Populärwissenschaft | Eine detaillierte Erklärung der Wasserstoffmetallurgie

In den letzten Tagen hat Hesteels weltweit erstes 1,2 Millionen Tonnen schweres Wasserstoffmetallurgie-Demonstrationsprojekt eine sichere und reibungslose kontinuierliche Produktion umweltfreundlicher DRI-Produkte erreicht. Derzeit hat die Metallisierungsrate von DRI-Produkten 94 % erreicht und die Schlüsselindikatoren entsprechen vollständig den qualifizierten Produktstandards. Sie können als hochwertige Materialien zur Herstellung hochwertiger, sauberer Rohstoffe verwendet werden und sind wichtige Rohstoffe zum Ersatz von Elektroofenschrott, insbesondere von hochwertigem Schrott. Dies markiert den vollen Erfolg der ersten Phase des Wasserstoffmetallurgie-Demonstrationsprojekts von HBIS. Dieses Projekt ist das erste Beispiel für den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger für die großindustrielle Produktion. Ein wichtiger Meilenstein der Transformation.

Da „CO2-Peaking und CO2-Neutralität“ zum Hauptthema der globalen industriellen Entwicklung werden, muss die Stahlindustrie, die bei den CO2-Emissionen an zweiter Stelle steht, tiefgreifende Reformen durchlaufen. Aufgrund ihres enormen Potenzials zur Emissionsreduzierung ist die Wasserstoffmetallurgie zu einem Spitzenreiter geworden, den führende Stahlunternehmen unbedingt erobern wollen. Viele in- und ausländische Stahlunternehmen setzen energisch auf Projekte wie die Wasserstoffenergiemetallurgie, die Herstellung von grünem Wasserstoff und die Wasserstoffenergieversorgung. Von der „Kohlenstoffmetallurgie“ bis zur „Wasserstoffmetallurgie“ wird erwartet, dass die Eisen- und Stahlindustrie die Hüte der hohen Kohlenstoffemissionen, der hohen Umweltverschmutzung und des hohen Energieverbrauchs beseitigt.

Reduktionsreaktion mit Substitution von Kohlenstoff durch Wasserstoff

Die Wasserstoffmetallurgie nutzt Wasserstoff anstelle von Kohlenstoff als Reduktionsmittel und Energiequelle für die Eisenherstellung. Das Reduktionsprodukt ist Wasser, das null Kohlenstoffemissionen erreichen kann (die grundlegende Reaktionsformel ist Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O, das Reduktionsmittel ist Wasserstoff und die Produkte sind Eisen und Wasser).

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Wasserstoffreiche Reduktion im Hochofen

Das heißt, wasserstoffreiche Gase wie Erdgas und Koksofengas werden eingeblasen, um am Eisenherstellungsprozess teilzunehmen. Relevante Experimente haben gezeigt, dass die wasserstoffangereicherte Reduktionseisenherstellung in Hochöfen die Kohlenstoffemissionen durch die Beschleunigung der Ladungsreduzierung bis zu einem gewissen Grad reduzieren kann. Da das Verfahren jedoch auf herkömmlichen Hochöfen basiert, kann der Skeletteffekt von Koks nicht vollständig ersetzt werden Die Menge der Wasserstoffeinspritzung hat einen Grenzwert. Es wird allgemein angenommen, dass die Kohlenstoffemissionsreduktionsrate der wasserstoffreichen Reduktion im Hochofen 10 bis 20 % erreichen kann und der Effekt nicht signifikant genug ist.

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Gasbasierter Direktreduktionsschachtofen

Das heißt, durch die Verwendung einer Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel wird Eisenerz in direkt reduziertes Eisen umgewandelt, das dann zur weiteren Verhüttung in einen Elektroofen gegeben wird. Durch die Zugabe von Wasserstoff als Reduktionsmittel werden die Kohlenstoffemissionen effektiv kontrolliert. Im Vergleich zum wasserstoffreichen Reduktionshochofen kann der Ausstoß von Kohlendioxid pro Tonne um mehr als 50 % reduziert werden. Diese Methode eignet sich besser für die Wasserstoffmetallurgie.

Die Kohlenstoffreduktionsrate der Wasserstoffanreicherung im Hochofen beträgt 10–20 %, und die Wirkung ist begrenzt. Der gasbasierte Direktreduktions-Schachtofenprozess ist eine Direktreduktionstechnologie, die keine Verkokung, Sinterung, Eisenherstellung usw. erfordert und die Kohlenstoffemissionen aus der Quelle kontrollieren kann. Im Vergleich zur wasserstoffreichen Reduktion im Hochofen kann die Kohlenstoffreduktionsrate mehr als 50 % erreichen, und das Emissionsreduktionspotenzial ist relativ gering. Es ist eine effektive Möglichkeit, die Produktion von direkt reduziertem Eisen schnell zu steigern. Der gasbasierte Schachtofen weist jedoch viele Probleme auf, wie z. B. einen starken Wärmeabsorptionseffekt, ein erhöhtes H2-Gasvolumen im Ofen, erhöhte Produktionskosten, eine verringerte H2-Reduktionsrate, eine hohe Produktaktivität und Schwierigkeiten bei Passivierung und Transport.

Multinationale Veröffentlichung der Wasserstoff-Metallurgie-Technologie-Roadmap

In den letzten Jahren führt die globale Eisen- und Stahlindustrie aktiv die Praxis der Wasserstoff-Energiemetallurgie durch. Stahlunternehmen in Europa, Japan, Südkorea und anderen Ländern und Regionen haben Roadmaps für kohlenstoffarme Metallurgietechnologien formuliert, darunter Wasserstoffenergiemetallurgie, beschleunigte Forschung und Entwicklung, Tests und Anwendungen, und suchten nach technologischen Durchbrüchen, um CO2-Neutralität zu erreichen.

Derzeit gibt es weltweit bereits einige Fälle von Wasserstoffmetallurgietechnologie, wie das schwedische Anhydrid-Eisen-HYBRIT-Projekt, das Salzgitter SALCOS-Projekt, das VAI H2Future-Projekt und das ThyssenKrupp Carbon2Chem-Projekt in Deutschland.

China hat noch einen langen Weg vor sich, um eine „grüne Wasserstoffmetallurgie“ zu verwirklichen

. Derzeit haben einige inländische Eisen- und Stahlunternehmen Pläne für die Wasserstoffmetallurgie veröffentlicht, Demonstrationsprojekte gebaut und in Betrieb genommen und bestimmte innovative Durchbrüche erzielt. Allerdings befinden sich die Demonstrationsprojekte noch im Stadium der industriellen Erprobung, und es gibt immer noch eine unvollständige Infrastruktur, leere relevante Standards, hohe Kosten und Sicherheitsprobleme. Wasserstoff und andere Probleme, und unter Berücksichtigung von Faktoren wie Gasquelle, Aufbereitung, Lagerung und Transport sowie Kosten in dieser Phase ist der größte Teil des verwendeten Wasserstoffs immer noch „grauer Wasserstoff“, und es ist noch ein langer Weg, bis er „grün“ wird Wasserstoffmetallurgie“.

Zu den Hauptnutzungsmethoden der Wasserstoffmetallurgie in der chinesischen Eisen- und Stahlindustrie gehören: wasserstoffreiche Hochofen-Schmelztechnologie, Wasserstoffschachtofen-Direktreduktionstechnologie, wasserstoffbasierte Schmelzreduktions-Eisenherstellungstechnologie usw. Gemessen am Anwendungsfortschritt von chinesischem Eisen und Stahl Unternehmen kann die Wasserstoffmetallurgietechnologie dazu beitragen, die Kohlenstoffemissionen erheblich zu reduzieren, die Nutzung von Kohlenstoffressourcen zu fördern, die Entwicklung neuer umweltfreundlicher Kurzprozessprozesse voranzutreiben, fossilfreies Schmelzen zu realisieren und die Energiekopplung Stahl-Chemie-Wasserstoff zu öffnen, um den Kohlenstoffweg zu reduzieren . Darüber hinaus hat die Wasserstoffenergie auch im Bereich Logistik und Transport chinesischer Eisen- und Stahlunternehmen gute Ergebnisse bei der Energieeinsparung und dem Umweltschutz erzielt.

Wenn China eine grüne Wasserstoffmetallurgie realisieren will, muss es in Zukunft Schlüsseltechnologien in den Bereichen verteilte Nutzung grüner Energie, Wasserstoffproduktion und -speicherung, Wasserstoffmetallurgie und CO2-Entfernung untersuchen und einen neuen metallurgischen Produktionsprozess für Eisen und Stahl entwickeln Wasserstoffenergie als Kern.

Die Zukunft der Wasserstoffmetallurgie ist nicht mehr weit

Die Forschung zu globalen Wasserstoffmetallurgieprojekten gliedert sich hauptsächlich in drei Schritte: (1) Einrichtung eines Pilotdemonstrationsprojekts vor 2025, um die Machbarkeit einer groß angelegten Wasserstoffmetallurgie zu überprüfen; (2) Bis 2030 Wasserstoff aus Koksofengas und anderen Nebenprodukten für die Wasserstoffmetallurgie nutzen. (3) Bis 2050 wird der Ersatz von grauem Wasserstoff durch grünen Wasserstoff realisiert und die industrielle Produktion von Wasserstoffmetallurgie durchgeführt.

Derzeit ist die Zusammenarbeit zwischen Wasserstoffenergie und der Stahlindustrie ein Win-Win-Ergebnis: Die Wasserstoffmetallurgie trägt zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung für Stahlunternehmen sowie zum Abschluss der kohlenstoffarmen Transformation bei; Stahlunternehmen bieten praktischere Anwendungen für Wasserstoffenergie und bereichern die nachgelagerte Industriekette der Wasserstoffenergie. Wasserstoffenergie und Stahlindustrie ergänzen sich. Förderlich für die Entwicklung neuer Energie.

Die Anwendung der Wasserstoffmetallurgie in der Eisen- und Stahlindustrie steht immer noch vor einer Reihe schwerwiegender Herausforderungen, wie zum Beispiel, dass die Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff noch verbessert werden muss, der Mangel an Erfahrung in der Technologieanwendung, die hohen Kosten für die Speicherung und den Transport von Wasserstoffenergie, und der Mangel an nachgelagerter Marktnachfrage nach direkt reduzierten Eisenprodukten auf Wasserstoffbasis.

Für die zukünftige Entwicklung und Anwendung der Wasserstoffmetallurgie in der Eisen- und Stahlindustrie werden drei Vorschläge gemacht:

Eine davon ist die Weiterentwicklung des Systems. Die Nutzung von Wasserstoffenergie sollte im gesamten industriellen Kettensystem wie Wasserstoffproduktion, Wasserstoffspeicherung, Wasserstofftransport und Wasserstoffnutzung gefördert werden. Insbesondere sollten die tatsächlichen Anwendungsszenarien der Stahlproduktion koordiniert und die tiefe Integration von „Produktion, Bildung, Forschung und Goldnutzung“ systematisch vorangetrieben werden.

Die zweite besteht darin, einen marktorientierten Mechanismus zu spielen. Zum jetzigen Zeitpunkt sind die Kosten des Wasserstoffschmelzverfahrens immer noch viel höher als die des herkömmlichen Produktionsverfahrens. Es ist notwendig, die Rolle des Marktmechanismus in der technologischen Innovation und in anderen Bereichen voll auszuschöpfen und die Zuweisung von Ressourcen wie Finanzmitteln und Talenten weiter zu optimieren.

Die dritte besteht darin, die internationale Zusammenarbeit zu stärken. Wir sollten uns weiter auf spezifische bahnbrechende Verbindungen konzentrieren, den internationalen Austausch einschließlich Konzepten, wissenschaftlicher Forschung, Technologien, Wegen und Managementmethoden stärken und eine tiefgreifende internationale Zusammenarbeit fördern.

Yu Yong, Vorsitzender der World Steel Association, Präsident des World Steel Development Research Institute, Sekretär des Parteikomitees und Vorsitzender der Hegang-Gruppe, stellte vor, dass die globale Stahlindustrie in den letzten 30 Jahren die Energieeffizienz verbessert und gefördert hat Anwendung neuer Verfahren und neuer Technologien für das Recycling, und die Gesamtenergie pro Tonne Stahl ist gestiegen. Der Verbrauch wurde um 50 % reduziert. Derzeit ist die globale Stahlindustrie für etwa 8 % des weltweiten Energieverbrauchs und 7 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich. Mit Blick auf die Zukunft ist die Eisen- und Stahlindustrie der beste Weg, um kohlenstoffarme oder sogar „kohlenstofffreie“ Emissionen zu erreichen, unabhängig davon, ob es sich um Innovationen in der Energiestruktur, Innovationen bei Prozessstrukturen oder die Anwendung von Wasserstoffenergie handelt. Insbesondere,

Obwohl durch verschiedene Faktoren wie Umwelt und Kosten eingeschränkt, hat die Eisen- und Stahlindustrie noch nicht „einen Wasserstoff bis zum Ende“ erreicht, aber die Entwicklung sauberer Energie ist die Richtung und Mission, und das Potenzial der „Wasserstoffmetallurgie“ ist es unbegrenzt.