氢能驱动绿色炼铁新路径：技术模拟与全生命周期评估揭示减排潜力与能源挑战

《Journal of Cleaner Production》：Technical and environmental assessment of new green iron production strategies using hydrogen

为评估氢基直接还原铁（H2-DRI）的脱碳潜力，本研究耦合过程模拟与生命周期评估（LCA），对比电加热与太阳能加热两种绿色策略。结果表明，采用法国电网时碳足迹降低53–57%，若使用低碳电力减排可达82%，凸显氢生产环节对实现绿色钢铁的关键影响。

　　

钢铁行业是全球碳排放的“大户”，贡献了约7%的温室气体排放。传统的长流程高炉-转炉（BF-BOF）工艺碳排放强度高达1.6–2.2 t_CO2-eq/t_steel，而即便采用碳捕获与封存（CCS）技术改造，其减排潜力仍难以满足2050年净零排放目标。当前，以天然气为基础的直接还原铁（NG-DRI）技术虽已成熟，但其依赖化石燃料的本质限制了深度脱碳空间。因此，转向以绿氢（green hydrogen）为还原剂的全新工艺路线，成为钢铁工业绿色转型的重要突破口。

在此背景下，由A. Skaf、L. Tiruta-Barna和A. Ahmadi组成的研究团队在《Journal of Cleaner Production》上发表了一项研究，系统评估了两种氢基直接还原铁（H₂-DRI）生产策略的技术可行性与环境影响。他们通过耦合过程模拟与全生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA），对比了电加热与太阳能加热两种可再生能源驱动方案，并以常规天然气基MIDREX NG工艺作为基准，揭示了氢基炼铁路径的减排潜力与能源系统需求。

为开展本研究，作者团队开发了涵盖整个氢基铁生产链条的动态流程模型，包括利用Python构建的竖炉反应器多尺度模型（描述逆流气固移动床中多层铁矿石球团的还原动力学），以及采用ProSim软件模拟气体循环、热回收和电解制氢过程。两种加热策略分别为：电加热气体（H₂ DRI ELECTRIC）和太阳能直接加热反应器（H₂ DRI SOLAR）。生命周期清单数据来源于Ecoinvent 3.9数据库，评估方法采用ReCiPe中点模型，系统边界为“从摇篮到大门”（cradle-to-gate），功能单位定义为1 kg直接还原铁（DRI）。研究还考虑了铁矿石球团从加拿大至法国（5000公里）的海运过程。

研究结果主要从技术性能与环境影响两方面展开：

一、 技术性能与过程设计

通过反应器模拟发现，还原过程的完成度高度依赖入口气体温度。当温度低于700°C时，需要显著增加反应器高度以确保充分还原。在电加热场景（H₂ DRI ELECTRIC）中，设定入口气体温度为700°C，反应器高度仅需约2米即可实现完全转化，对应能耗为45 MW。电解制氢是最大的能耗单元，占总电力消耗的87%。在太阳能加热场景（H₂ DRI SOLAR）中，反应器底部1-2米处设置聚光太阳能加热区，需要吸收45 MW的热功率才能实现完全还原。考虑到太阳能场的全局效率（67%），实际所需的入射太阳能功率为67 MW。与电加热相比，太阳能加热虽降低了电力消耗，但因其间歇性和对土地资源的需求，其技术复杂性更高。

二、 环境影响评估

生命周期评估结果显示，以法国电网电力为基准，H₂ DRI ELECTRIC和H₂ DRI SOLAR的碳足迹分别为0.49 kg_CO2-eq/kg_DRI和0.46 kg_CO2-eq/kg_DRI，较MIDREX NG工艺（1.01 kg_CO2-eq/kg_DRI）降低了53%和57%。若采用水电或核电等低碳电力，减排幅度可进一步提升至82%（0.16 kg_CO2-eq/kg_DRI）。然而，研究也指出，在电网碳强度较高的地区（如依赖煤电的印度或依赖天然气的伊朗），氢基路线的碳足迹反而可能高于传统天然气工艺，凸显了电网清洁化对氢经济的关键意义。此外，铁矿石球团生产是所有场景下的主要排放源之一，贡献约0.23 kg_CO2-eq/kg_DRI，而电解副产氧气的回收利用可有效降低过程总排放。

研究结论表明，氢基直接还原铁技术具有显著的 decarbonization potential（脱碳潜力），是实现钢铁工业绿色转型的重要路径。电加热策略（H_{2 DRI ELECTRIC）在技术成熟度、操作可靠性和与现有基础设施兼容性方面更具优势，尤其适用于拥有低碳电力的地区。太阳能加热策略（H2 DRI SOLAR）虽进一步降低了电力需求，但受限于太阳能的间歇性、能量密度低及土地占用大等问题，短期内大规模应用面临挑战。未来研究需重点关注热存储系统、混合加热方案以及氢生产-储存-利用全链条的协同优化。该研究为决策者选择最低碳、最高效的钢铁生产技术提供了科学依据，强调了系统思维和跨学科方法在工业脱碳中的核心作用。}