日本鋼鐵業(yè)正積極通過氫冶金技術(shù)革新推進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型

3月13日，在第十五屆中日鋼鐵業(yè)環(huán)保節(jié)能專家交流會上，日本制鐵執(zhí)行顧問、日本氫煉鐵財團(tuán)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（GREINS項目）技術(shù)顧問村上英樹在做題為《日本鋼鐵工業(yè)碳中和轉(zhuǎn)型的技術(shù)挑戰(zhàn)》的報告時表示，當(dāng)前日本鋼鐵業(yè)正通過氫冶金等技術(shù)革新推動行業(yè)轉(zhuǎn)型，由日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織（NEDO）資助的COURSE50項目和GREINS（煉鋼綠色創(chuàng)新）項目，正逐步發(fā)展成為這場轉(zhuǎn)型的動力引擎。

他介紹，以2022年數(shù)據(jù)為例，日本作為全球第五大二氧化碳排放國，二氧化碳排放量全球占比約3%，日本鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量又占其排放總量的14%。碳中和目標(biāo)下，日本鋼鐵行業(yè)積極開發(fā)氫還原煉鐵技術(shù)，以助力實現(xiàn)日本全社會的碳減排目標(biāo)。

村上英樹介紹，在此背景下，COURSE50項目于2008年啟動，旨在開發(fā)可以在高爐應(yīng)用的氫還原技術(shù)。2017年，該項目在試驗高爐首次證實采用相應(yīng)氫還原技術(shù)可使高爐冶煉過程中產(chǎn)生的二氧化碳量減少10%以上?；贑OURSE50項目積累的技術(shù)經(jīng)驗，2021年，GREINS項目正式啟動。這可以說是鋼鐵制造工藝中的一個氫能利用項目，還是一個多軌道技術(shù)開發(fā)項目，涉及高爐工藝、直接還原工藝、電弧爐工藝，并于去年加入了電熔煉爐工藝。該項目的組織者為由日本制鐵、JFE鋼鐵公司、神戶制鋼所、金屬材料研究開發(fā)中心(JRCM)組成的日本氫煉鐵財團(tuán)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，與包括北海道大學(xué)、日本中央電力研究所、早稻田大學(xué)等在內(nèi)的14個研究單位展開聯(lián)合研究。

“雖然利用天然氣直接還原鐵這一生產(chǎn)工藝已很普遍，但仍需要高品位鐵礦石。鑒于用作直接還原鐵的高品位鐵礦石資源有限，對低品位鐵礦石的高效使用在未來鋼鐵工業(yè)發(fā)展歷程中依舊極為關(guān)鍵。目前通過電弧爐生產(chǎn)高端鋼材也面臨著能源有限等困難。在亞洲，高爐—轉(zhuǎn)爐路線占據(jù)主導(dǎo)地位。開發(fā)可以應(yīng)用于高爐的碳減排技術(shù)是很有必要的?！彼硎尽?/span>

“在GREINS項目中，日本制鐵致力于高爐—轉(zhuǎn)爐聯(lián)合煉鐵工藝和直接還原—電弧爐及電熔煉爐工藝的開發(fā)?！贝迳嫌浣榻B，GREINS項目的主要研發(fā)內(nèi)容包括兩大方面：高爐氫還原技術(shù)的開發(fā)和用于還原低品位鐵礦石的氫直接還原技術(shù)的開發(fā)。前者包括利用鋼廠內(nèi)部氫氣的氫還原技術(shù)開發(fā)（COURSE50高爐直接利用氫氣），以及利用鋼廠外部氫氣和高爐煤氣中二氧化碳的低碳技術(shù)的開發(fā)（涉及Super COURSE50高爐直接利用氫氣和碳回收高爐間接利用氫氣）；后者包括氫直接還原技術(shù)的開發(fā)（涉及氫直接噴吹豎爐直接利用氫氣、碳回收豎爐間接利用氫氣），以及生產(chǎn)高端鋼材的電弧爐、生產(chǎn)鐵水的電熔煉爐的開發(fā)。

圍繞高爐氫還原技術(shù)的開發(fā)，COURSE50和Super COURSE50是重點(diǎn)。

村上英樹介紹，COURSE50項目涉及二氧化碳捕集和減排兩部分。一是通過捕集高爐煤氣中的二氧化碳，減少20%的二氧化碳排放量；二是用高爐內(nèi)的氫氣部分替代焦炭，減少10%的二氧化碳排放量。2020年，該項目進(jìn)行了室溫條件下氫氣噴吹試驗，在12立方米的COURSE50試驗高爐實現(xiàn)了二氧化碳減排16%。接下來，日本制鐵將在君津廠2號高爐引進(jìn)富氫氣體噴吹設(shè)備，預(yù)計于2026財年開始大型實際高爐噴吹試驗。同時，日本制鐵還將在日本制鐵東日本制鐵所君津地區(qū)的COURSE50試驗高爐，即Super COURSE50試驗高爐，通過在比COURSE50高爐試驗溫度高的條件下，最大化地噴吹來自外部的氫氣，配合CCS（碳捕獲與封存）或CCUS（碳捕集、利用與封存），實現(xiàn)碳中和。此外，JFE鋼鐵公司東日本制鐵所（千葉工廠）正在建造一座150立方米的碳回收高爐，并將于2025年開始試驗。在配有碳回收系統(tǒng)的高爐中，高爐煤氣中的二氧化碳通過與外部氫氣發(fā)生甲烷化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CH4（甲烷）；部分還原劑由焦炭改質(zhì)而來，碳回收的甲烷作為還原劑反復(fù)利用，減少了高爐二氧化碳的排放量。

圍繞用于還原低品位鐵礦石的氫直接還原技術(shù)的開發(fā)，日本制鐵將開發(fā)氫直接還原爐、電弧爐和電熔煉爐，使用低品位鐵礦石生產(chǎn)高端鋼材。

村上英樹介紹，針對直接利用氫氣的氫直接還原技術(shù)，研究表明，與普通高爐相比，利用氫氣直接還原低品位鐵礦石的技術(shù)到2030年可以實現(xiàn)二氧化碳減排50%或更多；針對間接利用氫氣的碳回收直接還原技術(shù)，日本制鐵將還原爐煤氣中的二氧化碳通過與氫氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，生成的甲烷氣體被用作還原劑；針對用于生產(chǎn)高端鋼材的電弧爐，相關(guān)研究已驗證大型電弧爐工藝（處理量約300噸規(guī)模）利用氫直接還原技術(shù)還原低品位鐵礦石中的鐵，到2030年其提純技術(shù)可達(dá)到高爐工藝（磷含量為150百萬分比濃度或更低，氮含量為40百萬分比濃度或更低）同等水平；針對用于生產(chǎn)鐵水的電熔煉爐，已驗證利用低品位鐵礦石可實現(xiàn)高效生產(chǎn)且可與高爐工藝媲美的雜質(zhì)控制技術(shù)。日本制鐵旗下工程技術(shù)株式會社計劃建造一座試驗電熔煉爐，并于2026年試驗。

村上英樹坦言，全面實現(xiàn)低碳排放煉鋼依舊面臨很多挑戰(zhàn)，包括巨大的研發(fā)投入，能夠穩(wěn)定供應(yīng)的、成本合理的綠氫和綠電，高昂的CCS和CCUS技術(shù)成本，同時還需確保國際競爭中的平等地位。

“要實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，就有必要增強(qiáng)日本全社會承擔(dān)低碳煉鋼的成本共識，并加強(qiáng)配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資，確保有能力為本土鋼鐵企業(yè)穩(wěn)定供應(yīng)綠電和綠氫。更值得一提的是，低碳排放鋼要合理制訂價格，確保日本的低碳產(chǎn)品與其他國家的處于平等地位，保持競爭力。”他最后表示。

記者 | 楊悅

來源 | 中國冶金報

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