日本钢铁业正积极通过氢冶金技术革新推进低碳转型
导读： 本报记者 杨悦 3月13日，在第十五届中日钢铁业环保节能专家交流会上，日本制铁执行顾问、日本氢炼铁财团产...
杨悦
3月13日，在第十五届中日钢铁业环保节能专家交流会上，日本制铁执行顾问、日本氢炼铁财团产业联盟（GREINS项目）技术顾问村上英树在做题为《日本钢铁工业碳中和转型的技术挑战》的报告时表示，当前日本钢铁业正通过氢冶金等技术革新推动行业转型，由日本新能源与工业技术发展组织（NEDO）资助的COURSE50项目和GREINS（炼钢绿色创新）项目，正逐步发展成为这场转型的动力引擎。
他介绍，以2022年数据为例，日本作为全球第五大二氧化碳排放国，二氧化碳排放量全球占比约3%，日本钢铁行业的二氧化碳排放量又占其排放总量的14%。碳中和目标下，日本钢铁行业积极开发氢还原炼铁技术，以助力实现日本全社会的碳减排目标。
村上英树介绍，在此背景下，COURSE50项目于2008年启动，旨在开发可以在高炉应用的氢还原技术。2017年，该项目在试验高炉首次证实采用相应氢还原技术可使高炉冶炼过程中产生的二氧化碳量减少10%以上。基于COURSE50项目积累的技术经验，2021年，GREINS项目正式启动。这可以说是钢铁制造工艺中的一个氢能利用项目，还是一个多轨道技术开发项目，涉及高炉工艺、直接还原工艺、电弧炉工艺，并于去年加入了电熔炼炉工艺。该项目的组织者为由日本制铁、JFE钢铁公司、神户制钢所、金属材料研究开发中心(JRCM)组成的日本氢炼铁财团产业联盟，与包括北海道大学、日本中央电力研究所、早稻田大学等在内的14个研究单位展开联合研究。
“虽然利用天然气直接还原铁这一生产工艺已很普遍，但仍需要高品位铁矿石。鉴于用作直接还原铁的高品位铁矿石资源有限，对低品位铁矿石的高效使用在未来钢铁工业发展历程中依旧极为关键。目前通过电弧炉生产高端钢材也面临着能源有限等困难。在亚洲，高炉—转炉路线占据主导地位。开发可以应用于高炉的碳减排技术是很有必要的。”他表示。
“在GREINS项目中，日本制铁致力于高炉—转炉联合炼铁工艺和直接还原—电弧炉及电熔炼炉工艺的开发。”村上英树介绍，GREINS项目的主要研发内容包括两大方面：高炉氢还原技术的开发和用于还原低品位铁矿石的氢直接还原技术的开发。前者包括利用钢厂内部氢气的氢还原技术开发（COURSE50高炉直接利用氢气），以及利用钢厂外部氢气和高炉煤气中二氧化碳的低碳技术的开发（涉及Super COURSE50高炉直接利用氢气和碳回收高炉间接利用氢气）；后者包括氢直接还原技术的开发（涉及氢直接喷吹竖炉直接利用氢气、碳回收竖炉间接利用氢气），以及生产高端钢材的电弧炉、生产铁水的电熔炼炉的开发。
围绕高炉氢还原技术的开发，COURSE50和Super COURSE50是重点。
村上英树介绍，COURSE50项目涉及二氧化碳捕集和减排两部分。一是通过捕集高炉煤气中的二氧化碳，减少20%的二氧化碳排放量；二是用高炉内的氢气部分替代焦炭，减少10%的二氧化碳排放量。2020年，该项目进行了室温条件下氢气喷吹试验，在12立方米的COURSE50试验高炉实现了二氧化碳减排16%。接下来，日本制铁将在君津厂2号高炉引进富氢气体喷吹设备，预计于2026财年开始大型实际高炉喷吹试验。同时，日本制铁还将在日本制铁东日本制铁所君津地区的COURSE50试验高炉，即Super COURSE50试验高炉，通过在比COURSE50高炉试验温度高的条件下，最大化地喷吹来自外部的氢气，配合CCS（碳捕获与封存）或CCUS（碳捕集、利用与封存），实现碳中和。此外，JFE钢铁公司东日本制铁所（千叶工厂）正在建造一座150立方米的碳回收高炉，并将于2025年开始试验。在配有碳回收系统的高炉中，高炉煤气中的二氧化碳通过与外部氢气发生甲烷化反应转化为CH4（甲烷）；部分还原剂由焦炭改质而来，碳回收的甲烷作为还原剂反复利用，减少了高炉二氧化碳的排放量。
围绕用于还原低品位铁矿石的氢直接还原技术的开发，日本制铁将开发氢直接还原炉、电弧炉和电熔炼炉，使用低品位铁矿石生产高端钢材。
村上英树介绍，针对直接利用氢气的氢直接还原技术，研究表明，与普通高炉相比，利用氢气直接还原低品位铁矿石的技术到2030年可以实现二氧化碳减排50%或更多；针对间接利用氢气的碳回收直接还原技术，日本制铁将还原炉煤气中的二氧化碳通过与氢气反应转化为甲烷，生成的甲烷气体被用作还原剂；针对用于生产高端钢材的电弧炉，相关研究已验证大型电弧炉工艺（处理量约300吨规模）利用氢直接还原技术还原低品位铁矿石中的铁，到2030年其提纯技术可达到高炉工艺（磷含量为150百万分比浓度或更低，氮含量为40百万分比浓度或更低）同等水平；针对用于生产铁水的电熔炼炉，已验证利用低品位铁矿石可实现高效生产且可与高炉工艺媲美的杂质控制技术。日本制铁旗下工程技术株式会社计划建造一座试验电熔炼炉，并于2026年试验。
村上英树坦言，全面实现低碳排放炼钢依旧面临很多挑战，包括巨大的研发投入，能够稳定供应的、成本合理的绿氢和绿电，高昂的CCS和CCUS技术成本，同时还需确保国际竞争中的平等地位。
“要实现碳中和目标，就有必要增强日本全社会承担低碳炼钢的成本共识，并加强配套基础设施建设投资，确保有能力为本土钢铁企业稳定供应绿电和绿氢。更值得一提的是，低碳排放钢要合理制订价格，确保日本的低碳产品与其他国家的处于平等地位，保持竞争力。”他最后表示。
《中国冶金报》（2025年03月21日 02版二版）
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