11月11日，在德國杜伊斯堡的蒂森克虜伯鋼廠，第一批氫氣被注入9號高爐，標(biāo)志著“以氫(氣)代煤(粉)”作為高爐還原劑的試驗(yàn)項目正式啟動。這一嘗試在全球尚屬首次，隨著氫氣開始注入杜伊斯堡9號高爐，鋼鐵產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個新時代。
試驗(yàn)啟動現(xiàn)場
這一項目的原理是：將氫氣代替煤炭作為高爐的還原劑，以減少乃至完全避免鋼鐵生產(chǎn)中的二氧化碳排放。在傳統(tǒng)的工藝流程中，需要在高爐中消耗300千克的焦炭和200千克的煤粉作為還原劑，才能生產(chǎn)出1噸生鐵。
而在鋼鐵生產(chǎn)中，氫氣可用作為鐵礦石的無排放還原劑，對氣候保護(hù)十分有益。氫氣燃燒的副產(chǎn)物只有水，并不產(chǎn)生有害氣體。它能以高能量密度的液體或氣體形式儲存和運(yùn)輸，且用途廣泛。由于其多功能性，氫氣在向清潔、低碳能源系統(tǒng)的過渡過程中起著關(guān)鍵作用。
氫氣通過管道注入9號高爐
按照計劃，在項目初始測試階段，氫氣將通過一個風(fēng)口被注入杜伊斯堡鋼廠的9號高爐中，并視情況逐漸擴(kuò)展至該高爐的全部28個風(fēng)口。預(yù)計到2022年，鋼廠的另外三個高爐也將實(shí)現(xiàn)“以氫代煤”的技術(shù)應(yīng)用。屆時，該技術(shù)有望減少鋼鐵生產(chǎn)過程中約20%的二氧化碳排放。
為降低鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳排放，除了使用氫氣進(jìn)行生產(chǎn)脫碳的“以氫代煤”項目，蒂森克虜伯在杜伊斯堡鋼廠試驗(yàn)的Carbon2 Chem項目也值得一提。
與避免溫室氣體的排放相比，更理想的方法是將它們回收利用。蒂森克虜伯Carbon2 Chem項目旨在將鋼鐵工廠的廢氣轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品原材料，這些廢氣中的溫室氣體將不再被排放至大氣中。
據(jù)估計，若本技術(shù)普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，則有望為德國鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)化二氧化碳約2000萬噸/每年。此外，該技術(shù)也可應(yīng)用于其他二氧化碳密集型行業(yè)。
Carbon2 Chem項目的原理是：
鋼廠廢氣中含有寶貴的化工原材料，例如以一氧化碳和二氧化碳形式存在的碳，以及氮和氫等。這些原材料可以用于生產(chǎn)含有碳和氫的合成氣體。而這些合成氣體則是生產(chǎn)氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種化工產(chǎn)品的原料。
目前，此類合成氣體主要提取自天然氣、煤等化石燃料。因此，Carbon2 Chem不僅可轉(zhuǎn)化鋼廠廢氣中的二氧化碳，同時也節(jié)省了生產(chǎn)此類合成氣體的二氧化碳用量。
2018年9月，蒂森克虜伯Carbon2 Chem項目就成功地應(yīng)用了可將鋼廠廢氣轉(zhuǎn)化為合成燃料甲醇的技術(shù)，并成功生產(chǎn)出第一批甲醇。而在2019年1月，蒂森克虜伯已成功從鋼廠廢氣中生產(chǎn)出氨，這在全球范圍內(nèi)尚屬首次。
日本氫能源最近情況
說起氫能，不得不提一下豐田的氫燃料電池轎車Mirai，Mirai將會成為2020年東京奧運(yùn)會的官方用車——不僅是500輛貴賓用車將全部采用豐田的第二代氫能源車，同時比賽場地與選手村之間的運(yùn)送大巴，以及選手村內(nèi)的自動駕駛汽車，也將使用豐田的氫能源車。
據(jù)亞洲通訊社社長徐靜波報道，日本已經(jīng)有2家制氫工廠，就在大家把記憶停留在福島第一核電站發(fā)生核泄漏的事件時，福島已經(jīng)停掉第一核電站，第二核電站也在停止發(fā)電中，隨之，這里建成了全世界最大規(guī)模的制氫工廠(占地總面積為22萬平方米，其中18萬公頃為太陽能發(fā)電區(qū)域，4萬公頃為制氫車間)。而制氫所需要的電力，則來自于太陽能發(fā)電。
這家制氫工廠每小時生產(chǎn)的氫氣為2000立方米，年生產(chǎn)能力為900t-H2，可以滿足1萬輛氫能源汽車一年的氫能所需。
韓國將氫還原煉鐵法指定為國家核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)
早在2009年，韓國原子能研究院與POSCO等韓國國內(nèi)13家企業(yè)及機(jī)關(guān)共同簽署原子能氫氣合作協(xié)議(KNHA)，正式開始開展核能制氫信息交流和技術(shù)研發(fā)。2010年5月，POSCO正式開發(fā)著手開發(fā)超高溫煤氣爐(VHTR, Very High Temperature Reactor)和智能原子爐(SMART: System-integrated Modular Advanced Reactor)。
韓國政府從2017年到2023年投入1500億韓元(約合9.15億人民幣)，以官民合作方式研發(fā)氫還原煉鐵法。
韓國計劃將通過以下三步完成氫還原煉鐵：
第一步：從2025年開始試驗(yàn)爐試運(yùn)行;
第二步：從2030年開始在2座高爐實(shí)際投入生產(chǎn);
第三步：到2040年12座高爐投入使用，從而完成氫還原煉鐵。
從預(yù)計投入資金情況來看，從技術(shù)研發(fā)到在2座高爐上實(shí)際投入生產(chǎn)，需要投入8000億韓元(約合48.78億元人民幣)的資金，可減少1.6%的二氧化碳排放，在12座高爐實(shí)際投入生產(chǎn)，預(yù)計需要投入4.8萬億韓元(約合292.68億元人民幣)資金，可減少8.7%的二氧化碳排放。
氫還原煉鐵法有以下4項核心技術(shù)：
(1)氫氣增幅技術(shù)：通過焦?fàn)t煤氣(COG)改質(zhì)，提高COG中氫含量，使其達(dá)到高爐氫還原要求。
(2)實(shí)際操作中的全新技術(shù)開發(fā)：氫氣吹入技術(shù)、爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)最佳化技術(shù)、難還原礦及低品位礦石還原技術(shù)、焦炭燒結(jié)礦爐渣品質(zhì)設(shè)計技術(shù)等等實(shí)際操作中需要的全新技術(shù)開發(fā)非常重要。
(3)超耐熱超耐腐蝕原材料開發(fā)：需要先行開發(fā)可以儲藏高溫、高壓氫氣和在900度以上高溫下的超耐腐蝕高溫材料。
(4)利用氫氣的直接還原鐵(DRI)生產(chǎn)技術(shù)：開發(fā)利用氫氣，將鐵礦石在固體狀態(tài)下直接還原成DRI的生產(chǎn)技術(shù)，從而使用DRI替代在電爐中使用的高級廢鋼。
中國核能制氫與氫能冶金已經(jīng)具備基礎(chǔ)條件
2019年3月8日，中核集團(tuán)舉辦了“中核集團(tuán)‘兩會’代表委員記者見面會”。中核集團(tuán)董事長余劍鋒介紹：高溫氣冷堆是中國自主研發(fā)的具有固有安全性的第四代先進(jìn)核能技術(shù)，具有安全性好、出口溫度高等優(yōu)勢，其高溫高壓的特點(diǎn)與適合大規(guī)模制氫的熱化學(xué)循環(huán)制氫技術(shù)十分匹配，被公認(rèn)為最適合核能制氫的堆型。
一臺60萬千瓦高溫氣冷堆機(jī)組可滿足180萬噸鋼對氫氣、電力及部分氧氣的能量需求，每年可減排約300萬噸二氧化碳，減少能源消費(fèi)約100萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。
目前，中國已建成并運(yùn)行10兆瓦高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆，20萬千瓦高溫氣冷堆商業(yè)示范電站預(yù)計將于2020年建成投產(chǎn)，中國在高溫氣冷堆技術(shù)領(lǐng)域已居世界領(lǐng)先地位。中核集團(tuán)聯(lián)合清華大學(xué)已啟動60萬千瓦高溫氣冷堆商用核電站的項目實(shí)施工作，并已基本完成其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和評審，已啟動廠址選擇工作。
10月11日，國家能源委會議上明確提出，探索氫能商業(yè)化路徑。這是6年來開的第三次國家能源委會議，表明氫能已經(jīng)提到了國家戰(zhàn)略高度。
氫能利用項目及技術(shù)已是全球課題
隨著二氧化碳減排壓力的增大，氫氣還原技術(shù)受到了越來越多的重視，迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)會。在“氫能煉鋼”方面，近年來，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。
除了上面介紹的之外，還有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項目等等。
在氫能源革命這條道路上，新技術(shù)將會迅速涌現(xiàn)和迭代，讓我們拭目以待。
