瑞典特钢制造商奥沃科（Ovako）集团和工业气体供应商林德气体公司（Linde Gas）最近在前者的霍福斯（Hofors）钢厂进行了一次全面的试验，在轧制之前使用氢气加热钢材，取得了历史性的进展，揭示了如何从轧制工序中消除二氧化碳排放。 环境目标推动钢铁企业减少碳排放 目前，瑞典钢铁行业正在制定宏伟的环境目标，并提出和推进了许多前景看好的温室气体减排方案。大多数项目的重点是在铁矿石还原过程中用氢气取代燃煤和焦炭，而铁矿石还原就是长流程钢铁生产中二氧化碳排放的主要来源。以废钢为原料的钢铁生产商需要专注于二氧化碳排放的其他过程，其中最重要的就是电弧炉（EAF）冶炼使用的电源。 对于所有行业来说，为了形成一个完整的全生命周期流程，应该把重点放在供应链的上游环节上，这一点已形成共识。为了进行大规模有益的环境改善，价值链中的所有参与者都应理解并支持这一观点，这是非常重要的。环境因素应成为采购决策的重要标准。 氢气-富氧燃烧加热钢材新方案 在钢铁冶炼的下游工序，二氧化碳减排的重要领域是热轧或锻造前的加热工序，以及钢铁产品的最终热处理。奥沃科是完全采用废钢为原料的钢铁制造商，电弧炉由无化石电力供电，而且最终的热处理正向完全采用无化石电能的方向发展。奥沃科剩下的主要挑战便是如何减少轧钢前加热工序产生的二氧化碳。 奥沃科在生产高质量特钢产品的同时，全生命周期的二氧化碳足迹却非常低，这归功于多年来不懈的努力。奥沃科已经实现了碳足迹比全球平均水平低80%，但仍在持续努力变得更好。奥沃科向北欧电力公司购买100%无化石电力。瑞典的电力行业平均二氧化碳排放量为12g/kWh，而奥沃科使用的电力的二氧化碳排放量甚至低于国内平均水平。 近年来，在可再生能源电力取代化石燃料方面，奥沃科进行了大量投入，在所有炉温低于1000℃的情况下，热处理炉都已改用电能加热。在热轧厂，尽可能多地使用热装方式，从而大大节省了燃料使用，同时减少二氧化碳排放。奥沃科还将燃料从石油改为液化石油气（LPG），从而使得二氧化碳（含二氧化硫和颗粒物）排放显著减少，并证实了改用其他无二氧化碳燃料的可能性，例如电解水产生的绿氢。 在霍福斯钢厂，奥沃科与林德合作，将几乎所有57个高温炉（炉温约1200℃）都转换为采用富氧燃烧技术，避免了空气中的氮气压载，从而大大减少了烟气带走的热量，并改善了辐射换热。使用富氧燃烧可以减小能耗，并实现二氧化减排20%-50%，具体幅度取决于工序的不同。 截至目前，奥沃科与林德已经合作了约30年，通过开发、实施和升级富氧燃烧技术，拓展工业气体的其他用途，以适应不同的实际应用及其对经济性、产品质量和排放的要求。为了提高温度均匀性和减少氮化物排放，奥沃科从最初的常规富氧燃烧使用转而采用林德的REBOX®系列无焰富氧燃烧解决方案。奥沃科和林德决定探索在热轧和锻造前使用氢气-富氧燃烧技术加热钢材的可行性。除了使用氢气作为燃料，无焰富氧燃烧技术也被使用，应用了“REBOX Hyox”创新概念。在氢气-富氧燃烧时，产生的不是烟气而是蒸汽，如图1所示。 图片 为了能够在100%的水蒸气气氛中加热不同钢种，必须解答一系列问题，这些问题涉及对钢材质量的影响、加热过程中的容量/均匀性、氮化物排放、安全问题以及燃烧系统的变化。 为了评估氧化、除鳞、脱碳、氢脆、加热能力、温度均匀性和氮化物的形成，在位于斯德哥尔摩郊外的林德燃烧实验室进行了中试试验，这些试验涵盖了不同钢种的试样，使用了氢气-富氧燃烧技术，并与奥沃科采用的LPG-富氧燃烧结果进行了对比。所有试验结果都是令人振奋的，在原材料、燃烧或排放上没有出现任何不良影响。 在中试试验成功后，奥沃科和林德决定在霍福斯钢厂一个坑式加热炉中进行大规模的氢气-富氧燃烧加热试验。奥沃科对现有燃烧系统进行了升级，将氢气和LPG作为燃料。燃料之间的转换可以在绝对安全的情况下在一秒钟内完成，并遵循所有规范和规定。 此次示范性试验是在2020年3月进行的，当时来自霍福斯钢厂的24个轴承钢钢锭被装进四个坑中。其中一个坑采用“REBOX Hyox”氢气-富氧燃料燃烧，而另外三个坑使用常规燃料（LPG-富氧燃料）燃烧。 所有相关数据（流量、温度、烟气中的氧气水平等）表明，燃烧系统的容量、温度均匀性和可控性至少与常规燃料燃烧技术运行一样。方坯加热和均热后在轧机上成功轧制成棒材，轧制力、尺寸、氧化铁皮和温度均保持在相同的水平。对最终的方坯进行了全面的检验和分析，结果表明，以氢气为燃料加热并不会影响高品质的产品质量，这是有史以来首次在轧制前成功使用氢气和氧气加热钢材。此外，在燃烧系统中使用氢气会对环境产生非常积极的影响，因为唯一产生的排放物是水蒸气。 为其他行业应用氢气带来示范作用 奥沃科表示，这是第一次在现有生产环境中使用氢气加热钢材，从这次示范性试验可知，氢气可以简单灵活地使用，而不会影响钢材质量，同时意味着碳足迹大幅减少。 奥沃科能源与加热炉技术小组专家表示：“非常令人振奋的是，我们现在有证据表明，在不影响钢材质量的情况下，利用氢气加热是完全可能的。如果我们能进行这项投资，无疑将对环境产生巨大的积极影响。我们估计，这项投资每年将减排约20000吨二氧化碳，而这仅仅是个开始。除了霍福斯钢厂以外，还可以在其他轧钢厂进行全面推广。” 这一示范性试验证明了氢气加热在大规模生产中是可行的。使用电解水方式制造的绿色氢气和氧气，并利用灵活的富氧燃烧系统，与钢材加热相关的二氧化碳排放就可能会被消除。奥沃科现在正积极寻求行业合作伙伴，获得必要的资金支持，从而完成融资。如果能够在相对较短的时间内实现全面运行，这将是为许多行业更广泛地使用氢气提供有力示范。通过上述氢气加热钢材项目的开展，可以预想，创新的钢铁产品，创新的炼钢工艺，在不久的将来会构建更美好的未来。