钢铁与化工共生生产中的资源与能源节约：供需情况的全面评估与演变

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Resource and energy conservation in co-production of steel and chemicals: Comprehensive assessment and evolution of supply and demand

焦炉气（COG）高值利用策略及氢冶金协同路径研究，构建能量-碳-经济综合评估模型，对比COG制氢（PSA/SMR）、天然气、甲醇等转化路径，发现PSA制氢综合性能最优（得分0.83）。研究提出优化钢铁企业气网结构，优先保障高炉煤气（BFG）和林茨-多诺威茨煤气（LDG）用于炼钢，将COG转向高附加值利用，结合氢冶金发展预测模型，揭示COG供需平衡2035年前闭合，为2060碳中和目标提供最佳资源利用方案。

　　随着全球气候变化问题日益严峻，钢铁行业作为主要的碳排放源之一，正面临巨大的环境挑战和转型压力。为了实现碳中和目标，行业内的资源利用和氢冶金技术逐渐成为重要的解决方案。其中，焦炉煤气（COG）作为一种高价值的气体资源和短期至中期最具成本效益的氢源，因其战略意义和未来供需变化而受到广泛关注。然而，当前的研究大多集中在独立焦化厂内部的COG利用路径比较，缺乏从钢铁企业整体能源系统的角度进行综合评估。此外，氢冶金技术的兴起预计将显著增加氢的需求，使得COG作为过渡性氢源的战略使用变得尤为重要。

本研究构建了一个综合的能源-二氧化碳减排-经济效益评估模型，用于比较钢铁企业内部COG利用路径的竞争力。所研究的路径包括：COG发电、COG制氢（包括变压吸附法（PSA）和蒸汽甲烷重整法（MSR））、COG制天然气（包括脱碳和甲烷化方法）以及COG制甲醇（包括部分催化氧化法和氧气-蒸汽重整法）。研究结果表明，优先利用高炉煤气和LD煤气进行炼钢，同时将更多的COG用于资源转化，能够显著降低能源消耗、碳排放和成本。在所有路径中，基于PSA的COG制氢方案表现出最佳的综合性能，得分为0.83。这表明，通过PSA技术将COG转化为氢，不仅在经济上具有可行性，而且在环境效益上也优于其他路径。

此外，本研究还开发了一个预测模型，用于分析在氢冶金技术应用背景下，COG供需平衡的变化趋势。结果预测显示，COG有望在2035年前实现闭环利用。这意味着，通过优化利用路径和提升技术效率，COG不仅能够被有效回收利用，还能成为钢铁企业实现碳中和目标的重要资源。同时，研究还指出，在2060年的碳中和目标下，COG的最佳利用路径对于钢铁企业的低碳转型具有重要意义。

钢铁行业作为一个典型的流程工业，其特点在于物料流动和能量流动的耦合性。这意味着，钢铁企业的气体系统与电力系统之间形成了一个相互关联的能量链。因此，对COG进行高价值利用不仅能够改变钢铁生产中的能源结构，还能为整个生产系统的低碳转型提供支持。然而，目前的研究在这一方面存在一定的局限性。首先，多数研究仅关注独立焦化厂内部的COG利用路径，而忽视了钢铁企业整体能源系统的复杂性。钢铁企业的气体系统与电力系统之间相互影响，任何对COG利用路径的调整都可能引发系统性的变化。例如，当多余的COG被用于资源导向的利用时，不仅会影响气体系统的供需平衡，还可能通过能源网络的传递机制对整个生产系统的能源效率产生影响。因此，对COG资源利用对整个钢铁企业能源消耗、碳排放和经济效益的影响进行综合评估显得尤为重要。

其次，现有的研究缺乏对同一COG利用路径下不同技术路线的深入分析。例如，在COG制氢方面，主流方法包括PSA和MSR；在COG制天然气方面，可以采用脱碳或甲烷化方法；在COG制甲醇方面，则可以使用部分催化氧化法或氧气-蒸汽重整法。不同技术路线在能源消耗、经济成本和环境影响方面存在显著差异。因此，有必要从不同COG利用路径和不同技术路线的角度进行系统性评估，以提供科学合理的资源利用转型策略。

随着“双碳”目标的推进，氢冶金技术正迅速成为钢铁行业深度脱碳的重要路径。氢冶金技术的推广不仅能够显著降低钢铁生产中的碳排放，还能够为行业带来新的发展机遇。据预测，到2060年，氢的需求将达到约892万吨。这一趋势为COG的高价值利用提供了新的战略机遇。一方面，COG作为一种富氢资源，在短期至中期仍是最具成本效益的氢源之一；另一方面，通过建立一个闭环的“COG-氢-氢冶金”系统，钢铁企业能够实现COG的高效转化，并显著减少传统高炉工艺所带来的碳足迹。

本研究的创新点在于从钢铁企业整体能源系统的角度出发，构建了一个基于气体结构优化的综合评估模型。该模型不仅考虑了气体结构的变化，还综合评估了不同COG利用路径对能源、环境和经济的影响。研究结果显示，通过优化气体结构，COG的利用效率得到了显著提升，同时为钢铁企业的低碳转型提供了新的方向。此外，研究还指出，不同COG利用路径和生产过程对钢铁企业的整体影响仍需进一步明确。特别是在氢冶金技术的应用背景下，基于COG的氢生产作为最经济可行的氢源，需要更多的研究支持。

本研究的结论表明，随着钢铁行业向低碳发展方向迈进，气体资源的利用正在受到越来越多的关注。然而，优化气体网络以实现高价值COG利用仍然是一个值得进一步探索的领域。同时，不同COG利用路径和生产过程对钢铁企业的影响仍需进一步明确。尤其是在氢冶金技术的应用背景下，基于COG的氢生产作为最经济可行的氢源，需要更多的研究支持。

本研究不仅为钢铁企业提供了科学合理的资源利用转型策略，还为实现“双碳”目标提供了数据基础和关键建议。通过综合评估不同路径的综合性能，研究指出了最优的利用方式，这有助于钢铁企业在保证正常生产的同时，实现资源的高效利用和碳排放的显著减少。此外，预测模型的应用使得COG供需平衡的变化趋势得以可视化，为未来资源利用的规划提供了科学依据。

总体而言，本研究在以下几个方面做出了重要贡献：首先，从钢铁企业整体能源系统的角度出发，对COG资源利用进行了系统性评估，弥补了现有研究在这一方面的不足；其次，对同一COG利用路径下的不同技术路线进行了比较分析，为科学合理的资源利用提供了依据；最后，通过预测模型分析了在氢冶金技术应用背景下，COG供需平衡的变化趋势，为未来资源利用的规划提供了数据支持。这些研究结果不仅有助于钢铁企业实现低碳转型，还为整个行业的可持续发展提供了新的思路和方向。

在实际应用中，钢铁企业需要根据自身的生产流程和资源条件，选择最适合的COG利用路径。例如，对于COG制氢，PSA技术因其较高的效率和较低的环境影响，成为当前研究的热点。同时，研究还指出，COG制氢在经济可行性方面仍需进一步优化，特别是在成本控制和市场竞争力方面。因此，未来的研究应更加关注如何提升PSA技术的经济可行性，以实现更广泛的推广应用。

此外，COG制甲醇和制天然气也具有重要的应用价值。研究表明，COG制甲醇在减少全球变暖和化石资源稀缺方面表现出显著优势。相比之下，COG制天然气在环境效益方面也具有一定的竞争力，特别是在甲烷化技术的应用下，能够实现更高的天然气产量和更低的碳排放。因此，未来的研究应更加关注如何优化这些技术路线，以实现更高的资源利用效率和更低的环境影响。

在氢冶金技术的应用背景下，COG的供需平衡问题成为研究的重点。研究预测显示，随着氢需求的增加，COG的利用将更加集中于氢生产，这将对钢铁企业的能源结构产生深远影响。因此，钢铁企业需要在优化气体结构的同时，关注COG供需平衡的变化趋势，以确保资源的高效利用和低碳转型的顺利推进。

综上所述，本研究为钢铁企业提供了科学合理的资源利用转型策略，有助于实现低碳发展目标。同时，研究还指出了未来在COG利用路径和生产过程方面的研究方向，为行业的可持续发展提供了新的思路和依据。通过综合评估不同路径的综合性能，研究不仅为钢铁企业提供了最佳的利用方案，还为整个行业的低碳转型奠定了坚实的基础。