氢启钢铁专题｜创新性氢基炼钢工艺

前 言

用天然气代替焦炭能显著减少初级炼钢过程中的二氧化碳排放，向高炉注入氢气或氨气也能做到这一点。然而，没有一种方法可以实现碳中和，因为它们不能完全去除炼钢过程中的碳。

显然，需要能够生产碳中性钢的新技术。2014年，Fischedick等人根据生产一吨粗钢的物质和能量流，对三种创新性钢铁生产技术，即含碳捕集与封存（BF-CCS）的高炉技术、铁矿石电解或电积（EW）技术和铁矿石氢基直接还原（H₂-DRI）技术的经济可行性进行了评估。在研究中，发现H₂-DRI是最有吸引力的经济和环境的选择。在超低二氧化碳炼钢（ULCOS）项目下，正在探索将CCS整合到炼钢中。然而，对捕获的CO₂的安全运输和储存的担忧，使CCS的选择不那么有吸引力。电积或熔融电解铁矿石是一项相对较新的技术，距离达到商业可行还差很远。本文详细讨论了几种新型氢基炼钢工艺。

1 新型氢基炼钢

下面讨论了五种氢基炼钢技术，每种技术都考虑了优点和缺点。

1.1 HYBRIT

2016年，洛萨瓦拉-基律纳瓦拉有限责任公司，Svenskt Stål AB和Vattenfall与瑞典能源署一起开始建造三个试点工厂，使用氢直接还原铁矿石。该概念被称为HYBRIT项目，在直接还原过程中，使用优化开发的铁矿石球团通过氢气进行还原。还原在比高炉温度更低的固态下发生，并产生直接还原海绵铁（DRI）。氢气是通过使用可再生电力进行电解产生的，氧气是副产品。

挪威斯塔万格大学（University of Stavanger）研究了氢气体在氧化铁界面上吸附所发生的化学反应。研究表明，使用纯氢比使用合成气（CO和H₂的混合物）在700-900℃之间的温度时铁矿石还原率更高。还发现，在高于900℃的温度下，由于烧结和在铁矿石球团上形成致密的外层，反应速率降低。这些还原反应的活化能值从11kJ/mol到246kl/mol不等。有必要进行更彻底的研究，以评估与纯H₂的铁矿石还原反应所需的表观活化能。

优点：① 生产灵活性高；② 启停方便；③ 将DRI作为HBI送入高炉-转炉系统，意味着在竖炉/电炉生产增加的同时，可以使用现有的传统棕地工厂。

缺点：该工艺仍然需要铁矿石球团，根据球团厂的热源，生产可能会造成大量排放。

试验项目：自2018年以来，HYBRIT试点工厂一直在瑞典Oxelosund和瑞典Luleå的SSAB基地开展。

1.2 流化床氢气直接还原铁

Circored工艺使用精加工的铁矿粉代替球团，直接还原铁矿粉，无需预先制球。使用纯氢作为还原气体时，其还原温度比HYBRIT要低。这是一个三段的工艺，每段都使用流化床。第一个还原阶段是循环流化床（CFB）对矿石进行预热，第二个阶段是在第二流化床（FB）反应器中进行部分还原，第三个阶段使金属化率达到93%-95%。

循环过程的关键步骤如下：①对铁矿粉进行预热大约850-900℃；② 630℃时，在下一循环流化床中进行快速预还原步骤，实现65%-75%的金属化率；③ 在650℃的流化床中最终还原，达到93%-95%的金属化率。

Circored工艺优点：① Circored-电炉路线排放的二氧化碳仅为BF-BOF路线排放的二氧化碳的50%左右；②使用矿粉代替球团，可以消除球团的生产，降低成本和CO₂高排放；③流化床反应器比竖炉减少了内部粘滞问题，实现更高的金属化率（约95%到90%）。

缺点：①该工艺与竖炉法有同样的H₂供应、电解槽和运行成本问题。其供电必须是100%绿色能源，才能实现碳中和。②流化床反应器比竖炉投资高。

试验项目：奥托昆普于1999年开始在特立尼达和多巴哥使用Circored工艺生产H₂-DRI，HBI产量达到65t/ h。然而，如今，该工厂归安赛乐米塔尔所有，自2015年以来一直处于闲置状态。

1.3 等离子体直接炼钢

等离子炼钢反应器中，细粒铁矿或铁矿被氢等离子体还原。向反应器中添加碳来生产钢。氢等离子体是经过加热或带电分离或电离成氢原子的H₂气体。

优点：该工艺不需要对铁矿石进行预处理，并允许降低反应器温度。这使其具有商业吸引力。

缺点：该技术处于非常早期的发展阶段，最佳工艺和完整的反应器设计尚未开发，商业可行性还有待证实。

试验项目：奥地利钢铁制造商奥钢联（Voestalpine）在其多纳维茨工厂建造了一个小型氢等离子体还原反应器试验基地。

1.4 电解工艺

电解工艺有两种类型：电解法和电解沉积法。电解法利用电作为还原剂，在1550℃左右将铁矿石转化为钢液。在电积法中，铁矿石被磨成超细精矿，浸出，然后在110℃左右、流体在电解槽中被还原。得到的铁板在电弧炉中熔化。ULCOLYSIS是主要的电解方法，ULCOWIN是主要的电积工艺。  

优点：由于这些方法跳过了其他生产路线所需的上游阶段，如生产焦炭或氢作为还原剂，因此电解工艺可能成为最节能的炼钢方法，尤其是电解。

缺点：铁矿石的电解仍在实验室中进行测试，这意味着一个漫长而昂贵的开发过程。与H₂直接还原铁方法相比，该过程也相对不灵活，因为其不能轻易停止。

试验项目：欧盟的ULCOS项目涉及包括安赛乐米塔尔在内的多家欧洲钢铁制造商，使ULCOLYSIS和ULCOWIN得到了发展。项目演示了实验室规模的高温电解直接生产钢液。

1.5 悬浮炼铁

该工艺从对低品级铁矿进行超细磨矿生产铁精矿开始。然后在高温“闪蒸”反应器中使用氢气将其还原，只需几秒钟，如果添加碳，就可以直接生产钢。铁精矿也可以在单独的反应器中在较低温度下进行预还原，然后加入闪蒸反应器。

优点：在一个反应器中将铁矿石直接还原为铁，无需炼铁、烧结或球团，具有显著的成本和排放效益。由于高温和快速反应时间确保杂质更少，还可生产出更清洁的钢。

缺点：该技术尚未得到很好的发展，仍处于试验阶段，尚未进行大型反应器试验。

从实用的角度来看，铁矿石必须磨成直径小于100微米的颗粒，这需要高能量强度并增加了工厂维护。

试验项目：犹他大学（美国）在实验室反应堆中进行了概念验证试验，并正在开发用于工业工艺和反应器设计。

2 新技术比较

上述五种工艺中，悬浮炼铁、等离子体直接炼钢和电解工艺三种技术尚处于早期发展阶段。它们的大规模生产的技术和经济可行性还有待检验。竖炉反应器和流化床反应器处于较先进的商业化阶段。

3 欧洲的氢战略

欧洲各国政府计划投资90亿欧元促进氢气生产，该基金将重点关注“绿色”氢气。这包括：① 推广电解槽；② 推广氢的扩大使用；③启动包括交通部门在内的“氢技术2030”研究计划；④在转向气候友好型工业过程时，为氢气生产提供投资和运营赠款；⑤ 加强基础设施建设；⑥扩大国际伙伴关系。

4 印度的氢基炼钢

印度需要开始探索深度脱碳替代方案，包括氢、电气化和碳捕获、利用和储存（CCUS）。主要挑战之一是以足够低的成本生产足够数量的氢气。图1显示了未来制氢技术的适用性。在图1中，绿色代表正评分，橙色代表混合评分，红色代表负评分。技术准备水平（TRL），从1（基础规范）到9（广泛实现）。

印度矿物和材料技术研究所（IMMT）在其上一轮研究（2010-2015年）中进行了氢等离子体技术的试验，规模为5-10kg（IMMT，2019年）。据报道，要实现下一个规模试验（约100kg），将需要大约5亿卢比（折合617万美元）。

塔塔钢铁公司已经试验了由Hoogovens、Corus和塔塔钢铁欧洲公司在欧洲开发的Hisarna直接还原工艺。该工艺使用粉煤作为燃料和还原剂。矿石在位于第二反应器——熔融还原炉（SRV）上方的旋风转炉（CCF）中加热并被部分还原为固态DRI。将煤粉和氧气注入顶部容器，生成的DRI落入SRV，再向SRV注入煤和氧气，最终还原为液态铁和熔渣。

塔塔公司在2018年表示，从2030年起，与传统高炉相比，这项技术可以减少60%的炼铁排放。

5 结论

虽然氢是地球上最丰富的元素之一，但从化合物中提取氢需要很高的能量。目前，绿色制氢的成本高于传统的化石燃料方法，并且依赖于可再生能源的成本。这一数值因地区而异，随着可再生能源和绿色氢气的生产能力和补贴的增加，这一数值会下降。氢气可以用作生产DRI的替代还原剂，DRI在电弧炉中熔化进一步加工成钢。值得注意的是，要实现钢铁工业碳中和的目标，并不需要完全过渡到纯氢基炼钢生产。  

《世界金属导报》

2023年第38期 B14

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