē)儲氣罐運輸為主。

　　薩爾茨吉特于2016年4月份正式啟動(dòng)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(chǎn)氫氣和氧氣，并將多余的氫氣儲存起來(lái)。當風(fēng)能（或其他可再生能源）波動(dòng)時(shí)，電解槽轉變成燃料電池，向電網(wǎng)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2000個(gè)小時(shí)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(kāi)展了GrInHy2.0項目。GrInHy2.0項目的顯著(zhù)特點(diǎn)是通過(guò)鋼企產(chǎn)生的余熱資源生產(chǎn)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(chǎn)氫氣。氫氣既可用于直接還原鐵生產(chǎn)，也可用于鋼鐵生產(chǎn)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(diǎn)設備及環(huán)節：

　　高溫電解槽：GrInHy2.0項目將首次在工業(yè)環(huán)境中采用標稱(chēng)輸入功率為720千瓦的高溫電解槽。其目標是連續不間斷運行7000小時(shí)，電解效率達到80%以上。同時(shí)，當可再生能源不足時(shí)，平時(shí)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(shí)，總共產(chǎn)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(yíng)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(guān)技術(shù)設備，用于電解水生產(chǎn)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(chǎng)將負責將氫氣輸送到工廠(chǎng)內部的能源使用網(wǎng)絡(luò )。

　　奧鋼聯(lián)H2FUTURE項目

　　2017年初，由奧鋼聯(lián)發(fā)起的H2FUTURE項目旨在通過(guò)研發(fā)突破性的氫氣替代焦炭冶煉技術(shù)，降低鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)業(yè)鏈。

　　H2FUTURE項目的成員單位包括奧鋼聯(lián)、西門(mén)子、Verbund（奧地利領(lǐng)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(wǎng)（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(chǎng)。西門(mén)子公司是質(zhì)子交換膜電解槽的技術(shù)提供方，將為奧鋼聯(lián)位于奧地利林茨市的工廠(chǎng)提供電解能力為6兆瓦的電解槽，氫氣產(chǎn)量為1200立方米/小時(shí)，電解水產(chǎn)氫效率目標為80%以上；Verbund公司作為項目協(xié)調方，將利用可再生能源發(fā)電，同時(shí)提供電網(wǎng)相關(guān)服務(wù)；奧地利電網(wǎng)公司的主要任務(wù)是確保電力平衡供應，保障電網(wǎng)頻率穩定；奧地利K1-MET中心組將負責研發(fā)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(shù)可行性和經(jīng)濟性，同時(shí)研究該項目在歐洲甚至是全球鋼鐵行業(yè)的可復制性和大規模應用的潛力。

　　《中國冶金報》（2019年07月19日 02版二版）