一線調(diào)研｜“碳冶金”變“氫冶金”意味著什么

 

8月3日下午，位于張家口市宣化區(qū)的河鋼集團(tuán)張宣高科科技有限公司氫冶金項(xiàng)目現(xiàn)場，一座118米高的氫基豎爐巍然聳立，豎爐周圍簇?fù)碇幚?、加熱爐、二氧化碳脫除等裝置，高低錯落的通廊、密集架設(shè)的管道將各個(gè)裝置連接，整套設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。

 

2022年12月，張宣科技120萬噸氫冶金示范工程一期全線貫通，這是全球首例采用“焦?fàn)t煤氣零重整豎爐直接還原”工藝技術(shù)的氫冶金示范工程。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，今年5月，項(xiàng)目正式實(shí)現(xiàn)安全、連續(xù)、順利生產(chǎn)。

 

置身現(xiàn)場，氫冶金與傳統(tǒng)煉鐵工藝在觀感上差別很大。傳統(tǒng)高爐被氫基豎爐取代，一個(gè)個(gè)銀白色的反應(yīng)罐，密布的管道和閥門、儀表，也是傳統(tǒng)高爐煉鐵所沒有的，這里更像一座化工廠。

 

“這些反應(yīng)罐和管道內(nèi)流通的是焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t煤氣經(jīng)過深度凈化、脫除雜質(zhì)，加壓進(jìn)入氫基豎爐內(nèi)，之后該氣體的主要成分氫將與鐵礦石進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)。”張宣科技?xì)湟苯鹱鳂I(yè)區(qū)作業(yè)長呂志敏一邊說，一邊手指管線描述大致流程。

 

采用氫氣作為還原劑和過程燃料，是氫冶金與傳統(tǒng)高爐煉鐵本質(zhì)的不同。“高爐煉鐵是鐵礦石和焦炭反應(yīng)，將鐵礦石中的氧化鐵還原成單質(zhì)鐵，變成鐵水。而氫冶金是氫與鐵礦石反應(yīng)，置換出鐵礦石中的氧，整個(gè)過程是氣體與固體的反應(yīng)。”呂志敏將兩種工藝進(jìn)行對比。

 

與傳統(tǒng)工藝比，氫冶金在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源替代的同時(shí)，也改變了整個(gè)冶金的生產(chǎn)流程。

 

當(dāng)前，鋼鐵企業(yè)普遍的冶煉工藝是“高爐+轉(zhuǎn)爐”的模式，在高爐冶煉出鐵水，再經(jīng)轉(zhuǎn)爐熔煉成鋼，這種模式被稱為長流程煉鋼。氫冶金技術(shù)省去高爐等流程，所產(chǎn)出的DRI（直接還原鐵）產(chǎn)品直接轉(zhuǎn)入電爐，工藝流程環(huán)節(jié)減少，復(fù)雜度也大大降低。

 

能源的轉(zhuǎn)換，加上冶煉流程的縮短，氫冶金帶來最直接的改變是碳排放量的變化。對此，全程參與氫冶金項(xiàng)目的張宣科技技術(shù)中心副主任李洋感受頗深。

 

“傳統(tǒng)的冶煉工藝，以含碳量高的煤和焦炭作為燃料，每生產(chǎn)一噸鋼，約排放2噸二氧化碳，其中有1.6噸至1.7噸在高爐環(huán)節(jié)產(chǎn)生。而氫冶金使用的焦?fàn)t煤氣，本身含有55%至65%的氫氣，可直接利用，還有15%的甲烷可分解為氫氣和一氧化碳，最終，還原氣體中的氫碳比達(dá)到8∶1以上。”作為一名鋼鐵行業(yè)的老兵，李洋經(jīng)歷過高爐煉鐵的鼎盛時(shí)代，他直言氫冶金是鋼鐵冶煉的重大技術(shù)革新。

 

一組數(shù)據(jù)可以說明氫冶金的減排效果。據(jù)測算，與同等生產(chǎn)規(guī)模的“高爐+轉(zhuǎn)爐”長流程工藝相比，氫冶金示范工程一期每年可減少二氧化碳排放80萬噸，減排比例達(dá)到70%以上，同時(shí)二氧化硫、氮氧化合物、煙粉塵排放分別減少30%、70%和80%以上。

 

為了將減排效果做到極致，該氫冶金項(xiàng)目在規(guī)劃時(shí)，還配套了二氧化碳捕集和精制系統(tǒng)。

 

在項(xiàng)目現(xiàn)場焦?fàn)t煤氣壓縮機(jī)東側(cè)區(qū)域，呂志敏告訴筆者，二氧化碳精制過程在這里完成。“我們會將氫冶金過程中產(chǎn)生的部分二氧化碳捕集，進(jìn)而脫水、加壓，精制成工業(yè)級液體二氧化碳和食品級液體二氧化碳，預(yù)計(jì)生產(chǎn)一噸DRI產(chǎn)品可捕集二氧化碳約125千克，項(xiàng)目可年產(chǎn)二氧化碳副產(chǎn)品約6萬噸。”

 

當(dāng)天17時(shí)，呂志敏趕回氫冶金項(xiàng)目辦公樓，循例參加項(xiàng)目部的會議。會議議題是對整個(gè)工藝流程進(jìn)行再梳理、再優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)減碳潛力，探索當(dāng)前工藝下的降碳極限。呂志敏表示，自5月以來，這樣的會議至少是一天一開，目的是努力打造行業(yè)首條“零碳”示范產(chǎn)線。

 

在氫冶金項(xiàng)目辦公樓大廳內(nèi)，展示著一封5月31日中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會發(fā)來的賀信。賀信中說，氫冶金項(xiàng)目一期工程的成功，是由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變的重要里程碑，引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)邁入“以氫代煤”冶煉“綠鋼”的時(shí)代。