氫基直接還原鐵技術是一種使用氫氣代替化石燃料生產鐵的創新技術，可以顯著減少煉鐵過程中的二氧化碳排放量。目前，100%使用氫氣生產直接還原鐵的工藝尚未在全球範圍內實現商業化。近日，浦項制鐵發布了一份低碳煉鐵工藝深度分析報告，其中介紹的無碳氫基直接還原煉鐵工藝——HyREX工藝引起了業界廣泛關注。
根據該報告，HyREX工藝是在浦項制鐵自主研發的FINEX煉鐵工藝基礎上，利用氫氣和鐵礦粉生產鋼鐵。該工藝旨在用熔融氣化爐取代現有的使用煤炭的高爐，且無需燒結、焦化工序。
HyREX工藝採用的流化床反應器與傳統氣基豎爐有以下區別：
一是原材料不同。傳統氣基豎爐採用球團礦，鐵礦石經破碎篩分後加工成一定尺寸的圓球，而流化床反應器採用的是鐵礦粉，無需加工。
二是原材料與還原氣體的接觸方式不同。在傳統氣基豎爐中，氫氣從下至上穿過鐵礦石之間的空隙，發生還原反應。豎爐的透氣性對於氫氣能否順利穿過鐵礦石之間的空隙很重要，因此鐵礦石需要被加工成一定尺寸的球團礦，以便生產。在流化床反應器中，高溫還原氣體通過反應器底部的孔狀網格均勻分布，使鐵礦粉流化後像混合液體一樣發生還原反應，還原後的鐵礦粉經過多級反應器後成為直接還原鐵。
三是碳排放強度的差異。一般來說，豎爐生產1噸直接還原鐵會排放50千克~150千克的二氧化碳。這就意味著該工藝要實現二氧化碳淨零排放，必須使用風能或太陽能等綠色能源來製造球團礦，而使用鐵礦粉的流化床反應器則不會存在這樣的問題。
此外，HyREX工藝還具有其他兩個方面的優勢：
一是在材料供應方面，鐵礦粉比球團礦更容易確保供應穩定，且鐵礦粉不需要再加工，經濟效益相對較高。相關數據顯示，2020年全球鐵礦石產量為18億噸，球團礦的供應量為4.2億噸。根據國際鋼鐵與金屬協會 (IIMA) 預測，到2030年，如果不對材料生產和綠色冶煉技術等加大投資，全球將面臨直接還原鐵用球團礦供應短缺的問題。
二是在溫度控制方面，流化床反應器比傳統氣基豎爐更具優勢。還原爐的溫度控制在氫基直接還原鐵中至關重要，如果還原爐內部溫度過低，則會導致鐵水質量缺陷。使用煤炭或天然氣等化石燃料的還原反應是一种放熱反應，而採用氫氣的還原反應是一種吸熱反應，需要從外部連續向還原爐內輸送熱量並對其進行合理控制，以防止產生缺陷。流化床反應器由多個不同的反應器組成，反應器呈階梯狀排列，可從外壁和底部注入額外的氧氣控制爐內溫度。然而，傳統的氣基豎爐由單級還原爐組成，整個還原爐的溫度僅能通過從底部注入氧氣來控制，致使還原爐頂部的溫度極易變低。
據了解，目前浦項制鐵正計劃與韓國政府一起，以FINEX工藝和流化反應器為基礎，推動HyREX工藝深入開發，到2028年在浦項鋼鐵廠建成年產100萬噸直接還原鐵的設施，以檢驗HyREX工藝實現商業化的可能性。此外，浦項制鐵還將開發一種新型電爐煉鋼技術。
浦項制鐵自1992年開始研發FINEX工藝，並於2007年實現商業化，截至目前已經成功生產了3400萬噸的熔融金屬。浦項制鐵計劃從2025年開始在沒有試點試驗的情況下直接進入到HyREX工藝的示範生產階段。此外，浦項制鐵計劃到2050年分階段將浦項鋼鐵廠和光陽鋼鐵廠的現有生產工藝全部改成氫基直接還原鐵工藝，並實現企業運營碳中和。
（圖片來源於網絡）
作者 | 田晨陽