氢基流化床-电炉炼钢工艺的热力学性能与环境影响综合解析

为应对钢铁行业高碳排放难题，研究人员提出氢基流化床-电炉（HFBE）集成工艺，通过热力学与生命周期评价（LCA）分析表明：废钢比例提升至70%时，系统能效达31.82%，火用效率提升至60.62%，CO2 排放仅0.05 t/FU，较传统工艺降低58.3%，为钢铁工业低碳转型提供关键技术路径。

　　

钢铁工业作为全球碳减排的"硬骨头"，贡献了中国15%的碳排放量。传统高炉-转炉（BF-BOF）工艺因依赖冶金焦炭面临能效瓶颈，而氢能因其高能量密度和零碳特性成为理想替代。然而，现有氢基竖炉-电炉（HSE）工艺仍存在烧结能耗高、系统集成评价不足等问题。为此，中国国家自然科学基金支持的研究团队创新性提出氢基流化床-电炉（HFBE）全流程工艺，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用能量-火用联合分析法（结合热力学第一定律与过程不可逆性评估）和生命周期评价（LCA）技术，构建包含氢制备、热回收、流化床还原（FB）、电炉炼钢（EAF）五模块的系统模型。关键参数设定包括：稳态假设、理想气体状态方程，以及流化床反应温度923K基准条件。

能量与火用流分析
当废钢/DRI比例为70%/30%时，系统电能消耗主要集中于电解制氢环节（4537.16 MJ）。流化床温度实验显示，923-1073K区间内效率波动小于1%，证实温度敏感性低。废钢比例从0%增至70%，火用损从10346.55 MJ骤降至4195.66 MJ，揭示废钢利用对系统优化的杠杆效应。

环境效益量化
案例4条件下（1吨粗钢），HFBE能耗仅7.23 GJ/FU，较BF-BOF、HESE（氢基竖炉-电炉）、HSE分别降低64.4%、38.8%、46.1%。情景3（仅计直接排放）中CO₂
排放低至0.05 t/FU，环境影响指数2.82E-12，较HSE工艺降幅达70.5%。

结论与展望
该研究首次证实流化床工艺可突破传统竖炉的原料粒径限制（<5mm矿粉直接利用），免除烧结工序。动态调节废钢比例可实现能效31.82%至14.23%的弹性控制，为电网-氢能-钢铁多系统协同提供可能。Wenlei Zhou等指出，未来结合可再生能源电解制氢，HFBE工艺有望实现近零排放，其火用效率（60.62%）较传统工艺提升53%，标志着钢铁工业从"碳冶金"向"氢冶金"转型的关键突破。