钢铁知识国内外氢冶金技术的发展现状.docx

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1、【钢铁知识】国内外氢冶金技术的发展现状2023年9月国家发布了“2030年实现碳达峰、2060年力争碳中和”的承诺。钢铁工业低碳绿色化是当前和未来的紧迫任务及发展方向。欧洲、日本、韩国1-2等钢铁企业将高炉富氢还原和氢气直接还原-电炉短流程工艺作为低碳甚至零碳排放的革新性技术，大力研发、试验，并加快商业化应用，目前己取得阶段性进展。为了实现钢铁行业低碳绿色发展和C02减排目标，我国科研单位和钢铁企业积极研究低碳冶金及氢冶金技术，规划未来低碳发展路线图，制定相关行动方案。日本低碳技术的开发日本制铁的减碳目标是2030年比2013年减排30%,2050年实现碳中和J零碳钢”创新技术主要包括氢还原高

2、炉革新炼铁工艺（Super-CourseSO）,氢气竖炉直接还原技术，CCUS（碳中和措施）。日本COURSE50以“创新的炼铁工艺”为主要研究内容，通过开发高炉富氢还原炼铁技术和高炉炉顶煤气C02捕集利用储存技术，将高炉C02排放量减少30虬项目研发分为三个阶段：第一阶段（20082017年），进行技术探索、以小型试验高炉为主体的“氢还原和C02分离回收技术综合开发“；第二阶段（20172030年）开发SUPe1COUrSe50（使用外部制氢厂的H2）,进行数值模拟和放大试验，2030年左右首套装置开始商业化运行；第三阶段（20302050）技术推广应用。目前，该技术已完成第一阶段试验，证明

3、可减排C02近10%o日本制铁君津厂试验高炉内容积12m3（高6.5m,直径1.2m）,其示意图如图1所示。3个炉缸风口同时喷吹煤粉、氧气和COG,3个炉身下部风口喷吹改质COG（温度800850C,含67%H2、18%CH4、8%C0）,3个炉身上部风口喷入预热煤气。CoURSE50项目试验用氢气采用焦炉煤气和改质的COG,将焦炉煤气中的焦油等采用新型催化剂进行改质，可将焦炉煤气的氢含量由55%提高至63%67%.焦炉煤气离开炭化室时的温度达800,可充分利用其显热对焦油和烧类物质进行催化裂解以产生氢气。Brf1M良1日本打还岸社破吊炉或勺图-图2给出了COURSE50技术实施计划。日本制铁

4、的CCUS技术，包括研发光催化水分解的零排放制氢技术（高性能光催化剂），利用钢渣吸收固定C02改善海洋生态环境（蓝碳）技术，将C02转化为化工产品（碳酸二甲能DMC）技术等。图3是JFE碳中和技术实施计划，其技术路径主要包括：（1）碳循环局炉+CCU技术；（2）氢气直接还原炼铁技术；（3）过渡技术:COURSE50+CCU技术、铁焦制造技术、废钢高效加热和转炉多用废钢技术、大量使用废钢的高效电炉炼钢技术。JFE计划开发碳循环氧气高炉工艺，并与CCU相结合，炉顶煤气脱除的C02一部分经加氢反应合成甲烷，从风口喷入高炉，形成碳循环利用，剩余的C02加氢转化制基础化工品（甲醇等）。200020022

5、0042006ZOOB20102012Zt1S202320JO2S0(HfiK口标Goi3K年HX*im;11业务J在*七十中用离业计刈可的“匕tr分复wijmrQ*2050年申图4讣卜长中和以求,危计0钢铁工业技才:德国蒂森克虏伯氢还原炼铁德国蒂森克虏伯钢铁公司的C02减排目标是：到2023年，降低钢铁生产中20%的CO2排放；到2030年，由生产过程产生和购买能源所产生的Co2排放减少30%；到2050年，钢铁生产过程实现零碳排放。蒂森克虏伯钢铁公司计划采取两种方式来减少二氧化碳排放：氢冶金的tkH2Stee14项目，以及将钢厂尾气（含二氧化碳）转化为化工原料的Carbon2Chem项目。

6、tkH2Stee1项目包括高炉喷吹氢气项目和氢气直接还原炼铁项目（高炉2.0）。2023年1月完成了DUiSbUrg9号高炉单个风口注入氢气的测试，验证了喷吹纯氢低碳冶炼技术可行性和安全性。计划2023年开始第二阶段试验，使用外部制氢厂管道输送的氢气向全部28个风口喷吹，考察氢气间接还原和节碳的效果，为技术应用铺平道路。与德国莱茵集团（RWE）合作，计划在林格发电厂建设一个IOOMW的的碱液水电解槽，氢气产量17th,考虑用现有天然气管道输送氢气到杜伊斯堡。最终目标是DUiSbUrg地区的3座高炉都喷吹氢气，2减排19%20%同时,为了能实现碳中和,2023年8月蒂森克虏伯宣布启动“高炉2.0

7、”计划，将于2025年前在杜伊斯堡钢厂建成一座120万吨/a“氢气竖炉DRI+绿电电炉熔化单元”的生产装置（如图4所示），生产we1ectrichotmeta1给现有炼钢厂。先采用现有高炉熔化DRI,从2030年起，将采用电炉取代高炉冶炼直接还原铁，其中电炉电力最大比例来源于可再生能源。Directreductionp1ntwithme1tingunitU4蒂森克虎七“氨气竖炉+口炉均叱梃普蕨泡筋韩国浦项氢还原炼铁韩国原子能研究院开发超高温反应堆(VHTR)和中小型反应堆(SMART)核能制氢技术。韩国政府曾计划从2017年到2023年以官民合作方式研发氢还原炼铁法。2017年12月韩国开始启

8、动COO1STAR项目5,主要包括“高炉喷吹焦炉煤气、氢气的碳减排技术”和“以氢气作还原剂生产DR1电炉炼钢技术”2项课题。COo1STAR项目计划20172023年完成基础技术开发，2023-2024年进行中试规模的技术开发，完成技术验证，到2024年11月前完成氢还原炼铁工艺的开发；2024-2030年筛选出真正可行的技术并投入实际应用，2050年前后实现商用化应用。图5是浦项低碳技术路线图，其碳减排目标是：到2030年CO2排放量减少20%,到2040年CO2排放量减少50%,到2050年达到碳中和。过渡的低碳技术包括：（1）高炉喷吹CoG（部分氢还原）；（2）高炉喷吹生物质燃料；（3）

9、高炉使用流化床直接还原生产的1RI；（4）使用品质废钢；（5）Co2捕获和转化利用；（6）高温炉渣显热回收。碳中和技术路线是风电、太阳能发电水电解制氢-粉矿流化床氢气直接还原-热压DR1-电炉炼钢，计划10-20年内完成HyREX氢基流化床直接还原工艺的规模化开发，未来绿氢可大量供应时与电炉结合进行钢铁冶炼，以实现碳中和。图6是浦项HyREX氢基流化床直接还原电炉工艺流程。OSmart!-Mtion3zbn220fuv图、浦项低戌技术格或图RH4uItynzx1。化摩F1*通艰电h工2森”奥钢联和普瑞特低碳炼铁项目2017年初,奥钢联启动H2FUTURE项目，在1inz建立世界最大的6MW质子

10、交换膜电解制氢（PEM）装置，用可再生能源发电制氢。项目采用西门子的Si1yZer300设计方案，使用12个模块，H2产量（标态）为1200m3h,2019年11月投用。计划从2025年开始建设更大规模的制氢设备，20302035年实现商业运行。将氢气作为钢厂的绿色能源和炼铁还原剂，目标是将1inz钢厂的CO2减排1/3。普瑞特计划10-15年内将位于美国德克萨斯州的Midrex-NG工厂（200万吨/年）改为使用氢气。普瑞特HYFoR粉矿流化床氢气直接还原项目，借鉴Finmet、F1NEX技术和设备，将精矿粉（0.15mm）在预热-氧化装置中加热到约900C。进入流化床还原设备，氢气（主要还

11、原剂）通过导流栅进入还原设备。尾气经余热回收后干法除尘。约600C。热直接还原铁（HDRI）进行冷却或者生产热压铁块（HBI）供给电弧炉。在奥钢联DOnaWitZ钢厂建成了HYFoR工艺中试装置（如图7所示），2023年底投运，2023年45月成功进行了首次测试，每次精矿粉用量80Okg左右。商业化的直接还原装置将采用模块化设计，每个模块设计产能25万吨/年。IS?HTOR12中段装置瑞典无化石燃料钢铁制造项目SSAB计划到2032年CO2排放量比2018年减少35%,2035年前建成无化石燃料钢铁制造流程。由SSAB、Vattenfa11和1KAB联合开发的HYBRIT项目7,使用生物质油做

12、球团厂燃料，采用可再生能源发电、电解水制氢、氢气直接还原铁矿石生产直接还原铁。1万吨/年氢气竖炉直接还原中试工厂进行了试验，2023年6月生产出IoOt海绵铁。SSAB计划于2026年在瑞典北部建成一个设计年产能为130万吨的无化石燃料的海绵铁生产厂，使HYBRIT工艺工业化，目标是到2030年将海绵铁的生产规模扩大到270万吨。计划2026年前将其在瑞典Oxe1GSUnd厂的高炉停产，新建电弧炉；于20302040年间将拉赫厂和吕勒奥厂的高炉停产，新建电弧炉。2045年SSAB将完全实现无化石燃料钢铁制造。德国SaIZgitterAG的SA1COS项目为在2050年实现碳中和，德国Sa1zg

13、itter公司与Tenova公司合作，采用绿电水电解制氢和气基竖炉直接还原工艺，DR1供电炉炼钢。气基竖炉技术开发实施分3个阶段：Stage1使用天然气，Stage2使用65%天然气+35%氢气,Stage3采用氢气竖炉DRI+电炉炼钢。未来增加水电解制氢能力和竖炉DRI-电炉产能，相应对现有钢铁生产流程进行逐步改造，减少高炉和转炉，最终转变成无高炉和转炉的新型钢厂。图8是Sa1zgitterAG钢铁冶炼流程转型计划图。2023年3月完成可行性研究，计划建造一座风力发电厂、一套高温蒸汽电解槽(HTE)制氢装置和一座年产能200万吨的氢气直接还原铁厂。MKdz-M1FTACiJJH*4BHfi1

14、1Sa1zgitter于2016年4月正式启动了Gr1nHy1.0（GreenIndustria1Hydrogen,绿色工业制氢）项目8,采用固体氧化物电解工艺生产氢气和氧气，于2018年1月完成了系统工业化环境运行，2019年2月，Gr1nHy1O项目完成。之后又开展了GrInHy2.0项目，其理念是通过钢企产生的余热资源生产水蒸气，用水蒸气与绿色再生能源发电，然后采用高温电解水法生产氢气。氢气既可用于直接还原铁生产，也可用于钢铁生产的后续工序。Sa1zgitter开展水电解制氢工程试验,先后安装了固体氧化物电解设备（氢气产量（标态）40m3h）世界最大的高温蒸汽电解槽HTE（SUnfire

15、公司提供，额定功率720kW,氢气产量200m3h,用于SA1COS项目氢气竖炉直接还原试验）。此外，计划投产一座400m3h的制氢工厂，配备2.2MW的质子交换膜水电解设备（西门子提供）。安赛乐米塔尔碳减排技术安赛乐米塔尔欧洲公司计划到2030年将其欧洲钢厂的CO2排放量减少30%,2050年达到碳中和。实施碳循环高炉和氢气直接还原（碳避免）2条减碳工艺路线。图9和图10分别是安赛乐米塔尔欧洲公司碳循环高炉技术流程图、碳避免技术流程图。相IC玄久*J然葩幺门囊尸QMAAb相安赛乐米塔尔欧洲公司采用MidreX-H2工艺设备，将德国汉堡钢厂运行的天然气竖炉改为使用风电-电解水生产的氢气,DRI年产能10万吨,2025年商业化运行。计划在德国不莱梅和艾森许腾施塔特2个钢厂建设DRI-EAF流程，先使用天然气，再逐步以氢气代替天然气，直至全部使用氢气生产DRI。与EWE能源公司合作，第一阶段建设一座24MW的水电解制氢工厂，为不莱梅钢厂提供绿色氢气。计划在法国敦刻尔克厂采用氢气DR1-EAF工艺。安赛乐米塔尔的碳减排技术还包括：将从高炉尾气捕获的CO2用CH4（未来用生物质气和废塑料）重整为合成气，通过风口喷入高炉；钢厂尾气捕获的CO2经生物转化制化工产品或生物乙醇等。氢气竖炉直接还原工艺气基竖炉直接还原技术早在20世纪中叶就实现了