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“氢能炼铁”哪家强?

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-08-05  来源:冶金设备网  作者:admin  浏览次数:162
核心提示:上篇文章介绍了由瑞典钢铁公司发起的HYBRIT(突破性氢能炼铁技术)项目、由德国萨尔茨吉特钢铁公司发起的SALCOS(萨尔茨吉特低碳

上篇文章介绍了由瑞典钢铁公司发起的HYBRIT(突破性氢能炼铁技术)项目、由德国萨尔茨吉特钢铁公司发起的SALCOS(萨尔茨吉特低碳炼钢)项目和由奥钢联发起的H2FUTURE项目(详见《中国冶金报》7月19日02版),本文将对以这3个项目为代表的欧洲氢能利用项目的技术路径与特点进行分析,并介绍日本和中国相关项目的发展情况。

欧洲钢企氢能利用项目技术路径与特点

技术路径电解水制氢 从源头降低碳排放

制氢、储氢是利用氢能的关键所在。瑞典钢铁公司、萨尔茨吉特钢铁公司和奥钢联这3家钢企采用的都是电解水制氢工艺。该工艺的核心技术是质子交换膜技术,关键材料是铂金。萨尔茨吉特钢铁公司项目的独特之处在于利用钢铁生产工艺中产生的余热电解水制氢,更好地降低了整个系统的能源消耗。

从制氢能源来源来看,这3家钢企都联合了电力生产企业,发挥电力生产企业在发电方面的优势,采用水电、风电、太阳能等清洁能源发电,从源头上降低了碳排放。从电力利用效率来看,这3家钢企电解水制氢工艺的电力利用效率目标都在80%以上。

储氢需要建设相应的储氢设施。一种途径是在钢企内部建立储氢罐,另一种途径是借助专业气体生产商进行储存和运输。而经过直接还原铁工序之后富余的氢气,既可以供钢铁后续工序或其他行业使用,又可以利用质子交换膜技术实现氢气发电,用以平衡电网中可再生能源不足对电网造成的波动。

这3家钢企氢能利用项目都是采用氢气替代碳的低碳或无碳氢冶金技术,大幅减少了二氧化碳的产生与排放,同时配套采用电弧炉炼钢,消纳社会废钢。

从技术成熟度来看,奥钢联利用天然气直接还原铁的生产经验,采用氢气取代天然气直接还原铁,工艺可实现性较强。而瑞典钢铁公司和萨尔茨吉特钢铁公司在中试研究方面所需的投入更多。

这3家钢企氢能利用各有侧重。瑞典钢铁公司重点在炼铁和球团生产工序使用氢气替代化石能源。萨尔茨吉特钢铁公司则将氢气应用于直接还原铁和钢铁生产的下游工序冷轧等。奥钢联不仅仅将氢气用于钢铁生产,还试图将富余氢气应用于汽车等行业,拓展产业链。

特点超前谋划 注重可行性研究

从特点来看,这3家钢企都注重利用社会资源;注重提前谋划,意在实现2050年的减排目标;重视技术经济可行性研究。

首先,这3家钢企启动的氢能利用项目参与方众多,包括电力企业、电网公司、电解水制氢核心设备供应商、研究机构等。他们充分发挥了这些企业在氢能生产、应用、推广、原材料供应等方面的优势,如电力企业主要负责可再生能源发电方面的工作等。

这3家钢企的氢能利用项目得到了政府部门的资金支持,降低了企业负担,如瑞典钢铁公司的HYDRIT项目得到了瑞典能源署大量的资金支持。政府部门的参与有利于项目成果的推广应用。

其次,这3家钢企发起氢能利用项目研究的时间是2016年~2017年,项目预研与中试将在2021年前后完成,此后将进行近10年的示范运行测试,在2035年左右实现商业化运行,确保到2050年实现减排目标。为此,这3家钢企都确定了阶段性目标,确保项目稳步推进。这3个项目的示范运行测试时间都在10年左右,体现了钢企推进氢能利用项目的难度。

再其次,瑞典钢铁公司、萨尔茨吉特钢铁公司的研究重点都包括技术经济可行性。他们从发电成本、制氢成本、焦炭成本和碳排放的交易成本等方面综合评价了氢能在钢铁企业利用的可行性。

日本钢铁行业氢能利用

2014年11月份,日本钢铁协会根据《巴黎协定》确定了到2030年实现钢铁工业零碳排放的目标。拟通过生态化工艺、生态化产品、生态化解决方案来实现这一目标。

目前,日本钢铁协会正在推进COURSE50(创新炼铁工艺技术)国家项目,以及铁焦炼铁,氢还原炼铁,碳捕集、存储与利用等技术。为此,日本钢铁协会研究了全球吨钢二氧化碳排放强度和钢铁行业二氧化碳排放总量情况,见表。

当前,日本钢铁协会推动的低碳工艺技术以COURSE50为基础,以氢气替代部分焦炭的氢还原炼铁技术为主,配合使用碳捕集、存储与利用技术。其中,最关键的工艺技术是氢还原炼铁技术。日本钢铁协会根据以下公式计算氢还原炼铁技术的成本:

Fe2O3+3/2H2+48kJ→Fe+3/2H2O

日本钢铁协会估算生产1吨生铁需要601标准立方米氢气,补偿吸热反应需要67标准立方米氢气,加热融化到1600摄氏度需要85标准立方米氢气,共计需要753标准立方米氢气,按照75%的热效率计算,产生1吨生铁需要的氢气量为1000标准立方米。到2100年,全球氢气需求量为1.2万亿标准立方米/年。

日本钢铁协会还按照当前的炼焦成本估算出钢铁行业可以接受的氢气成本为7.7美分/标准立方米。

在推动COURSE50项目的同时,日本钢铁协会还将推动一些基础性研究,到2100年实现这些技术的全部应用,实现全社会低碳排放。这其中的核心技术包括零排放发电技术,核电、可再生能源发电技术,无碳制氢技术,利用核电和可再生能源低成本、大批量制氢技术等。

我国钢企在氢能利用方面的动作

2019年4月28日,生态环境部等5部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》,意在进一步降低钢铁行业各生产环节的污染物排放。钢铁企业尤其是特大型钢铁企业为了适应国内国际形势,也开始积极参与氢能利用项目。

2019年1月份,宝武集团与中核集团、清华大学签订《核能制氢冶金耦合技术战略合作框架协议》,三方将强强联合,资源共享,共同打造核冶金产业联盟。

2019年3月份,河钢与中国工程院战略咨询中心、中国钢研、东北大学联合组建氢能技术与产业创新中心,共同推进氢能技术创新与产业发展。河钢将重点在氢气存储与运输、燃料电池汽车、富氢冶金技术等领域开展研究。

两家中国钢铁企业涉足氢能利用,思路各异。宝武集团主要采用核能电解制氢工艺,但也不排除其他方面的应用扩展。河钢当前主要依托钢铁企业自身副产品制氢,制氢工艺成熟、成本相对较低。在应用方面,河钢前期将主要在氢燃料电池产业链进行布局,后期才会发展到富氢冶金技术领域。

因为拟采用的制氢工艺不同,两家中国钢企所选择的重点合作伙伴也有所差异。目前这两家中国钢企的前期项目研究尚未得到政府基金或专项科研基金的支持。与国外企业相比,在氢能制取的电解槽、燃料电池电极等方面,国内还有差距,有必要吸引电解槽设备供应商、燃料电池供应商或相关研究机构加入。

相信在国内企业、高等院校及科研院所、材料供应商、电力企业等的广泛参与和政府的大力支持下,经过长时间的不断努力,中国钢企的氢能利用之路,终能顺应时代的要求。

 

        《中国冶金报》(2019年08月02日 02版二版)

上篇文章介绍了由瑞典钢铁公司发起的HYBRIT(突破性氢能炼铁技术)项目、由德国萨尔茨吉特钢铁公司发起的SALCOS(萨尔茨吉特低碳炼钢)项目和由奥钢联发起的H2FUTURE项目(详见《中国冶金报》7月19日02版),本文将对以这3个项目为代表的欧洲氢能利用项目的技术路径与特点进行分析,并介绍日本和中国相关项目的发展情况。

欧洲钢企氢能利用项目技术路径与特点

技术路径电解水制氢 从源头降低碳排放

制氢、储氢是利用氢能的关键所在。瑞典钢铁公司、萨尔茨吉特钢铁公司和奥钢联这3家钢企采用的都是电解水制氢工艺。该工艺的核心技术是质子交换膜技术,关键材料是铂金。萨尔茨吉特钢铁公司项目的独特之处在于利用钢铁生产工艺中产生的余热电解水制氢,更好地降低了整个系统的能源消耗。

从制氢能源来源来看,这3家钢企都联合了电力生产企业,发挥电力生产企业在发电方面的优势,采用水电、风电、太阳能等清洁能源发电,从源头上降低了碳排放。从电力利用效率来看,这3家钢企电解水制氢工艺的电力利用效率目标都在80%以上。

储氢需要建设相应的储氢设施。一种途径是在钢企内部建立储氢罐,另一种途径是借助专业气体生产商进行储存和运输。而经过直接还原铁工序之后富余的氢气,既可以供钢铁后续工序或其他行业使用,又可以利用质子交换膜技术实现氢气发电,用以平衡电网中可再生能源不足对电网造成的波动。

这3家钢企氢能利用项目都是采用氢气替代碳的低碳或无碳氢冶金技术,大幅减少了二氧化碳的产生与排放,同时配套采用电弧炉炼钢,消纳社会废钢。

从技术成熟度来看,奥钢联利用天然气直接还原铁的生产经验,采用氢气取代天然气直接还原铁,工艺可实现性较强。而瑞典钢铁公司和萨尔茨吉特钢铁公司在中试研究方面所需的投入更多。

这3家钢企氢能利用各有侧重。瑞典钢铁公司重点在炼铁和球团生产工序使用氢气替代化石能源。萨尔茨吉特钢铁公司则将氢气应用于直接还原铁和钢铁生产的下游工序冷轧等。奥钢联不仅仅将氢气用于钢铁生产,还试图将富余氢气应用于汽车等行业,拓展产业链。

特点超前谋划 注重可行性研究

从特点来看,这3家钢企都注重利用社会资源;注重提前谋划,意在实现2050年的减排目标;重视技术经济可行性研究。

首先,这3家钢企启动的氢能利用项目参与方众多,包括电力企业、电网公司、电解水制氢核心设备供应商、研究机构等。他们充分发挥了这些企业在氢能生产、应用、推广、原材料供应等方面的优势,如电力企业主要负责可再生能源发电方面的工作等。

这3家钢企的氢能利用项目得到了政府部门的资金支持,降低了企业负担,如瑞典钢铁公司的HYDRIT项目得到了瑞典能源署大量的资金支持。政府部门的参与有利于项目成果的推广应用。

其次,这3家钢企发起氢能利用项目研究的时间是2016年~2017年,项目预研与中试将在2021年前后完成,此后将进行近10年的示范运行测试,在2035年左右实现商业化运行,确保到2050年实现减排目标。为此,这3家钢企都确定了阶段性目标,确保项目稳步推进。这3个项目的示范运行测试时间都在10年左右,体现了钢企推进氢能利用项目的难度。

再其次,瑞典钢铁公司、萨尔茨吉特钢铁公司的研究重点都包括技术经济可行性。他们从发电成本、制氢成本、焦炭成本和碳排放的交易成本等方面综合评价了氢能在钢铁企业利用的可行性。

日本钢铁行业氢能利用

2014年11月份,日本钢铁协会根据《巴黎协定》确定了到2030年实现钢铁工业零碳排放的目标。拟通过生态化工艺、生态化产品、生态化解决方案来实现这一目标。

目前,日本钢铁协会正在推进COURSE50(创新炼铁工艺技术)国家项目,以及铁焦炼铁,氢还原炼铁,碳捕集、存储与利用等技术。为此,日本钢铁协会研究了全球吨钢二氧化碳排放强度和钢铁行业二氧化碳排放总量情况,见表。

当前,日本钢铁协会推动的低碳工艺技术以COURSE50为基础,以氢气替代部分焦炭的氢还原炼铁技术为主,配合使用碳捕集、存储与利用技术。其中,最关键的工艺技术是氢还原炼铁技术。日本钢铁协会根据以下公式计算氢还原炼铁技术的成本:

Fe2O3+3/2H2+48kJ→Fe+3/2H2O

日本钢铁协会估算生产1吨生铁需要601标准立方米氢气,补偿吸热反应需要67标准立方米氢气,加热融化到1600摄氏度需要85标准立方米氢气,共计需要753标准立方米氢气,按照75%的热效率计算,产生1吨生铁需要的氢气量为1000标准立方米。到2100年,全球氢气需求量为1.2万亿标准立方米/年。

日本钢铁协会还按照当前的炼焦成本估算出钢铁行业可以接受的氢气成本为7.7美分/标准立方米。

在推动COURSE50项目的同时,日本钢铁协会还将推动一些基础性研究,到2100年实现这些技术的全部应用,实现全社会低碳排放。这其中的核心技术包括零排放发电技术,核电、可再生能源发电技术,无碳制氢技术,利用核电和可再生能源低成本、大批量制氢技术等。

我国钢企在氢能利用方面的动作

2019年4月28日,生态环境部等5部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》,意在进一步降低钢铁行业各生产环节的污染物排放。钢铁企业尤其是特大型钢铁企业为了适应国内国际形势,也开始积极参与氢能利用项目。

2019年1月份,宝武集团与中核集团、清华大学签订《核能制氢冶金耦合技术战略合作框架协议》,三方将强强联合,资源共享,共同打造核冶金产业联盟。

2019年3月份,河钢与中国工程院战略咨询中心、中国钢研、东北大学联合组建氢能技术与产业创新中心,共同推进氢能技术创新与产业发展。河钢将重点在氢气存储与运输、燃料电池汽车、富氢冶金技术等领域开展研究。

两家中国钢铁企业涉足氢能利用,思路各异。宝武集团主要采用核能电解制氢工艺,但也不排除其他方面的应用扩展。河钢当前主要依托钢铁企业自身副产品制氢,制氢工艺成熟、成本相对较低。在应用方面,河钢前期将主要在氢燃料电池产业链进行布局,后期才会发展到富氢冶金技术领域。

因为拟采用的制氢工艺不同,两家中国钢企所选择的重点合作伙伴也有所差异。目前这两家中国钢企的前期项目研究尚未得到政府基金或专项科研基金的支持。与国外企业相比,在氢能制取的电解槽、燃料电池电极等方面,国内还有差距,有必要吸引电解槽设备供应商、燃料电池供应商或相关研究机构加入。

相信在国内企业、高等院校及科研院所、材料供应商、电力企业等的广泛参与和政府的大力支持下,经过长时间的不断努力,中国钢企的氢能利用之路,终能顺应时代的要求。

 

 
 
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