8月4日，河鋼集團張宣高科科技有限公司特材研究制造產(chǎn)線上，鍛壓機對鍛件進行錘打。河北日報客戶端記者魏雨攝
近兩個月來，河鋼集團張宣高科科技有限公司的氫冶金示范項目迎來一批批參觀者。
該示范工程一期于去年12月全線貫通，這是全球首例采用“焦爐煤氣零重整豎爐直接還原”工藝技術的氫冶金示范工程。經(jīng)過一段時間運行，今年5月，項目正式實現(xiàn)安全連續(xù)生產(chǎn)。
何為氫冶金？它與傳統(tǒng)煉鐵工藝有何不同？從“碳冶金”到“氫冶金”，意味著怎樣的轉(zhuǎn)變？它對鋼鐵產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展有著怎樣啟示？帶著這些問題，記者深入氫冶金項目一線進行實地采訪。
河鋼集團張宣高科科技有限公司氫冶金項目的關鍵裝置——氫基豎爐。圖片攝于8月3日。河北日報客戶端記者魏雨攝
二氧化碳減排70%以上
8月3日下午，位于張家口市宣化區(qū)的河鋼集團張宣高科科技有限公司氫冶金項目現(xiàn)場，一座118米高的氫基豎爐巍然聳立，豎爐周圍簇擁著水處理、加熱爐、二氧化碳脫除等裝置，高低錯落的通廊、密集架設的管道將各個裝置連接，整套設備平穩(wěn)運行。
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“焦爐煤氣零重整豎爐直接還原”工藝技術的氫冶金示范工程。經(jīng)過一段時間運行，今年5月，項目正式實現(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，一個個銀白色的反應罐，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。
“這些反應罐和管道內(nèi)流通的是焦爐煤氣，焦爐煤氣經(jīng)過深度凈化、脫除雜質(zhì)，加壓進入氫基豎爐內(nèi)，之后該氣體的主要成分氫將與鐵礦石進一步發(fā)生反應。”張宣科技氫冶金作業(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，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，置換出鐵礦石中的氧，整個過程是氣體與固體的反應。”呂志敏將兩種工藝進行對比。
與傳統(tǒng)工藝比，氫冶金在實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源替代的同時，也改變了整個冶金的生產(chǎn)流程。
當前，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，復雜度也大大降低。
河鋼集團張宣高科科技有限公司氫冶金項目生產(chǎn)的DRI（直接還原鐵）產(chǎn)品。圖片攝于8月4日。河北日報客戶端記者魏雨攝
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，全程參與氫冶金項目的張宣科技技術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。而氫冶金使用的焦爐煤氣，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代，他直言氫冶金是鋼鐵冶煉的重大技術革新。
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，減排比例達到70%以上，同時二氧化硫、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，該氫冶金項目在規(guī)劃時，還配套了二氧化碳捕集和精制系統(tǒng)。
在項目現(xiàn)場焦爐煤氣壓縮機東側(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，預計生產(chǎn)一噸DRI產(chǎn)品可捕集二氧化碳約125千克，項目可年產(chǎn)二氧化碳副產(chǎn)品約6萬噸。”
當天17時，呂志敏趕回氫冶金項目辦公樓，循例參加項目部的會議。會議議題是對整個工藝流程進行再梳理、再優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)減碳潛力，探索當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，引領鋼鐵行業(yè)邁入“以氫代煤”冶煉“綠鋼”的時代。
低碳“綠鋼”走向世界名企
8月4日，張宣科技特材研究制造產(chǎn)線上，一塊燒得通體發(fā)紅的鍛件被機器從高溫爐內(nèi)取出，送至鍛壓機下，在工人們的輔助下，鍛壓機開始對鍛件進行錘打，發(fā)出震耳欲聾的聲響。
這是一種用于制作高端模具的綠色鋼材，它配加的主要原料是氫冶金項目生產(chǎn)的DRI產(chǎn)品。
模具被稱為工業(yè)之母，是制造業(yè)不可或缺的生產(chǎn)工具。模具對構型和尺寸精度要求極高，因此模具鋼要求鋼的品質(zhì)要足夠高、足夠純凈，否則極易引起磨損、裂紋，甚至破型。
DRI產(chǎn)品正好能滿足這一點。據(jù)測算，張宣科技DRI產(chǎn)品金屬化率達94%，純度高、品質(zhì)好，可作為生產(chǎn)高端產(chǎn)品的高品質(zhì)潔凈原料。
“通過配加DRI產(chǎn)品，我們生產(chǎn)的高品質(zhì)模具鋼，銅、鎳等殘余元素含量低于全廢鋼冶煉工藝控制水平，磷、硫等有害元素遠低于傳統(tǒng)工藝，無論是成分指標還是性能指標，都達到行業(yè)領先水平。”張宣科技特材研制公司特冶區(qū)作業(yè)長柳金瑞說。
在特材產(chǎn)品區(qū)域，整齊堆疊著剛剛下線的不同規(guī)格的模具鋼。柳金瑞說，這些模具材料已達到北美壓鑄協(xié)會模具鋼的優(yōu)質(zhì)級別，由它制作的模具，應用于特斯拉、大眾新能源汽車等世界馳名企業(yè)。“由于質(zhì)量過硬，該種鋼材今年以來訂單量持續(xù)攀升，最高售價近4萬元/噸。”
模具鋼是張宣科技高端特材產(chǎn)品的一種。如今，以氫冶金提供的高品質(zhì)DRI為基礎，張宣科技瞄準特種鋼材，在內(nèi)燃機用熱端材料、航空航天及軍工級特種合金、高端模具材料等方向發(fā)力，尋求產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級，競爭高端市場。
事實上，在今天的市場環(huán)境下，氫冶金不僅是張宣科技主動尋求轉(zhuǎn)型的基礎，更是需求端對產(chǎn)品的必然要求。
8月4日采訪當天，張宣科技的一位工作人員告訴筆者，近日，我國首卷應用高品質(zhì)高比例氫冶金潔凈原料，也就是張宣科技DRI產(chǎn)品生產(chǎn)的低碳汽車用鋼，在河鋼集團唐鋼公司下線并檢驗合格后，已向德國寶馬集團提供數(shù)據(jù)包，正式開啟材料認證。
河鋼與寶馬的合作源自2022年8月雙方簽署的一份《打造綠色低碳鋼鐵供應鏈合作備忘錄》，根據(jù)備忘錄，寶馬成為河鋼綠色低碳鋼鐵的第一家客戶，從今年中期開始，寶馬沈陽生產(chǎn)基地量產(chǎn)車型將逐步使用河鋼的低碳汽車用鋼。
“在碳達峰碳中和背景下，鋼鐵下游行業(yè)越來越關注鋼材產(chǎn)品的碳排放量，未來，產(chǎn)品能不能被廣大客戶接納，要看制造流程是否綠色，生產(chǎn)過程是否有減碳措施。”李洋說，如奔馳、寶馬等汽車企業(yè)，已經(jīng)要求鋼鐵供應商提供鋼材產(chǎn)品的生命周期評價報告，明確提出“綠鋼”要求。
對眾多鋼鐵企業(yè)而言，如果不能轉(zhuǎn)變生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)低碳“綠鋼”，很可能損失大量客戶，影響企業(yè)未來的發(fā)展。而對張宣科技來說，“綠鋼”需求無疑是一個好消息，它將氫冶金在綠色低碳方面的優(yōu)勢，最終轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品上的競爭力。
“下一步，我們將研究生產(chǎn)多種原料結構條件下的DRI產(chǎn)品，提供排放更低、純凈度更高的氫冶金產(chǎn)品，讓綠色高端制造的含金量更高。”李洋說。
引領未來行業(yè)發(fā)展風向標
8月3日，一家山東的鋼鐵企業(yè)前來張宣科技參觀氫冶金項目，參觀者們圍繞工藝流程能不能打通，在實踐當中遇到哪些卡阻，生產(chǎn)出的DRI產(chǎn)品質(zhì)量如何等問題進行了詳細咨詢。
5月以來，張宣科技氫冶金項目實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)后，到此參觀學習的人越來越多，參觀者中不乏政府部門、科研院所，更多還是鋼鐵業(yè)的同行。
“我們的氫冶金項目在行業(yè)內(nèi)引起了不小震動，許多同行到此參觀交流，研究復制該項目的可行性。”李洋說。
在李洋看來，氫冶金之所以受到關注，源于鋼鐵行業(yè)減排的大背景。數(shù)據(jù)資料顯示，中國鋼鐵工業(yè)碳排放量占全球鋼鐵碳排放量的60%以上，占全國碳排放總量的15%左右，是我國制造業(yè)中碳排放量最多的行業(yè)。毫無疑問，降低碳排放量，實現(xiàn)碳達峰碳中和目標，鋼鐵行業(yè)是主戰(zhàn)場。
外部環(huán)境也在促使鋼鐵行業(yè)加快降碳步伐。5月17日，歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制（CBAM）正式生效，這意味著，鋼鐵、水泥等多個行業(yè)將被征收“碳稅”。對我國鋼鐵企業(yè)來說，如果不能盡快完成降碳目標，未來在國際市場上將面臨很大競爭壓力。
鋼鐵行業(yè)降碳該從何處下手？
多年來，傳統(tǒng)的冶煉工藝節(jié)能降碳空間幾乎觸碰到了天花板，要實現(xiàn)大規(guī)模降碳，必須摒棄原有思路，尋找新路徑。“采用綠色能源的冶煉工藝將成為鋼鐵業(yè)低碳發(fā)展的方向，就當前的技術路線來看，氫冶金是未來的方向，至少是方向之一。”李洋說。
張宣科技氫冶金公司副總經(jīng)理李曉兵同樣看好氫冶金未來的前景，他認為，氫冶金技術已經(jīng)具備了在我國生存的土壤。
事實上，氫冶金并不是一門新技術，該技術在歐洲等國家已經(jīng)發(fā)展得相對成熟。氫冶金技術在我國遲遲沒有推開，一個深層次的原因是，過去二十年間，鋼鐵企業(yè)更注重提高生產(chǎn)效率和增加產(chǎn)能，而氫冶金是一個小而精的產(chǎn)線，并不適應彼時我國的發(fā)展需求。
“當前，我國鋼鐵行業(yè)進入新發(fā)展階段，總產(chǎn)能達到峰值并逐步開始回落，鋼鐵業(yè)開始由量向質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程，所以氫冶金這種更綠色、更注重質(zhì)量的技術路線有了生存空間。”李曉兵說。
談及鋼鐵企業(yè)對氫冶金的接受度，李曉兵表示，當前階段，鋼鐵行業(yè)對氫冶金技術還處在觀望期，但對這項技術的接納度要比原來高很多，未來幾年，一些規(guī)模比較大的鋼鐵企業(yè)會逐步嘗試氫冶金技術。
在我國，對氫冶金的探索已經(jīng)開始起步，除了張宣科技的氫冶金項目，寶武集團八一鋼鐵富氫碳循環(huán)氧氣高爐實驗已經(jīng)成功，正啟動2500立方米高爐富氫碳循環(huán)商業(yè)示范項目。此外，山西中晉冶金科技有限公司也對氫冶金項目進行了成功嘗試。
在河北省，根據(jù)河鋼集團規(guī)劃，預計到2025年，河鋼氫冶金冶煉流程占比將提升到7%左右，2030年進一步提升到10%左右，2050年努力達到30%。
從政策角度，對于發(fā)展氫冶金，國家層面已經(jīng)有了頂層設計。2022年，工信部等幾部委聯(lián)合發(fā)布《關于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》，提出將制定氫冶金行動方案，加快推進低碳冶煉技術研發(fā)應用。而在國家發(fā)改委發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》中則進一步明確，開展以氫作為還原劑的氫冶金技術研發(fā)應用，探索氫能冶金示范應用。
河北日報、河北日報客戶端記者魏雨 通訊員李巍
記者觀察
能源結構調(diào)整支撐鋼鐵低碳轉(zhuǎn)型
河鋼集團從“碳冶金”到“氫冶金”，不僅是工藝流程上的改變，更被看作鋼鐵行業(yè)能源結構調(diào)整的標志性事件。
長遠來看，氫能被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗唬谔歼_峰碳中和大背景下，未來鋼鐵行業(yè)無論是能源結構調(diào)整還是工藝創(chuàng)新，氫能都是重要方向。
隨著鋼鐵工業(yè)進入新舊能源混用階段，氫能逐漸應用于冶金過程中的部分環(huán)節(jié)。對鋼鐵行業(yè)而言，當前階段可以充分利用各類工業(yè)副產(chǎn)氫，就近消納，降低氫能供給成本。在中長期，則需要依賴氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和布局，以此支撐鋼鐵工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型。
根據(jù)河北省新型能源強省建設相關方案，河北將加快構建形成“風、光、水、火、核、儲、氫”多能互補的能源格局，氫能被列為其中重要一極。河北省在全國率先印發(fā)實施省級氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃，提出要推動高純氫制備技術、氫燃料電池發(fā)動機和整車技術研發(fā)，并布局推進第一、二批氫能產(chǎn)業(yè)重點項目128個。
在國家層面，近日，國家六部委聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標準體系建設指南（2023版）》。指南系統(tǒng)構建了氫能制、儲、輸、用全產(chǎn)業(yè)鏈標準體系，涵蓋基礎與安全、氫制備、氫儲存和輸運、氫加注、氫能應用五個子體系，旨在充分發(fā)揮標準對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)范和引領作用。
政策引領下，河北氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出良好勢頭。在唐山，目前國內(nèi)單體產(chǎn)能最大的電池燃料用氫氣生產(chǎn)項目已投產(chǎn)；在保定，全國首條百輛級別氫能重卡運輸線實現(xiàn)市場化運營。全省正在形成一條完整的氫產(chǎn)業(yè)鏈。
在氫產(chǎn)業(yè)體系中，可再生能源制氫的前景被廣泛看好。無論是河北在建設新型能源強省中提出“提高清潔高效能源比重”，還是我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃中要求“重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴格控制化石能源制氫”，都意味著綠氫將迎來蓬勃發(fā)展的機遇。
河北省在可再生能源領域已具備一定規(guī)模，張家口可再生能源示范區(qū)、承德國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)、風電制氫綜合利用示范項目、海興光伏“領跑者”基地等一批國家級可再生能源示范項目及配套工程正加快建設，將為綠電制氫產(chǎn)業(yè)提供基礎能源。
張家口作為國家級可再生能源示范區(qū)，風能、太陽能資源十分豐富。坐擁地利之便，目前張宣科技已經(jīng)開始綠電領域的探索，其中，張宣科技首個新能源項目——4MWp屋頂分布式光伏發(fā)電工程已建成投運，龍煙新能源生態(tài)園區(qū)正在建設總裝機規(guī)模100MW的風光互補發(fā)電項目。
有關專家表示，在未來以清潔能源為主體的大背景下，鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)應以氫能替代為主線，綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。因此，構建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統(tǒng)，使鋼鐵擺脫對化石能源的依賴，從源頭上解決碳排放問題，是實現(xiàn)低碳甚至“零碳”排放的一條途徑。
