ศาสตร์นิยม | คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับโลหะวิทยาของไฮโดรเจน

ในช่วงไม่กี่วันที่ผ่านมา โครงการสาธิตโลหะวิทยาไฮโดรเจนขนาด 1.2 ล้านตันแห่งแรกของโลกของ Hesteel ประสบความสำเร็จในการผลิตผลิตภัณฑ์ Green DRI ที่ปลอดภัยและราบรื่นอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบัน อัตราการทำให้เป็นโลหะของผลิตภัณฑ์ DRI สูงถึง 94% และตัวบ่งชี้ที่สำคัญเป็นไปตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติครบถ้วน สามารถใช้เป็นวัสดุคุณภาพสูงเพื่อผลิตวัตถุดิบสะอาดคุณภาพสูง และเป็นวัตถุดิบสำคัญในการทดแทนเศษเตาไฟฟ้า โดยเฉพาะเศษเหล็กคุณภาพสูง นับเป็นความสำเร็จอย่างสมบูรณ์ของเฟสแรกของโครงการสาธิตโลหะวิทยาไฮโดรเจนของ HBIS โครงการนี้เป็นตัวอย่างแรกของการประยุกต์ใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานสำหรับการผลิตในภาคอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ก้าวสำคัญในการเปลี่ยนแปลง

เนื่องจาก "จุดสูงสุดของคาร์บอนและความเป็นกลางของคาร์บอน" กลายเป็นประเด็นหลักของการพัฒนาอุตสาหกรรมทั่วโลก อุตสาหกรรมเหล็กซึ่งมีการปล่อยคาร์บอนเป็นอันดับสองจำเป็นต้องได้รับการปฏิรูปในเชิงลึก เนื่องจากศักยภาพในการลดการปล่อยก๊าซมหาศาล กระบวนการโลหะไฮโดรเจนจึงกลายเป็นจุดสูงสุดที่บริษัทเหล็กชั้นนำหมายมั่นว่าจะเป็นผู้ชนะ บริษัทเหล็กทั้งในและต่างประเทศหลายแห่งกำลังดำเนินโครงการอย่างแข็งขัน เช่น การผลิตโลหะด้วยพลังงานไฮโดรเจน การเตรียมไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และการจัดหาพลังงานไฮโดรเจน จาก "โลหะวิทยาคาร์บอน" ถึง "โลหะวิทยาไฮโดรเจน" อุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าคาดว่าจะถอดหมวกของการปล่อยคาร์บอนสูง มลพิษสูง และการใช้พลังงานสูง

ปฏิกิริยารีดิวซ์ด้วยการแทนที่ไฮโดรเจนด้วยคาร์บอน

โลหะวิทยาไฮโดรเจนใช้ไฮโดรเจนแทนคาร์บอนเป็นตัวรีดิวซ์และแหล่งพลังงานสำหรับการผลิตเหล็ก ผลิตภัณฑ์รีดักชันคือน้ำ ซึ่งสามารถปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ได้ (สูตรปฏิกิริยาพื้นฐานคือ Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O ตัวรีดิวซ์คือไฮโดรเจน และผลิตภัณฑ์คือเหล็กและน้ำ)

01

การลดความเข้มข้นของไฮโดรเจนในเตาหลอมระเบิด

นั่นคือ ก๊าซที่อุดมด้วยไฮโดรเจน เช่น ก๊าซธรรมชาติและก๊าซหุงต้มโค้ก จะถูกฉีดเข้าไปในกระบวนการผลิตเหล็ก การทดลองที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่าการผลิตเหล็กแบบรีดักชันที่อุดมด้วยไฮโดรเจนในเตาหลอมเหล็กสามารถลดการปล่อยคาร์บอนได้ในระดับหนึ่งโดยการเร่งการลดประจุ แต่เนื่องจากกระบวนการนี้ใช้เตาหลอมแบบดั้งเดิม เอฟเฟกต์โครงกระดูกของถ่านโค้กจึงไม่สามารถแทนที่ได้อย่างสมบูรณ์ และ ปริมาณของการฉีดไฮโดรเจนมีค่าจำกัด เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าอัตราการลดการปล่อยคาร์บอนของการลดไฮโดรเจนที่อุดมด้วยเตาหลอมสามารถสูงถึง 10%-20% และผลกระทบนั้นไม่สำคัญเพียงพอ

02

เตาเผาแบบลดเพลาโดยตรงที่ใช้แก๊ส

นั่นคือ ด้วยการใช้ส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นตัวรีดิวซ์ แร่เหล็กจะถูกแปลงเป็นเหล็กรีดิวซ์โดยตรง ซึ่งจะถูกนำเข้าเตาไฟฟ้าเพื่อการถลุงต่อไป การเติมไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์จะควบคุมการปล่อยคาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเปรียบเทียบกับเตาหลอมแบบลดขนาดที่อุดมด้วยไฮโดรเจน การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่อตันสามารถลดลงได้มากกว่า 50% วิธีนี้เหมาะสำหรับไฮโดรเจนโลหะ

อัตราการลดคาร์บอนของการเพิ่มปริมาณไฮโดรเจนในเตาหลอมคือ 10%-20% และผลกระทบจะถูกจำกัด กระบวนการเตาเผาเพลาแบบลดขนาดโดยตรงที่ใช้ก๊าซเป็นเทคโนโลยีการลดขนาดโดยตรงที่ไม่ต้องใช้ถ่านโค้ก การเผาผนึก การผลิตเหล็ก ฯลฯ และสามารถควบคุมการปล่อยคาร์บอนจากแหล่งกำเนิดได้ เมื่อเทียบกับการลดที่อุดมด้วยไฮโดรเจนของเตาหลอม อัตราการลดคาร์บอนสามารถทำได้มากกว่า 50% และศักยภาพในการลดการปล่อยก๊าซค่อนข้างต่ำ เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการขยายการผลิตธาตุเหล็กโดยตรงอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม เตาหลอมแบบเพลาที่ใช้แก๊สมีปัญหามากมาย เช่น ผลการดูดซับความร้อนที่รุนแรง ปริมาณก๊าซ H2 ที่เพิ่มขึ้นในเตาเผา ต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้น อัตราการลด H2 ที่ลดลง กิจกรรมของผลิตภัณฑ์สูง และความยากลำบากในการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการขนส่ง

การเปิดตัวแผนงานเทคโนโลยีโลหะวิทยาไฮโดรเจนข้ามชาติ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าทั่วโลกกำลังดำเนินแนวทางปฏิบัติเกี่ยวกับโลหะวิทยาพลังงานไฮโดรเจนอย่างจริงจัง บริษัทเหล็กในยุโรป ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และประเทศและภูมิภาคอื่นๆ ได้กำหนดแผนงานเทคโนโลยีโลหะวิทยาคาร์บอนต่ำ ซึ่งรวมถึงโลหะวิทยาพลังงานไฮโดรเจน เร่งการวิจัยและพัฒนา การทดสอบและการใช้งาน และแสวงหาความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเพื่อให้ได้ความเป็นกลางทางคาร์บอน

ในปัจจุบัน มีบางกรณีของเทคโนโลยีโลหะวิทยาไฮโดรเจนในโลก เช่น โครงการ HYBRIT เหล็กแอนไฮไดรด์ของสวีเดน โครงการ Salzgitter SALCOS โครงการ VAI H2Future และโครงการ ThyssenKrupp Carbon2Chem ในเยอรมนี

จีนมีเส้นทางอีกยาวไกลในการบรรลุ "โลหะวิทยาไฮโดรเจนสีเขียว"

ในปัจจุบัน บริษัทเหล็กและเหล็กกล้าในประเทศบางแห่งได้ออกแผนสำหรับโลหะวิทยาไฮโดรเจน สร้างโครงการสาธิตและนำไปใช้จริง และบรรลุความก้าวหน้าทางนวัตกรรมบางอย่าง อย่างไรก็ตาม โครงการสาธิตยังอยู่ในขั้นตอนของการทดสอบทางอุตสาหกรรม และยังมีโครงสร้างพื้นฐานที่ไม่สมบูรณ์ ไม่มีมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ค่าใช้จ่ายสูง และปัญหาด้านความปลอดภัย ไฮโดรเจนและประเด็นอื่น ๆ และเมื่อพิจารณาจากปัจจัยต่าง ๆ เช่น แหล่งก๊าซ การเตรียม การจัดเก็บ และการขนส่ง และต้นทุน ในขั้นตอนนี้ ไฮโดรเจนที่ใช้ส่วนใหญ่ยังคงเป็น "ไฮโดรเจนสีเทา" และยังมีหนทางอีกยาวไกลก่อนที่จะตระหนักถึง "สีเขียว" ไฮโดรเจนโลหวิทยา".

วิธีการใช้ประโยชน์หลักของโลหะวิทยาไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าของจีนประกอบด้วย: เทคโนโลยีการถลุงแร่ที่อุดมด้วยไฮโดรเจนด้วยเตาหลอมเหล็ก เทคโนโลยีการลดลงโดยตรงของเตาเพลาไฮโดรเจน เทคโนโลยีการผลิตเหล็กที่ลดการถลุงโดยใช้ไฮโดรเจน เป็นต้น ตัดสินจากความก้าวหน้าของการประยุกต์ใช้เหล็กและเหล็กกล้าของจีน เทคโนโลยีโลหะวิทยาไฮโดรเจนสามารถช่วยลดการปล่อยคาร์บอนได้อย่างมาก ส่งเสริมการใช้ทรัพยากรคาร์บอน ส่งเสริมการพัฒนากระบวนการใหม่ระยะสั้นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ตระหนักถึงการถลุงที่ปราศจากฟอสซิล และเปิดการเชื่อมต่อเหล็ก-เคมี-พลังงานไฮโดรเจนเพื่อลดเส้นทางคาร์บอน . นอกจากนี้ พลังงานไฮโดรเจนยังได้ผลลัพธ์ที่ดีในการอนุรักษ์พลังงานและการปกป้องสิ่งแวดล้อมในด้านโลจิสติกส์และการขนส่งของผู้ประกอบการเหล็กและเหล็กกล้าของจีน

หากจีนต้องการทำโลหะไฮโดรเจนสีเขียวให้เป็นจริง จีนจำเป็นต้องศึกษาเทคโนโลยีหลักในด้านการใช้พลังงานสีเขียวแบบกระจาย การผลิตและกักเก็บไฮโดรเจน โลหะวิทยาไฮโดรเจน และการกำจัด CO2 ในอนาคต และสร้างกระบวนการผลิตโลหะวิทยาเหล็กและเหล็กกล้าใหม่ด้วย พลังงานไฮโดรเจนเป็นหลัก

อนาคตของโลหะไฮโดรเจนอยู่ไม่ไกล

การวิจัยเกี่ยวกับโครงการโลหะวิทยาไฮโดรเจนทั่วโลกแบ่งออกเป็นสามขั้นตอนหลัก: (1) ก่อนปี 2568 จัดทำโครงการสาธิตนำร่องเพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ของโลหะวิทยาไฮโดรเจนขนาดใหญ่; (2) ภายในปี 2573 ใช้ไฮโดรเจนจากก๊าซหุงต้มโค้กและผลพลอยได้อื่น ๆ สำหรับโลหะวิทยาไฮโดรเจน (3) ภายในปี 2593 จะมีการแทนที่ไฮโดรเจนสีเทาด้วยไฮโดรเจนสีเขียว และการผลิตทางอุตสาหกรรมของโลหะไฮโดรเจนจะดำเนินการ

ในปัจจุบัน ความร่วมมือระหว่างพลังงานไฮโดรเจนและอุตสาหกรรมเหล็กเป็นผลที่ได้ทั้งสองฝ่าย: โลหะวิทยาไฮโดรเจนเอื้อต่อการอนุรักษ์พลังงานและการลดการปล่อยมลพิษสำหรับบริษัทเหล็กและเสร็จสิ้นการเปลี่ยนรูปคาร์บอนต่ำ บริษัทผลิตเหล็กมีการประยุกต์ใช้พลังงานไฮโดรเจนที่เป็นประโยชน์มากขึ้น เสริมคุณค่าให้กับห่วงโซ่อุตสาหกรรมปลายน้ำของพลังงานไฮโดรเจน พลังงานไฮโดรเจนและอุตสาหกรรมเหล็กเสริมซึ่งกันและกัน เอื้อต่อการพัฒนาพลังงานใหม่

การประยุกต์ใช้โลหะวิทยาไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้ายังคงเผชิญกับความท้าทายที่รุนแรงหลายประการ เช่น เศรษฐกิจของไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมยังคงต้องได้รับการปรับปรุง การขาดประสบการณ์ในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี การจัดเก็บและขนส่งพลังงานไฮโดรเจนที่มีต้นทุนสูง และการขาดความต้องการของตลาดปลายน้ำสำหรับผลิตภัณฑ์ธาตุเหล็กที่ลดลงโดยตรงจากไฮโดรเจน

สำหรับการพัฒนาในอนาคตและการประยุกต์ใช้โลหะวิทยาไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า มีข้อเสนอแนะ 3 ประการดังนี้

หนึ่งคือความก้าวหน้าของระบบ ควรส่งเสริมการใช้พลังงานไฮโดรเจนจากระบบห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมด เช่น การผลิตไฮโดรเจน การเก็บไฮโดรเจน การขนส่งไฮโดรเจน และการใช้ไฮโดรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ควรมีการประสานสถานการณ์การใช้งานจริงของการผลิตเหล็ก และควรส่งเสริมการบูรณาการอย่างลึกซึ้งของ "การผลิต การศึกษา การวิจัย และการใช้ทองคำ" อย่างเป็นระบบ

ประการที่สองคือการเล่นตามกลไกตลาด ในขั้นตอนนี้ ต้นทุนของกระบวนการถลุงไฮโดรเจนยังคงสูงกว่ากระบวนการผลิตแบบเดิมอยู่มาก จำเป็นต้องแสดงบทบาทอย่างเต็มที่ต่อกลไกตลาดในด้านนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและสาขาอื่นๆ และเพิ่มประสิทธิภาพการจัดสรรทรัพยากร เช่น การเงินและบุคลากรที่มีความสามารถ

ประการที่สามคือการเสริมสร้างความร่วมมือระหว่างประเทศ เราควรให้ความสำคัญกับการเชื่อมโยงที่ก้าวหน้าโดยเฉพาะ เสริมสร้างการแลกเปลี่ยนระหว่างประเทศรวมถึงแนวคิด การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี เส้นทาง และวิธีการจัดการ และส่งเสริมความร่วมมือระหว่างประเทศเชิงลึก

Yu Yong ประธานสมาคมเหล็กโลก ประธานสถาบันวิจัยการพัฒนาเหล็กโลก เลขาธิการคณะกรรมการพรรค และประธานกลุ่ม Hegang แนะนำว่าในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมเหล็กทั่วโลกได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและส่งเสริม การประยุกต์ใช้กระบวนการใหม่และเทคโนโลยีใหม่สำหรับการรีไซเคิล และพลังงานที่ครอบคลุมต่อเหล็กหนึ่งตันได้เพิ่มขึ้น การบริโภคลดลง 50% ในปัจจุบัน อุตสาหกรรมเหล็กทั่วโลกคิดเป็นประมาณ 8% ของการใช้พลังงานของโลก และ 7% ของการปล่อยคาร์บอนทั่วโลก เมื่อเผชิญกับอนาคต อุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าคือวิธีที่ดีที่สุดในการลดการปล่อยคาร์บอนต่ำหรือแม้แต่ "คาร์บอนเป็นศูนย์" ไม่ว่าจะเป็นนวัตกรรมโครงสร้างพลังงาน นวัตกรรมโครงสร้างกระบวนการ หรือการใช้พลังงานไฮโดรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง,

แม้ว่าจะถูกจำกัดด้วยปัจจัยต่างๆ เช่น สภาพแวดล้อมและต้นทุน แต่อุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้ายังไม่บรรลุ "หนึ่งไฮโดรเจนจนจบ" แต่การพัฒนาพลังงานสะอาดคือทิศทางและพันธกิจ และศักยภาพของ "โลหะวิทยาไฮโดรเจน" คือ ไม่ จำกัด.