一线调研｜“碳冶金”变“氢冶金”意味着什么

 

8月3日下午，位于张家口市宣化区的河钢集团张宣高科科技有限公司氢冶金项目现场，一座118米高的氢基竖炉巍然耸立，竖炉周围簇拥着水处理、加热炉、二氧化碳脱除等装置，高低错落的通廊、密集架设的管道将各个装置连接，整套设备平稳运行。

 

2022年12月，张宣科技120万吨氢冶金示范工程一期全线贯通，这是全球首例采用“焦炉煤气零重整竖炉直接还原”工艺技术的氢冶金示范工程。经过一段时间运行，今年5月，项目正式实现安全、连续、顺利生产。

 

置身现场，氢冶金与传统炼铁工艺在观感上差别很大。传统高炉被氢基竖炉取代，一个个银白色的反应罐，密布的管道和阀门、仪表，也是传统高炉炼铁所没有的，这里更像一座化工厂。

 

“这些反应罐和管道内流通的是焦炉煤气，焦炉煤气经过深度净化、脱除杂质，加压进入氢基竖炉内，之后该气体的主要成分氢将与铁矿石进一步发生反应。”张宣科技氢冶金作业区作业长吕志敏一边说，一边手指管线描述大致流程。

 

采用氢气作为还原剂和过程燃料，是氢冶金与传统高炉炼铁本质的不同。“高炉炼铁是铁矿石和焦炭反应，将铁矿石中的氧化铁还原成单质铁，变成铁水。而氢冶金是氢与铁矿石反应，置换出铁矿石中的氧，整个过程是气体与固体的反应。”吕志敏将两种工艺进行对比。

 

与传统工艺比，氢冶金在实现传统化石能源替代的同时，也改变了整个冶金的生产流程。

 

当前，钢铁企业普遍的冶炼工艺是“高炉+转炉”的模式，在高炉冶炼出铁水，再经转炉熔炼成钢，这种模式被称为长流程炼钢。氢冶金技术省去高炉等流程，所产出的DRI（直接还原铁）产品直接转入电炉，工艺流程环节减少，复杂度也大大降低。

 

能源的转换，加上冶炼流程的缩短，氢冶金带来最直接的改变是碳排放量的变化。对此，全程参与氢冶金项目的张宣科技技术中心副主任李洋感受颇深。

 

“传统的冶炼工艺，以含碳量高的煤和焦炭作为燃料，每生产一吨钢，约排放2吨二氧化碳，其中有1.6吨至1.7吨在高炉环节产生。而氢冶金使用的焦炉煤气，本身含有55%至65%的氢气，可直接利用，还有15%的甲烷可分解为氢气和一氧化碳，最终，还原气体中的氢碳比达到8∶1以上。”作为一名钢铁行业的老兵，李洋经历过高炉炼铁的鼎盛时代，他直言氢冶金是钢铁冶炼的重大技术革新。

 

一组数据可以说明氢冶金的减排效果。据测算，与同等生产规模的“高炉+转炉”长流程工艺相比，氢冶金示范工程一期每年可减少二氧化碳排放80万吨，减排比例达到70%以上，同时二氧化硫、氮氧化合物、烟粉尘排放分别减少30%、70%和80%以上。

 

为了将减排效果做到极致，该氢冶金项目在规划时，还配套了二氧化碳捕集和精制系统。

 

在项目现场焦炉煤气压缩机东侧区域，吕志敏告诉笔者，二氧化碳精制过程在这里完成。“我们会将氢冶金过程中产生的部分二氧化碳捕集，进而脱水、加压，精制成工业级液体二氧化碳和食品级液体二氧化碳，预计生产一吨DRI产品可捕集二氧化碳约125千克，项目可年产二氧化碳副产品约6万吨。”

 

当天17时，吕志敏赶回氢冶金项目办公楼，循例参加项目部的会议。会议议题是对整个工艺流程进行再梳理、再优化，发现减碳潜力，探索当前工艺下的降碳极限。吕志敏表示，自5月以来，这样的会议至少是一天一开，目的是努力打造行业首条“零碳”示范产线。

 

在氢冶金项目办公楼大厅内，展示着一封5月31日中国钢铁工业协会发来的贺信。贺信中说，氢冶金项目一期工程的成功，是由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变的重要里程碑，引领钢铁行业迈入“以氢代煤”冶炼“绿钢”的时代。