Midrex工艺的能源转型

绿氢

将高效电解槽技术发展成熟是成功实施能源转型的先决条件。2019年初，Paul Wurth公司收购了Sunfire-Hylink公司20%的股份，后者是生产可再生、低成本工业氢气的高温蒸汽电解技术的领先开发商。其动机是积极支持和发展无化石炼铁，这是以氢为基础的钢铁生产的关键一步。

电解是利用电将水分解成氢气和氧气，是一种有希望的工业规模制氢技术。目前，通过电解水生产的氢气占全球氢气产量的4%左右。因为氢分子来自水而不是碳氢化合物，所以它可以被认为是绿色的，称为绿氢。

绿氢的工业应用有三个限制：1）在大多数国家，电力主要由化石燃料产生，因此CO₂排放总量很大；2）电解产生的氢气目前无法满足大型工业用户需求，如钢铁行业等；3）在当前电价下，氢气的成本太高，制约其推广应用。

目前，几种可以从水中生产氢气的技术处于不同水平。其中最有前途的是固体氧化物电解电池技术（SOEC）。

固体氧化物电解电池在高温（约800℃）下工作。与替代技术相比，Sunfire- Hylink公司开发的电解电池所需电力减少26%-28%，这意味着相同氢气输出所需的可再生能源减少35%-40%。最重要的是它可以使用低质量蒸汽（例如140℃，3bar蒸汽），这些蒸汽可以很容易地从钢铁厂的废热源中回收。

Sunfire- Hylink公司电解电池的另一个特点是当通入CO₂和蒸汽时，能够生产合成气（CO和H₂）。这个过程称为共电解。

碱液电解制氢技术是另一种从水中制氢的技术，已商业化应用数十年，并得到了充分证明。最近，Sunfire- Hylink公司收购了瑞士碱液电解公司IHT公司，该公司设计和制造了市场上最可靠、最具成本效益的碱液电解槽之一。IHT公司拥有70多年的经验，并在全球合计建有240 MW装机容量的碱液电解槽。

凭借其两种不同的电解技术——SOEC技术和碱液电解技术（表1）——Sunfire- Hylink公司可以为任何氢应用提供最佳解决方案，并巩固其作为绿氢革命中领先电解技术供应商的地位。

炼铁用氢气

氢气的工业用途，例如用于钢铁产业生产生铁，具有需求设备固定和需求量大的特点。氢气可以在炼铁现场以单位体积基础设施成本非常低的方式生产和供应。钢厂还能够将生产的氢气与现场可用的其他气体（如蒸汽等）结合使用。

采用Midrex工艺的直接还原铁厂已经使用从重整天然气中产生的大量氢气，将氧化铁转化为直接还原铁，随着氢气变得更加容易获得且价格更加经济时，这些工厂将使用更多氢气。目前，有六套Midrex利用煤制成的氢气，其中氢与CO的比率为0.37-0.56。委内瑞拉的FMO Midrex直接还原铁厂使用蒸汽重整器制氢气，氢与CO比率为3.3-3.8，并且已经运行数十年。因此，Midrex工艺成功地利用H₂/CO生产DRI，氢气替代范围为40%至50%。

Midrex工艺具有灵活性，只需对设备进行少量改造，就可以在原料气中添加氢气取代天然气，占比可在0%-100%。如果在项目开发初期氢气充足且经济可行，则就可以简化为使用氢气还原的Midrex工艺（表2）。采用Sunfire电解装置制氢作为能源的Midrex 无化石DRI-EAF一体化钢厂布置如图1所示。

本文为部分内容，详情请参阅《世界金属导报》25期A07。