Phổ thông khoa học | Một lời giải thích chi tiết về luyện kim hydro

Trong vài ngày qua, dự án trình diễn luyện kim hydro 1,2 triệu tấn đầu tiên trên thế giới của Hesteel đã đạt được kết quả sản xuất liên tục và an toàn các sản phẩm DRI xanh. Hiện tại, tỷ lệ kim loại hóa của các sản phẩm DRI đã đạt 94% và các chỉ số chính đã đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn sản phẩm đủ tiêu chuẩn. Chúng có thể được sử dụng làm nguyên liệu cao cấp để sản xuất nguyên liệu sạch chất lượng cao và là nguyên liệu quan trọng để thay thế phế liệu lò điện, đặc biệt là phế liệu chất lượng cao. Điều này đánh dấu sự thành công hoàn toàn của giai đoạn đầu tiên trong dự án trình diễn luyện kim hydro của HBIS. Dự án này là ví dụ đầu tiên về ứng dụng hydro như một nguồn năng lượng cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Một cột mốc quan trọng trong quá trình chuyển đổi.

Với việc "đỉnh carbon và trung hòa carbon" trở thành chủ đề chính của sự phát triển công nghiệp toàn cầu, ngành thép, ngành đứng thứ hai về lượng khí thải carbon, cần phải trải qua những cải cách sâu rộng. Do tiềm năng giảm phát thải rất lớn, luyện kim hydro đã trở thành đỉnh cao chỉ huy mà các công ty thép hàng đầu quyết tâm giành được. Nhiều công ty thép trong và ngoài nước đang triển khai mạnh mẽ các dự án như luyện kim năng lượng hydro, điều chế hydro xanh, cung cấp năng lượng hydro. Từ "luyện kim carbon" đến "luyện kim hydro", ngành công nghiệp gang thép được kỳ vọng sẽ loại bỏ những chiếc mũ về lượng khí thải carbon cao, ô nhiễm cao và tiêu thụ năng lượng cao.

Phản ứng khử với sự thay thế hydro cho carbon

Luyện kim hydro sử dụng hydro thay vì carbon làm chất khử và nguồn năng lượng để luyện gang. Sản phẩm khử là nước, có thể đạt được lượng khí thải carbon bằng không (công thức phản ứng cơ bản là Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O, chất khử là hydro và sản phẩm là sắt và nước).

01

Lò cao giảm giàu hydro

Đó là, các loại khí giàu hydro như khí tự nhiên và khí lò luyện cốc được bơm vào để tham gia vào quá trình luyện gang. Các thí nghiệm có liên quan đã chỉ ra rằng luyện gang khử giàu hydro trong lò cao có thể giảm lượng khí thải carbon ở một mức độ nhất định bằng cách đẩy nhanh quá trình giảm điện tích, nhưng vì quá trình này dựa trên lò cao truyền thống nên không thể thay thế hoàn toàn hiệu ứng khung của than cốc, và lượng phun hydro có giá trị giới hạn, người ta thường tin rằng tốc độ giảm phát thải carbon của quá trình giảm giàu hydro lò cao có thể đạt 10% -20% và hiệu quả không đủ đáng kể.

02

Lò trục khử khí trực tiếp

Đó là, bằng cách sử dụng hỗn hợp hydro và carbon monoxide làm chất khử, quặng sắt được chuyển thành sắt khử trực tiếp, sau đó được đưa vào lò điện để tiếp tục nấu chảy. Việc bổ sung hydro làm chất khử giúp kiểm soát hiệu quả lượng khí thải carbon. So với lò cao khử giàu hydro, lượng khí thải carbon dioxide mỗi tấn có thể giảm hơn 50%. Phương pháp này phù hợp hơn cho luyện kim hydro.

Tỷ lệ giảm carbon của quá trình làm giàu hydro lò cao là 10% -20% và hiệu quả bị hạn chế. Quy trình lò trục giảm trực tiếp dựa trên khí đốt là công nghệ giảm trực tiếp không yêu cầu luyện cốc, thiêu kết, luyện gang, v.v. và có thể kiểm soát lượng khí thải carbon từ nguồn. So với giảm giàu hydro lò cao, tỷ lệ giảm carbon có thể đạt hơn 50% và tiềm năng giảm phát thải tương đối thấp. Đó là một cách hiệu quả để nhanh chóng mở rộng sản xuất sắt khử trực tiếp. Tuy nhiên, lò trục chạy khí có nhiều vấn đề như hiệu ứng hấp thụ nhiệt mạnh, lượng khí H2 vào lò tăng, làm tăng giá thành sản phẩm, tỷ lệ khử H2 giảm, hoạt độ sản phẩm cao, khó thụ động hóa và vận chuyển.

Đa quốc gia phát hành lộ trình công nghệ luyện kim hydro

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp sắt thép toàn cầu đang tích cực thực hiện luyện kim năng lượng hydro. Các công ty thép ở Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và các quốc gia và khu vực khác đã xây dựng lộ trình công nghệ luyện kim carbon thấp bao gồm luyện kim năng lượng hydro, đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm và ứng dụng, đồng thời tìm kiếm những đột phá công nghệ để đạt được mức trung hòa carbon.

Hiện tại, trên thế giới đã có một số trường hợp áp dụng công nghệ luyện kim hydro, chẳng hạn như dự án HYBRIT sắt anhydrit của Thụy Điển, dự án Salzgitter SALCOS, dự án VAI H2Future và dự án ThyssenKrupp Carbon2Chem ở Đức.

Trung Quốc còn một chặng đường dài phía trước để hiện thực hóa "luyện kim hydro xanh"

Hiện tại, một số doanh nghiệp gang thép trong nước đã đưa ra kế hoạch luyện kim hydro, xây dựng các dự án trình diễn và đưa vào vận hành, đạt được những đột phá đổi mới nhất định. Tuy nhiên, các dự án trình diễn vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm công nghiệp và vẫn còn cơ sở hạ tầng chưa hoàn hảo, các tiêu chuẩn liên quan còn trống, chi phí cao và các vấn đề về an toàn. Hydro và các vấn đề khác, đồng thời xem xét các yếu tố như nguồn khí, quá trình chuẩn bị, lưu trữ và vận chuyển cũng như chi phí ở giai đoạn này, hầu hết lượng hydro được sử dụng vẫn là "hydro xám" và vẫn còn một chặng đường dài phía trước để trở thành "màu xanh". luyện kim hydro".

Các phương pháp sử dụng chính của luyện kim hydro trong ngành công nghiệp gang thép của Trung Quốc bao gồm: công nghệ luyện kim giàu hydro lò cao, công nghệ khử trực tiếp lò trục hydro, công nghệ luyện gang giảm nấu chảy dựa trên hydro, v.v. Đánh giá từ tiến độ ứng dụng của sắt thép Trung Quốc các doanh nghiệp, công nghệ luyện kim hydro có thể giúp giảm đáng kể lượng khí thải carbon, thúc đẩy việc sử dụng tài nguyên carbon, thúc đẩy phát triển các quy trình xử lý ngắn xanh mới, hiện thực hóa quá trình luyện kim không có hóa thạch và mở ra sự kết hợp năng lượng hydro-thép-hóa học để giảm lộ trình carbon . Ngoài ra, năng lượng hydro cũng đã đạt được kết quả tốt trong việc bảo tồn năng lượng và bảo vệ môi trường trong lĩnh vực hậu cần và vận chuyển của các doanh nghiệp sắt thép Trung Quốc.

Nếu Trung Quốc muốn hiện thực hóa luyện kim hydro xanh, họ cần nghiên cứu các công nghệ chính trong các lĩnh vực sử dụng năng lượng xanh phân tán, sản xuất và lưu trữ hydro, luyện kim hydro và loại bỏ CO2 trong tương lai, đồng thời hình thành quy trình sản xuất luyện kim sắt thép mới với năng lượng hydro làm cốt lõi.

Tương lai của luyện kim hydro không còn xa

Nghiên cứu về các dự án luyện kim hydro toàn cầu chủ yếu được chia thành ba bước: (1) trước năm 2025, thiết lập một dự án trình diễn thí điểm để xác minh tính khả thi của luyện kim hydro quy mô lớn; (2) đến năm 2030, sử dụng hydro từ khí lò luyện cốc và các sản phẩm phụ khác cho luyện kim hydro (3) Đến năm 2050, việc thay thế hydro xám bằng hydro xanh sẽ được thực hiện và sản xuất công nghiệp luyện kim hydro sẽ được thực hiện.

Hiện tại, sự hợp tác giữa năng lượng hydro và ngành thép là kết quả đôi bên cùng có lợi: luyện kim hydro có lợi cho việc bảo tồn năng lượng và giảm phát thải cho các công ty thép và hoàn thành chuyển đổi carbon thấp; các công ty thép cung cấp nhiều ứng dụng thiết thực hơn cho năng lượng hydro, làm phong phú chuỗi năng lượng hydro công nghiệp hạ nguồn . Năng lượng hydro và ngành công nghiệp thép bổ sung cho nhau. Có lợi cho sự phát triển của năng lượng mới.

Việc áp dụng luyện kim hydro trong ngành gang thép vẫn phải đối mặt với một loạt thách thức nghiêm trọng, chẳng hạn như nền kinh tế hydro xanh vẫn cần được cải thiện, thiếu kinh nghiệm trong ứng dụng công nghệ, chi phí lưu trữ và vận chuyển năng lượng hydro cao, và thiếu nhu cầu thị trường hạ nguồn đối với các sản phẩm sắt khử trực tiếp dựa trên hydro.

Đối với sự phát triển và ứng dụng của luyện kim hydro trong ngành công nghiệp gang thép trong tương lai, ba đề xuất được đưa ra:

Một là tiến bộ hệ thống. Việc sử dụng năng lượng hydro nên được thúc đẩy từ toàn bộ hệ thống dây chuyền công nghiệp như sản xuất hydro, lưu trữ hydro, vận chuyển hydro và sử dụng hydro. Đặc biệt, các kịch bản ứng dụng thực tế của sản xuất thép nên được phối hợp và thúc đẩy tích hợp sâu sắc "sản xuất, giáo dục, nghiên cứu và sử dụng vàng" một cách có hệ thống.

Thứ hai là chơi theo cơ chế thị trường. Ở giai đoạn này, chi phí của quy trình nấu chảy hydro vẫn cao hơn nhiều so với quy trình sản xuất truyền thống. Cần phát huy đầy đủ vai trò của cơ chế thị trường trong đổi mới công nghệ và các lĩnh vực khác, đồng thời tối ưu hóa hơn nữa việc phân bổ các nguồn lực như tài chính và nhân tài.

Thứ ba là tăng cường hợp tác quốc tế. Chúng ta nên tập trung hơn nữa vào các liên kết đột phá cụ thể, tăng cường trao đổi quốc tế bao gồm các khái niệm, nghiên cứu khoa học, công nghệ, con đường và phương pháp quản lý, đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế theo chiều sâu.

Yu Yong, Chủ tịch Hiệp hội Thép Thế giới, Chủ tịch Viện Nghiên cứu Phát triển Thép Thế giới, Bí thư Đảng ủy kiêm Chủ tịch Tập đoàn Hegang, giới thiệu rằng trong 30 năm qua, ngành thép toàn cầu đã cải thiện hiệu quả năng lượng và thúc đẩy áp dụng các quy trình mới và công nghệ mới để tái chế, và năng lượng toàn diện trên mỗi tấn thép đã tăng lên. Mức tiêu thụ đã giảm 50%. Hiện tại, ngành thép toàn cầu chiếm khoảng 8% mức tiêu thụ năng lượng của thế giới và 7% lượng khí thải carbon của thế giới. Đối mặt với tương lai, ngành công nghiệp gang thép là cách tốt nhất để đạt được lượng khí thải carbon thấp hoặc thậm chí là "không carbon", cho dù đó là đổi mới cấu trúc năng lượng, đổi mới cấu trúc quy trình hay ứng dụng năng lượng hydro. Đặc biệt,

Mặc dù bị hạn chế bởi nhiều yếu tố khác nhau như môi trường và chi phí, ngành gang thép vẫn chưa đạt được "một hydro đến cùng", nhưng phát triển năng lượng sạch là phương hướng và sứ mệnh, và tiềm năng của "luyện kim hydro" là vô hạn.