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钢铁未来:用氢气制造绿色钢

2020年,全球钢铁行业总产量达到18.6亿吨,上千亿美元。钢铁的强度与重量比高,生产成本相对较低,是建筑和汽车等许多行业的宝贵材料。然而,在气候危机的背景下,由于依赖碳密集型化石燃料(主要是煤炭),该行业受到越来越多的审查。全球钢铁产量约占全球碳排放总量的8%,对煤炭的渴求继续推动着挖掘。每生产一吨采用传统综合工艺方法生产的液态钢,就会燃烧770公斤煤和焦炭,向大气中释放1.8吨二氧化碳,这意味着钢铁行业实际上比钢铁行业更生产二氧化碳。

近年来,世界各国政府一直在寻找实现2015年《巴黎气候协定》目标的方法,因此,该行业脱碳的政治压力也在加大。

但压力不仅仅是政府。碳价格等日益加剧的财政压力,以及环境、社会和治理的普及率和可信度的提高,在希望将资金投入道德境界的年轻、更环保的一代投资者中,这既增加了这种压力,也提供了越来越有力的激励措施,使该行业脱碳。

在此背景下,一些小型的"绿色钢铁"项目开始在欧洲和其他地区出现。其中之一是Primetals技术公司在奥地利多纳维茨的沃斯塔平钢铁厂进行的氢基细矿减少(HYFOR)试点项目。

经过多年的开发和两个月的初步测试,HYFOR于6月开始运营,此后,其创新的铁矿石精矿直接减排工艺吸引了业内许多人的注意,这是世界上首创的此类工艺。HYFOR的氢气为100%提供动力,可将排放量减少90%,试点计划至少在未来两年内投入使用。

"全球75%的钢铁生产能源来自碳,其余来自天然气和电力。我们唯一可以改变的是去除煤炭,"Primetals技术公司生态解决方案主管亚历山大·弗莱尚德尔博士告诉欧洲工业。

“然而,我们还需要从铁矿石中去除氧气,这给我们留下了三种选择。我们可以燃烧碳,释放二氧化碳。我们可以使用氢气,氢释放水。或者第三种选择是使用电子,将铁矿石转化为直接电解的钢,而这种技术还处于起步阶段。”

弗莱尚德尔博士认为,能源效率或工艺优化是该行业脱碳的第一阶段。

使用现有资产实现脱碳的机会很多。它们应该被利用,否则它们最终会成为搁浅的资产。您可以优化烧结厂、颗粒厂和高炉。你可以注入气体,从天然气开始,也可以注入氢气。您可以实施其他能效解决方案,如废热回收,从渣渣中回收热量。大多数客户仍未实施此类解决方案。

弗莱尚德尔博士说,其原因通常是投资回报率。“大多数客户希望在一两年内得到回报。这些解决方案需要五到六年的时间才能有回报。尽管如此,将来还是强制性的。”

废钢回收也将在一定程度上减少排放。他补充说,问题在于可用性。

问题是,生产率高于可刮库存。如果我们展望2050年,我们估计将有大约9亿吨废料需要回收利用,但我们将生产超过20亿吨的钢铁。因此,我们仍要缩小10亿吨以上的缺口,以消除来自铁矿石的原始饲料。

虽然能源效率和循环经济举措的进步在钢铁绿化中起着重要作用,但它们只能做这么多工作——最多减少30%左右的碳足迹。碳捕获和储存(CCS)看起来也肯定会在该行业减少排放的努力中发挥重要作用,从而允许将部分碳封存起来。

然而,随着全球需求的上升,将炼钢量降至净零将需要技术的根本转变。这就是海福的用武之地。Donawitz的试点工作重点是继续开发HYFOR技术,使其准备扩大为第一个工业原型,预计今年年底将作出决定。

弗莱尚德尔博士说,HYFOR与绿色钢铁同行的分离,是它赖以养活的。

“我们直接以铁矿石罚款和超精矿为原料,等等。我们可以避免受益-颗粒切片步骤-并直接饲料矿石罚款。它取消了投资颗粒化工厂的要求,而颗粒化工厂是一项沉重的负担资产。”

“另一件事是运营成本。在进食前,您可以避免对颗粒进行加热和冷却的化石燃料需求。通过使用铁矿石罚款和超罚款,您可以轻松地完全、更快地减少这些矿石颗粒,保持较低的降低温度和工艺压力意味着更多的能源效率。”

这是弗莱尚德尔博士所说的"转型阶段"的一部分,这是钢铁在过程优化后脱碳的下一步。他预计,未来将有更多的电弧炉和更少的高炉,这些电弧炉将用废料和直接减铁来喂养。

“现在重要的是让未来能够逐渐从天然气转向氢气的工厂,"他指出,俄罗斯最近有一个项目,Primetals在2月份参与了该项目。”

它位于俄罗斯库尔斯克州的热列兹诺戈尔斯克,由米哈伊洛夫斯基HBI公司经营,是世界上最大的热钢(HBI)工厂。那里的生产将从使用天然气开始,但"只要有可能"就会转向氢气。

不过,他警告称,尽管有许多有希望的迹象显示,最大的工业排放国之一正开始进行控制,但全球还有很长的路要走。在欧盟,欧盟委员会正在研究如何利用碳定价作为降低碳排放的工具。此外,来自欧洲投资基金和复苏基金的支持也可以在欧洲部分发挥作用。

然而,欧洲的钢铁产量仅占全球钢铁产量的8%左右,这个数字更有可能下降,而不是增加。他说,一些主要的钢铁生产国还有很长的路要走,他举了印度为例。

2019 年,印度的钢铁产量为 1.11 亿吨,预计 2030 年将达到 3 亿吨。

他说,“问题在于印度没有政策。它没有碳税,也不打算在未来几年内这样做。印度仍在试运行新的高炉,因为印度知道这些高炉会持续50到60年左右。印度的中期解决方案可能是碳捕获和储存。”

弗莱尚德尔博士说,HYFOR将继续向前发展。

“看到一家使用低质量铁矿石饲料的直接减排厂,在电力冶炼厂生产热金属和矿渣,然后通过行业认证,用于水泥行业,以推动循环经济。这将有助于我们逐步前进。我们需要使用绿色氢气和碳捕获储存和利用,我们需要用可再生能源为电弧炉供电。这将让我们在未来接近零碳足迹,因为我们对2050年满怀期待。”

亚历山大·弗莱尚德尔博士是可持续钢铁生产的知名专家,涵盖脱碳、废气清洁、能源效率、副产品管理和废水处理。他拥有奥地利格拉茨理工大学的博士学位,拥有约100项专利。2013年,他被授予西门子年度发明家。

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