Populærvitenskap | En detaljert forklaring av hydrogenmetallurgi

I løpet av de siste dagene har Hesteels verdens første demonstrasjonsprosjekt på 1,2 millioner tonn hydrogenmetallurgi oppnådd sikker og jevn kontinuerlig produksjon av grønne DRI-produkter. For tiden har metalliseringshastigheten til DRI-produkter nådd 94%, og nøkkelindikatorene har fullt ut oppfylt de kvalifiserte produktstandardene. De kan brukes som high-end materialer for å produsere høykvalitets rene råvarer, og er viktige råvarer for å erstatte elektrisk ovnskrot, spesielt høykvalitets skrap. Dette markerer den fullstendige suksessen til den første fasen av HBIS sitt demonstrasjonsprosjekt for hydrogenmetallurgi. Dette prosjektet er det første eksemplet på bruk av hydrogen som energikilde for storskala industriell produksjon. En viktig milepæl i transformasjonen.

Ettersom «karbontopping og karbonnøytralitet» blir hovedtemaet for global industriutvikling, må stålindustrien, som er nummer to i karbonutslipp, gjennomgå grundige reformer. På grunn av det enorme potensialet for utslippsreduksjon, har hydrogenmetallurgi blitt den dominerende høyden som ledende stålselskaper er fast bestemt på å vinne. Mange innenlandske og utenlandske stålselskaper implementerer energisk prosjekter som hydrogenenergimetallurgi, grønn hydrogenforberedelse og hydrogenenergiforsyning. Fra "karbonmetallurgi" til "hydrogenmetallurgi" forventes jern- og stålindustrien å fjerne hattene med høye karbonutslipp, høy forurensning og høyt energiforbruk.

Reduksjonsreaksjon med substitusjon av hydrogen med karbon

Hydrogenmetallurgi bruker hydrogen i stedet for karbon som reduksjonsmiddel og energikilde for jernfremstilling. Reduksjonsproduktet er vann, som kan oppnå null karbonutslipp (den grunnleggende reaksjonsformelen er Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O, reduksjonsmidlet er hydrogen, og produktene er jern og vann).

01

masovnshydrogenrik reduksjon

Det vil si at hydrogenrike gasser som naturgass og koksovnsgass injiseres for å delta i jernfremstillingsprosessen. Relevante eksperimenter har vist at hydrogenanriket reduksjonsjernfremstilling i masovner kan redusere karbonutslipp til en viss grad ved å akselerere reduksjonen av ladning, men fordi prosessen er basert på tradisjonelle masovner, kan ikke skjeletteffekten av koks erstattes fullstendig, og mengden hydrogeninjeksjon har en grenseverdi , det antas generelt at reduksjonshastigheten for karbonutslipp av masovns hydrogenrik reduksjon kan nå 10% -20%, og effekten er ikke betydelig nok.

02

Gassbasert direkte reduksjonssjaktovn

Det vil si at ved å bruke en blanding av hydrogen og karbonmonoksid som reduksjonsmiddel, omdannes jernmalm til direkte redusert jern, som deretter settes inn i en elektrisk ovn for videre smelting. Tilsetning av hydrogen som reduksjonsmiddel kontrollerer effektivt karbonutslipp. Sammenlignet med den hydrogenrike reduksjonsmasovnen kan utslippet av karbondioksid per tonn reduseres med mer enn 50 %. Denne metoden er mer egnet for hydrogenmetallurgi.

Karbonreduksjonshastigheten for masovnshydrogenanrikning er 10-20 %, og effekten er begrenset. Den gassbaserte direkte reduksjonsakselovnsprosessen er en direkte reduksjonsteknologi som ikke krever forkoksing, sintring, jernfremstilling, etc., og kan kontrollere karbonutslipp fra kilden. Sammenlignet med masovnshydrogenrik reduksjon, kan karbonreduksjonshastigheten nå mer enn 50%, og utslippsreduksjonspotensialet er relativt lavt. Det er en effektiv måte å raskt utvide produksjonen av direkte redusert jern. Imidlertid har den gassbaserte sjaktovnen mange problemer som sterk varmeabsorpsjonseffekt, økt H2-gassvolum inn i ovnen, økte produksjonskostnader, redusert H2-reduksjonshastighet, høy produktaktivitet og vanskeligheter med passivering og transport.

Multinasjonal utgivelse av hydrogenmetallurgiteknologi veikart

I de siste årene har den globale jern- og stålindustrien aktivt utført praksisen med hydrogenenergimetallurgi. Stålselskaper i Europa, Japan, Sør-Korea og andre land og regioner har utarbeidet veikart for lavkarbonmetallurgiteknologi, inkludert hydrogenenergimetallurgi, akselerert forskning og utvikling, testing og anvendelse, og søkt teknologiske gjennombrudd for å oppnå karbonnøytralitet.

For tiden er det allerede noen tilfeller av hydrogenmetallurgiteknologi i verden, for eksempel det svenske anhydridjern HYBRIT-prosjektet, Salzgitter SALCOS-prosjektet, VAI H2Future-prosjektet og ThyssenKrupp Carbon2Chem-prosjektet i Tyskland.

Kina har en lang vei å gå for å realisere "grønn hydrogenmetallurgi"

For tiden har noen innenlandske jern- og stålbedrifter gitt ut planer for hydrogenmetallurgi, bygget demonstrasjonsprosjekter og satt dem i drift, og oppnådd visse innovative gjennombrudd. Imidlertid er demonstrasjonsprosjektene fortsatt i stadiet med industriell testing, og det er fortsatt ufullkommen infrastruktur, tomme relevante standarder, høye kostnader og sikkerhetsproblemer. Hydrogen og andre problemer, og med tanke på faktorer som gasskilde, klargjøring, lagring og transport, og kostnader på dette stadiet, er det meste av hydrogenet som brukes fortsatt "grått hydrogen", og det er fortsatt en lang vei å gå før man realiserer "grønt" hydrogenmetallurgi".

De viktigste bruksmetodene for hydrogenmetallurgi i Kinas jern- og stålindustri inkluderer: masovns hydrogenrik smelteteknologi, hydrogenakselovns direkte reduksjonsteknologi, hydrogenbasert smeltingsreduksjonsteknologi for jernfremstilling, etc. Ut fra anvendelsesfremgangen til kinesisk jern og stål bedrifter, kan hydrogenmetallurgi-teknologi bidra til å redusere karbonutslippene betydelig, fremme utnyttelsen av karbonressurser, fremme utviklingen av nye grønne kortprosessprosesser, realisere fossilfri smelting og åpne for stål-kjemisk-hydrogen energikobling for å redusere karbonruten . I tillegg har hydrogenenergi også oppnådd gode resultater innen energisparing og miljøvern innen logistikk og transport av kinesiske jern- og stålbedrifter.

Hvis Kina ønsker å realisere grønn hydrogenmetallurgi, må det studere nøkkelteknologier innen distribuert grønn energiutnyttelse, hydrogenproduksjon og -lagring, hydrogenmetallurgi og CO2-fjerning i fremtiden, og danne en ny metallurgisk produksjonsprosess for jern og stål med hydrogenenergi som kjernen.

Fremtiden for hydrogenmetallurgi er ikke langt unna

Forskningen på globale hydrogenmetallurgiprosjekter er hovedsakelig delt inn i tre trinn: (1) før 2025, etablere et pilotdemonstrasjonsprosjekt for å verifisere gjennomførbarheten av storskala hydrogenmetallurgi; (2) innen 2030, bruk hydrogen fra koksovnsgass og andre biprodukter til hydrogenmetallurgi (3) Innen 2050 vil erstatningen av grå hydrogen med grønt hydrogen være realisert, og industriell produksjon av hydrogenmetallurgi skal gjennomføres.

For tiden er samarbeidet mellom hydrogenenergi og stålindustrien et vinn-vinn-resultat: Hydrogenmetallurgi bidrar til energisparing og utslippsreduksjon for stålselskaper og fullføring av lavkarbontransformasjon; Stålselskaper tilbyr mer praktiske anvendelser for hydrogenenergi, og beriker den nedstrøms industrielle kjeden av hydrogenenergi. Hydrogenenergi og stålindustrien utfyller hverandre. Bidrar til utvikling av ny energi.

Anvendelsen av hydrogenmetallurgi i jern- og stålindustrien står fortsatt overfor en rekke alvorlige utfordringer, som økonomien til grønt hydrogen som fortsatt må forbedres, mangelen på erfaring innen teknologianvendelse, de høye kostnadene ved lagring og transport av hydrogenenergi, og mangelen på nedstrøms markedsetterspørsel etter hydrogenbaserte direkte reduserte jernprodukter.

For fremtidig utvikling og anvendelse av hydrogenmetallurgi i jern- og stålindustrien fremmes tre forslag:

Det ene er systemutvikling. Utnyttelsen av hydrogenenergi bør fremmes fra hele det industrielle kjedesystemet som hydrogenproduksjon, hydrogenlagring, hydrogentransport og hydrogenbruk. Spesielt bør de faktiske anvendelsesscenariene for stålproduksjon koordineres, og den dype integrasjonen av "produksjon, utdanning, forskning og gullbruk" bør systematisk fremmes.

Den andre er å spille en markedsorientert mekanisme. På dette stadiet er kostnadene for hydrogensmelteprosessen fortsatt mye høyere enn for tradisjonell produksjonsprosess. Det er nødvendig å gi full spille til rollen som markedsmekanisme innen teknologisk innovasjon og andre felt, og ytterligere optimalisere allokeringen av ressurser som finans og talenter.

Det tredje er å styrke internasjonalt samarbeid. Vi bør videre fokusere på spesifikke gjennombruddskoblinger, styrke internasjonale utvekslinger, inkludert konsepter, vitenskapelig forskning, teknologier, veier og ledelsesmetoder, og fremme dyptgående internasjonalt samarbeid.

Yu Yong, styreleder i World Steel Association, president for World Steel Development Research Institute, sekretær for partikomiteen og leder av Hegang-gruppen, introduserte at den globale stålindustrien i løpet av de siste 30 årene har forbedret energieffektiviteten og fremmet anvendelse av nye prosesser og ny teknologi for resirkulering, og den omfattende energien per tonn stål har økt. Forbruket er redusert med 50 %. For tiden står den globale stålindustrien for om lag 8 % av verdens energiforbruk og 7 % av verdens karbonutslipp. I møte med fremtiden er jern- og stålindustrien den beste måten å oppnå lavkarbon eller til og med "nullkarbon"-utslipp, enten det er energistrukturinnovasjon, prosessstrukturinnovasjon eller hydrogenenergiapplikasjon. Spesielt,

Selv om det er begrenset av ulike faktorer som miljø og kostnader, har jern- og stålindustrien ennå ikke oppnådd "ett hydrogen til ende", men utviklingen av ren energi er retningen og oppdraget, og potensialet til "hydrogenmetallurgi" er ubegrenset.