Science populaire | Une explication détaillée de la métallurgie de l'hydrogène

Au cours des derniers jours, le premier projet de démonstration de métallurgie de l'hydrogène de 1,2 million de tonnes d'Hesteel a réalisé une production continue sûre et fluide de produits DRI verts. À l'heure actuelle, le taux de métallisation des produits DRI a atteint 94% et les indicateurs clés ont pleinement satisfait aux normes de produits qualifiés. Ils peuvent être utilisés comme matériaux haut de gamme pour fabriquer des matières premières propres de haute qualité et sont des matières premières importantes pour remplacer les déchets des fours électriques, en particulier les déchets de haute qualité. Cela marque le succès complet de la première phase du projet de démonstration de la métallurgie de l'hydrogène de HBIS. Ce projet est le premier exemple d'application de l'hydrogène comme source d'énergie pour la production industrielle à grande échelle. Une étape importante dans la transformation.

Alors que « le pic carbone et la neutralité carbone » deviennent le thème principal du développement industriel mondial, la sidérurgie, qui occupe le deuxième rang des émissions de carbone, doit subir des réformes en profondeur. En raison de son énorme potentiel de réduction des émissions, la métallurgie de l'hydrogène est devenue le sommet que les grandes entreprises sidérurgiques sont déterminées à atteindre. De nombreuses entreprises sidérurgiques nationales et étrangères déploient vigoureusement des projets tels que la métallurgie de l'énergie hydrogène, la préparation d'hydrogène vert et l'approvisionnement en énergie hydrogène. De la « métallurgie du carbone » à la « métallurgie de l'hydrogène », l'industrie sidérurgique devrait lever les chapeaux des fortes émissions de carbone, de la forte pollution et de la forte consommation d'énergie.

Réaction de réduction avec substitution d'hydrogène au carbone

La métallurgie de l'hydrogène utilise l'hydrogène au lieu du carbone comme agent réducteur et source d'énergie pour la fabrication du fer. Le produit de réduction est l'eau, qui peut atteindre zéro émission de carbone (la formule de réaction de base est Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O, l'agent réducteur est l'hydrogène et les produits sont le fer et l'eau).

01

Réduction riche en hydrogène dans les hauts fourneaux

C'est-à-dire que des gaz riches en hydrogène tels que le gaz naturel et le gaz de four à coke sont injectés pour participer au processus de fabrication du fer. Des expériences pertinentes ont montré que la fabrication de fer de réduction enrichie en hydrogène dans les hauts fourneaux peut réduire les émissions de carbone dans une certaine mesure en accélérant la réduction de la charge, mais comme le procédé est basé sur les hauts fourneaux traditionnels, l'effet de squelette du coke ne peut pas être complètement remplacé, et la quantité d'injection d'hydrogène a une valeur limite, on pense généralement que le taux de réduction des émissions de carbone de la réduction riche en hydrogène du haut fourneau peut atteindre 10% à 20%, et l'effet n'est pas assez significatif.

02

Four à cuve à réduction directe au gaz

C'est-à-dire qu'en utilisant un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone comme agent réducteur, le minerai de fer est converti en fer réduit directement, qui est ensuite placé dans un four électrique pour une fusion ultérieure. L'ajout d'hydrogène comme agent réducteur contrôle efficacement les émissions de carbone. Par rapport au haut fourneau à réduction riche en hydrogène, l'émission de dioxyde de carbone par tonne peut être réduite de plus de 50 %. Cette méthode est plus adaptée à la métallurgie de l'hydrogène.

Le taux de réduction du carbone de l'enrichissement en hydrogène des hauts fourneaux est de 10 % à 20 % et l'effet est limité. Le procédé de four à cuve à réduction directe au gaz est une technologie de réduction directe qui ne nécessite pas de cokéfaction, de frittage, de fabrication de fer, etc., et peut contrôler les émissions de carbone à la source. Par rapport à la réduction riche en hydrogène dans les hauts fourneaux, le taux de réduction du carbone peut atteindre plus de 50 % et le potentiel de réduction des émissions est relativement faible. C'est un moyen efficace d'augmenter rapidement la production de fer à réduction directe. Cependant, le four à cuve à gaz présente de nombreux problèmes tels qu'un fort effet d'absorption de chaleur, une augmentation du volume de gaz H2 dans le four, une augmentation des coûts de production, une diminution du taux de réduction de H2, une activité élevée du produit et des difficultés de passivation et de transport.

Publication multinationale de la feuille de route de la technologie de la métallurgie de l'hydrogène

Ces dernières années, l'industrie mondiale du fer et de l'acier mène activement la pratique de la métallurgie de l'énergie hydrogène. Les entreprises sidérurgiques d'Europe, du Japon, de Corée du Sud et d'autres pays et régions ont élaboré des feuilles de route pour les technologies de la métallurgie à faible émission de carbone, y compris la métallurgie de l'énergie hydrogène, la recherche et le développement accélérés, les tests et les applications, et ont recherché des percées technologiques pour atteindre la neutralité carbone.

À l'heure actuelle, il existe déjà des cas de technologie de métallurgie de l'hydrogène dans le monde, tels que le projet suédois HYBRIT de fer anhydride, le projet Salzgitter SALCOS, le projet VAI H2Future et le projet ThyssenKrupp Carbon2Chem en Allemagne.

La Chine a encore un long chemin à parcourir pour réaliser la "métallurgie verte de l'hydrogène".

À l'heure actuelle, certaines entreprises sidérurgiques nationales ont publié des plans pour la métallurgie de l'hydrogène, construit des projets de démonstration et les ont mis en service, et ont réalisé certaines percées innovantes. Cependant, les projets de démonstration en sont encore au stade des tests industriels et il existe encore des infrastructures imparfaites, des normes pertinentes vierges, des coûts élevés et des problèmes de sécurité. L'hydrogène et d'autres problèmes, et compte tenu de facteurs tels que la source de gaz, la préparation, le stockage et le transport, et le coût à ce stade, la majeure partie de l'hydrogène utilisé est encore de l'"hydrogène gris", et il reste encore un long chemin à parcourir avant de réaliser "l'hydrogène vert". métallurgie de l'hydrogène".

Les principales méthodes d'utilisation de la métallurgie de l'hydrogène dans l'industrie sidérurgique chinoise comprennent : la technologie de fusion riche en hydrogène dans les hauts fourneaux, la technologie de réduction directe du four à cuve à hydrogène, la technologie de réduction du fer par fusion à base d'hydrogène, etc. À en juger par les progrès de l'application du fer et de l'acier chinois entreprises, la technologie de la métallurgie de l'hydrogène peut aider à réduire considérablement les émissions de carbone, à promouvoir l'utilisation des ressources en carbone, à promouvoir le développement de nouveaux procédés verts à procédé court, à réaliser une fusion sans fossiles et à ouvrir le couplage acier-chimie-hydrogène pour réduire la route du carbone . En outre, l'énergie hydrogène a également obtenu de bons résultats en matière d'économie d'énergie et de protection de l'environnement dans le domaine de la logistique et du transport des entreprises sidérurgiques chinoises.

Si la Chine veut réaliser la métallurgie verte de l'hydrogène, elle doit étudier les technologies clés dans les domaines de l'utilisation distribuée de l'énergie verte, de la production et du stockage de l'hydrogène, de la métallurgie de l'hydrogène et de l'élimination du CO2 à l'avenir, et former un nouveau processus de production métallurgique du fer et de l'acier avec l'énergie hydrogène comme noyau.

L'avenir de la métallurgie de l'hydrogène n'est pas loin

La recherche sur les projets mondiaux de métallurgie de l'hydrogène est principalement divisée en trois étapes : (1) avant 2025, établir un projet pilote de démonstration pour vérifier la faisabilité de la métallurgie de l'hydrogène à grande échelle ; (2) d'ici 2030, utiliser l'hydrogène du gaz de cokerie et d'autres sous-produits pour la métallurgie de l'hydrogène (3) D'ici 2050, le remplacement de l'hydrogène gris par l'hydrogène vert sera réalisé et la production industrielle de la métallurgie de l'hydrogène sera réalisée.

À l'heure actuelle, la coopération entre l'énergie hydrogène et la sidérurgie est un résultat gagnant-gagnant : la métallurgie de l'hydrogène est propice à la conservation de l'énergie et à la réduction des émissions pour les entreprises sidérurgiques et à l'achèvement de la transformation bas carbone ; les entreprises sidérurgiques fournissent des applications plus pratiques pour l'énergie hydrogène, enrichissant la chaîne industrielle en aval de l'énergie hydrogène . L'énergie hydrogène et la sidérurgie se complètent. Propice au développement de nouvelles énergies.

L'application de la métallurgie de l'hydrogène dans l'industrie sidérurgique reste confrontée à une série de défis importants, tels que l'économie de l'hydrogène vert doit encore être améliorée, le manque d'expérience dans l'application de la technologie, le coût élevé du stockage et du transport de l'énergie hydrogène, et le manque de demande du marché en aval pour les produits à base de fer à réduction directe à base d'hydrogène.

Pour le développement et l'application futurs de la métallurgie de l'hydrogène dans l'industrie sidérurgique, trois suggestions sont avancées :

L'un est l'avancement du système. L'utilisation de l'énergie hydrogène devrait être encouragée à partir de l'ensemble du système de la chaîne industrielle, comme la production d'hydrogène, le stockage de l'hydrogène, le transport de l'hydrogène et l'utilisation de l'hydrogène. En particulier, les scénarios d'application réels de la production d'acier devraient être coordonnés, et l'intégration profonde de "la production, l'éducation, la recherche et l'utilisation de l'or" devrait être systématiquement encouragée.

La seconde est de jouer un mécanisme orienté vers le marché. À ce stade, le coût du processus de fusion de l'hydrogène est encore beaucoup plus élevé que celui du processus de production traditionnel. Il est nécessaire de faire jouer pleinement le rôle des mécanismes de marché dans l'innovation technologique et d'autres domaines, et d'optimiser davantage l'allocation des ressources telles que les finances et les talents.

Le troisième est de renforcer la coopération internationale. Nous devons davantage nous concentrer sur des liens de rupture spécifiques, renforcer les échanges internationaux, y compris les concepts, la recherche scientifique, les technologies, les voies et les méthodes de gestion, et promouvoir une coopération internationale approfondie.

Yu Yong, président de l'Association mondiale de l'acier, président de l'Institut mondial de recherche sur le développement de l'acier, secrétaire du comité du parti et président du groupe Hegang, a déclaré qu'au cours des 30 dernières années, l'industrie sidérurgique mondiale avait amélioré l'efficacité énergétique et promu la l'application de nouveaux procédés et de nouvelles technologies de recyclage, et l'énergie globale par tonne d'acier a augmenté. La consommation a été réduite de 50 %. À l'heure actuelle, l'industrie sidérurgique mondiale représente environ 8 % de la consommation mondiale d'énergie et 7 % des émissions mondiales de carbone. Face à l'avenir, l'industrie sidérurgique est le meilleur moyen d'atteindre des émissions à faible émission de carbone, voire "zéro carbone", qu'il s'agisse d'innovation de structure énergétique, d'innovation de structure de processus ou d'application de l'énergie hydrogène. En particulier,

Bien que limitée par divers facteurs tels que l'environnement et le coût, la sidérurgie n'a pas encore atteint "un hydrogène jusqu'au bout", mais le développement de l'énergie propre est la direction et la mission, et le potentiel de la "métallurgie de l'hydrogène" est illimité.