綠色鋼鐵技術(shù)與實(shí)踐
鋼鐵工業(yè)是實(shí)現(xiàn)全球綠色低碳發(fā)展的重要領(lǐng)域。全球鋼鐵行業(yè)正在積極探索綠色發(fā)展的顛覆性、變革性技術(shù)，綠色鋼鐵正在從理念轉(zhuǎn)化為行動、從愿景轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。值鋼鐵行業(yè)脫碳行動全面加速，綠色鋼鐵行動迅速展開之際，世界金屬導(dǎo)報(bào)特推出“綠色鋼鐵技術(shù)與實(shí)踐專題”，旨在厘清綠色鋼鐵定義、綠色市場的適用群體，探討全球鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)氣候中和生產(chǎn)路徑的最佳實(shí)踐，分析國內(nèi)外氫冶金的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述推進(jìn)鋼鐵綠色生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化引領(lǐng)作用等。
為了實(shí)現(xiàn)無二氧化碳排放的鋼鐵生產(chǎn)，從煉焦煤向綠氫和可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)型是方向之一。截至目前，全球首批鋼鐵企業(yè)已經(jīng)提出了實(shí)現(xiàn)碳中和的路徑和方法。
薩爾茨吉特與Energiron合作的碳中和鋼鐵生產(chǎn)概念
Energiron工藝是一種由冶金設(shè)備制造商特諾恩和達(dá)涅利聯(lián)合開發(fā)的直接還原技術(shù)，而德國薩爾茨吉特鋼鐵公司是歐洲第一家采用氫基還原鐵技術(shù)的鋼鐵公司，在2022年3月的意向書中，該公司宣布打算建設(shè)一座產(chǎn)能為210萬噸/年的直接還原鐵廠，進(jìn)行直接還原鐵的工業(yè)生產(chǎn)。
名義產(chǎn)能250噸/小時(shí)的直接還原鐵廠使用氫氣和天然氣，由此證實(shí)了Energiron技術(shù)可以靈活利用包括純氫在內(nèi)的各種還原劑。另據(jù)薩爾茨吉特透露，該廠是全球首座在長流程綜合性鋼廠中使用氫氣和天然氣的直接還原工廠。生產(chǎn)的直接還原鐵既可用于高爐工藝節(jié)省噴吹煤，也可用于德國派尼（Peine）工廠的電弧爐。在SALCOS? （薩爾茨吉特低二氧化碳煉鋼）項(xiàng)目中，這家德國第三大鋼鐵生產(chǎn)商正在分步驟將鋼鐵生產(chǎn)從高爐煉鐵轉(zhuǎn)向直接還原。第一步，2025年將二氧化碳排放減少30%；第二步，2030年將二氧化碳排放減少50%；到2045年至少減少95%的二氧化碳排放。首先，通過天然氣進(jìn)行直接還原，在不久的將來，也將采用內(nèi)部風(fēng)力發(fā)電（綠電）制造的綠氫。為了在2045年完成轉(zhuǎn)型，將利用綠氫直接還原工廠和以綠色電力為動力的電工鋼廠進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)。
總體概念包括：利用風(fēng)能生產(chǎn)綠色電力，以及利用風(fēng)電通過電解技術(shù)生產(chǎn)綠氫。為了確保綠色電力供應(yīng)，薩爾茨吉特正在與當(dāng)?shù)啬茉垂?yīng)商Avacon合作，在公司辦公場所建立一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場，其中包括7臺風(fēng)力渦輪機(jī)和一臺OEM電解槽，這是有史以來第一次實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電、制氫和工業(yè)用戶之間的工業(yè)部門耦合。
除了PEM電解法（質(zhì)子交換膜）外，薩爾茨吉特也非常關(guān)注德國某初創(chuàng)企業(yè)的高溫電解法（HTE）制氫技術(shù)。在鋼鐵工業(yè)等許多行業(yè)中，大部分余熱，特別是溫度在150-250℃之間的低熱量并沒有被利用，而是以蒸汽的形式排放到大氣中。該初創(chuàng)公司的新型高溫電解槽利用余熱，并借助綠色電力制氫，其效率是以前從未達(dá)到的。以固體氧化物電解槽（SOEC）為基礎(chǔ)的高溫電解法，以蒸汽形式的工業(yè)余熱提供了大量的能量輸入，其電效率可達(dá)82%以上，而傳統(tǒng)的電解法必須使用更耗能的液態(tài)水，故而很難達(dá)到60%的電效率。
到2022年底，該電解槽運(yùn)行1.3萬小時(shí)，并生產(chǎn)超過100噸綠氫。以這種方式生產(chǎn)的氫氣最初用于鋼材退火，將作為氫基鋼鐵生產(chǎn)路線圖上的一個(gè)重要里程碑。
薩爾茨吉特已經(jīng)開始生產(chǎn)綠色鋼材，并與寶馬集團(tuán)達(dá)成協(xié)議，供應(yīng)低二氧化碳鋼材。從2026年起，這種鋼材將應(yīng)用于寶馬集團(tuán)歐洲工廠汽車的批量生產(chǎn)。
蒂森克虜伯在現(xiàn)有設(shè)備上實(shí)施新工藝
從煉焦煤向氫氣冶金轉(zhuǎn)型是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。以德國蒂森克虜伯為例，這一挑戰(zhàn)的嚴(yán)重性也是顯而易見的。該公司杜伊斯堡工廠是歐洲最大的鋼鐵廠，二氧化碳排放量占德國排放總量的2.5%。在魯爾地區(qū)，蒂森克虜伯的溫室氣體排放就占到了排放總量的四分之一。蒂森克虜伯將可再生能源和綠氫取代煤炭視為解決方案。蒂森克虜伯鋼鐵歐洲公司表示，最大的技術(shù)挑戰(zhàn)在于將直接還原鐵真正整合到工廠下游工序中。與其他鋼鐵生產(chǎn)商不同，蒂森克虜伯并不打算在新建的電弧爐中熔煉直接還原鐵工廠生產(chǎn)的固體海綿鐵，而是在現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐設(shè)施中進(jìn)行熔化。這種約500℃的熱固態(tài)海綿鐵并不是要首先冷卻，而是在一座創(chuàng)新的利用電能的熔煉單元（SAF）熔化直接還原鐵生產(chǎn)鐵水。隨后可以像傳統(tǒng)的高爐生鐵一樣，通過加入廢鋼和添加劑，在鋼廠的轉(zhuǎn)爐中將熔化的生鐵轉(zhuǎn)化為鋼水。改變的是生鐵產(chǎn)量，而工廠的下游部分保持不變。只需將高爐更換為帶有熔爐的直接還原工廠，而其余的鋼廠在設(shè)備方面保持不變。最大的好處是煉鋼配比不需要改變。當(dāng)轉(zhuǎn)換到電弧爐時(shí)，2500種鋼種的配比必須進(jìn)行調(diào)整，就像從燒木頭的爐子切換為廚房的電磁爐。到2030年，蒂森克虜伯希望將二氧化碳排放量減少30%，削減約600萬噸，這相當(dāng)于300萬輛內(nèi)燃機(jī)汽車被電動汽車取代。
蒂森克虜伯杜伊斯堡工廠是一家工藝集成、能源自給自足的冶金工廠。來自高爐的爐頂煤氣用于內(nèi)部發(fā)電，滿足了約三分之二的內(nèi)部需求?，F(xiàn)場產(chǎn)生的工藝熱量還為杜伊斯堡地區(qū)的2萬戶家庭提供遠(yuǎn)程供暖。氫氣直接還原產(chǎn)生的是蒸汽，而不是無法轉(zhuǎn)化為電能的爐頂煤氣。在轉(zhuǎn)換為直接還原工藝后，今后每年將需要購買50太瓦時(shí)電力，相當(dāng)于40%的德國家庭的電力需求。同時(shí)還需要大量的綠氫，在杜伊斯堡工廠，所需綠氫數(shù)量相當(dāng)于每小時(shí)兩次填充奧伯豪森煤氣儲氣罐的量，該煤氣儲氣罐高115.5m，直徑67.6m，曾經(jīng)是歐洲最大的煤氣儲氣罐。
SSAB生產(chǎn)全球首批碳中和鋼材
鋼鐵生產(chǎn)的脫碳也是亟待解決的一個(gè)問題。2021年8月，瑞典鋼鐵公司（SSAB）宣布，作為Hybrit項(xiàng)目的一部分，該公司在一個(gè)中試工廠生產(chǎn)了全球首批二氧化碳中和鋼材，并已向汽車制造商沃爾沃交付了第一批試制鋼板。Hybrit是SSAB與鐵礦石球團(tuán)生產(chǎn)商LKAB和能源供應(yīng)商Vtenfall建立的第一個(gè)瑞典合資項(xiàng)目。到2026年，SSAB希望以商業(yè)規(guī)模向市場供應(yīng)碳中和鋼材。屆時(shí)，SSAB位于烏克瑟勒松德（Oxelosund）的高爐工藝路線有望改為Hybrit工藝，使用綠色氫氣進(jìn)行直接還原生產(chǎn)海綿鐵，以及使用電弧爐熔融直接還原鐵。
SSAB已經(jīng)與梅賽德斯-奔馳公司達(dá)成協(xié)議，盡早將碳中和鋼材引入汽車生產(chǎn)?！盁o化石”鋼制車身的首批原型部件計(jì)劃于2023年推出；2039年，梅賽德斯-奔馳的新型乘用車系列有望在整個(gè)價(jià)值鏈上實(shí)現(xiàn)碳中和。
此外，瑞典H2 Green Steel公司正在瑞典北部博登建設(shè)一個(gè)無二氧化碳排放的鋼鐵生產(chǎn)新項(xiàng)目。規(guī)劃中的電工鋼廠不僅包括一個(gè)直接還原工廠，還包括將整合到短流程鋼廠的綠氫生產(chǎn)?，F(xiàn)場的建設(shè)工作計(jì)劃于2024年開始，從2030年開始，該鋼廠每年將生產(chǎn)500萬噸鋼材，其中包括汽車板。
奧鋼聯(lián)開發(fā)使用綠電的電弧爐混合技術(shù)
在奧地利，奧鋼聯(lián)集團(tuán)通過啟動greentec鋼鐵項(xiàng)目，確定了從煤基高爐技術(shù)向綠色電力電弧爐技術(shù)的轉(zhuǎn)變。通過使用電弧爐混合技術(shù)，到2030年，第一步將減少二氧化碳排放約30%。這相當(dāng)于每年減排二氧化碳300萬-400萬噸，幾乎占奧地利每年二氧化碳排放總量的5%。為了實(shí)現(xiàn)到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和生產(chǎn)的目標(biāo)，該公司希望逐步增加綠色電力和氫氣的使用，屆時(shí)在鋼鐵生產(chǎn)過程中使用碳中和的預(yù)制海綿鐵。就在2022年夏天，奧鋼聯(lián)林茨工廠和多納維茨的工廠開始了基礎(chǔ)設(shè)施改造，2027年初，林茨工廠和多納維茨工廠將各有一座電弧爐投產(chǎn)。為了生產(chǎn)綠氫，該公司已經(jīng)在林茨工廠安裝了世界上最大的PEM制氫中試工廠。來自水力發(fā)電的綠色電力則是由德國能源供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)所提供。除此之外，奧鋼聯(lián)還擁有綠氫和沼氣直接還原生產(chǎn)海綿鐵（DRI或HBI）的專利。生物碳有助于海綿鐵的滲碳，便于在電弧爐中高效熔化。
早在2021年4月，奧鋼聯(lián)開發(fā)的一家中試工廠已經(jīng)在多納維茨地區(qū)投產(chǎn)，該廠采用氫基粉礦還原。該工廠采用了世界上第一個(gè)直接還原鐵精礦的工藝，而不需要任何燒結(jié)或造球等壓塊工序。這種工藝被稱為HYFOR（氫基粉礦還原），如圖4所示，是世界上唯一的、100%粒徑小于0.15mm的鐵精礦處理工藝，同時(shí)適用于各種礦石，如赤鐵礦和磁鐵礦。
薩爾鋼鐵在法國創(chuàng)建氫直接還原工廠
在法國敦刻爾克，鋼鐵企業(yè)Liberty Steel和薩爾鋼鐵控股公司（SHS）計(jì)劃與某工程技術(shù)公司合作建立一個(gè)氫基鋼鐵聯(lián)合工廠。意向書的重點(diǎn)是在鋁生產(chǎn)商Alvance的廠址附近開發(fā)一座基于某初創(chuàng)公司技術(shù)的、1吉瓦級氫氣工廠，以及一座200萬噸的直接還原鐵工廠。Alvance為GFG聯(lián)盟旗下公司。通過在法國海岸地區(qū)選址，除了風(fēng)力發(fā)電外，還可以永久使用低成本的核電資源。
直接還原鐵工廠最初將使用氫氣和天然氣的混合物作為還原劑來生產(chǎn)直接還原鐵和熱壓塊鐵（HBI），在電解技術(shù)完成后改用100%氫氣。生產(chǎn)的DRI/HBI將主要用于法國Liberty Ascoval的電弧爐。剩余產(chǎn)量將用于Liberty位于捷克奧斯特拉瓦和羅馬尼亞加拉蒂的聯(lián)合鋼鐵廠，以及德國的SHS、迪林根和薩爾鋼鐵公司。
鋼鐵生產(chǎn)電氣化勢不可擋
德國馬克斯·普朗克鋼鐵研究所的迪爾克·拉貝等專家認(rèn)為，氣候中性大背景下，電冶金具有更大的發(fā)展?jié)摿?。今后用綠色電力直接電解鐵礦石可以替代使用氫氣生產(chǎn)生鐵——類似于原鋁的生產(chǎn)。一直以來，鋁就是用電能生產(chǎn)的，而當(dāng)今的部分電力已經(jīng)來自于水電等可再生能源。在熔體流動和/或鋁電解中，輕金屬是從氧化鋁中生產(chǎn)的，而氧化鋁以往則是從氧化鋁和鋁礬土中獲得的。
波士頓金屬公司熔融電解工藝生產(chǎn)無碳排放鋼材
在美國波士頓金屬公司（Boston Metal），相關(guān)人士認(rèn)為，鐵礦石的電解法很快就會走向市場并成熟應(yīng)用?？蒲腥藛T希望通過熔融氧化物電解（MOE）工藝（如圖5所示）來優(yōu)化無二氧化碳鋼材生產(chǎn)。
MOE工藝省略了鐵礦石還原的、綠氫制備的中間步驟，利用直流電在大約1600℃的條件下通過一步法從鐵礦石中分離出氧氣。在熔融氧化物電解法過程中，MOE槽中裝滿了鐵礦石和液體電解液。將惰性金屬陽極浸入這種含鐵礦石混合物中，引入直流電使鐵礦石熔化。另據(jù)波士頓金屬公司介紹，可以生成一種清潔、高純度的鋼水，進(jìn)而直接裝入鋼包進(jìn)行精煉。波士頓金屬公司希望最早在2023年開始在中試工廠生產(chǎn)鐵合金，最遲在2025年建成一個(gè)鋼鐵生產(chǎn)示范工廠。在21世紀(jì)下半葉，有望啟動商業(yè)鋼鐵生產(chǎn)。
歸功于高效無二氧化碳鋼材生產(chǎn)的愿景，波士頓金屬公司成功贏得了眾多投資者的支持，其中還包括德國寶馬集團(tuán)。寶馬希望在未來使用低碳或零碳鋼進(jìn)行汽車制造。
