氢基直接还原铁电弧炉炼钢的能耗与碳排放多参数耦合优化研究

本研究针对中国首例焦炉煤气制氢基直接还原铁(H-DRI)电弧炉(EAF)炼钢工艺，通过建立反应平衡模型与物质能量平衡框架，量化分析了DRI比例、金属化率、碳含量及入炉温度四类操作参数对能耗(EC)和碳排放(CE)的交互影响。研究发现提升金属化率2%可减排11 kg/t，碳含量每增加1%节电25 kWh/t，为低碳转型中的工艺优化提供了关键数据支撑。

　　

在全球钢铁行业面临严峻碳减排压力的背景下，中国作为贡献55.4%全球粗钢产量的国家，其高炉-转炉(BF-BOF)工艺占比高达90%，导致吨钢碳排放较电弧炉(EAF)工艺高出2-3倍。尽管废钢-EAF被公认是低碳路径，但中国废钢资源短缺促使研究者探索氢基直接还原铁(H-DRI)这一过渡方案。特别值得注意的是，中国首创的焦炉煤气(COG)零重整制H-DRI技术，其富含55% H₂的特性既解决了天然气资源匮乏的困境，又为电弧炉提供了清洁铁源。然而，这种全球首个工业化应用的H-DRI/EAF工艺，在能耗、成本与减排效益间存在复杂权衡，亟需系统性研究。

北京科技大学（National Science Foundation of China资助项目团队）的研究人员通过构建反应平衡模型与物质-能量流耦合分析框架，首次对H-DRI/EAF工艺开展多参数交互研究。该成果发表于《Process Safety and Environmental Protection》，揭示了DRI比例、金属化率、碳含量和入炉温度四大关键参数的量化影响规律。研究采用热力学机理建模结合工业实测数据，建立了包含15种情景的评估体系，并创新性地整合了碳税政策对成本的影响分析。

【Process description】
以中国首套COG制H-DRI生产线为研究对象，系统分析了从球团制备、气基竖炉(SF)还原到EAF炼钢的全流程。研究特别关注COG中CH₄等碳氢化合物对DRI碳含量的影响，与传统纯H₂还原工艺形成对比。

【Methods and data】
通过五步研究框架：工艺描述→物质能量流建模→数据校验→多情景分析→成本评估。采用元素守恒原则建立SF反应平衡模型，并开发EAF能量平衡计算模块，引入中国区域特定的排放因子和电价参数。

【Mass flow analysis】
量化显示：DRI比例每增加10%导致能耗上升2 GJ/t、碳排放增加120 kg/t；金属化率提升2%可降低11 kg/t碳排放；碳含量增加1%带来25 kWh/t节电效益；入炉温度提高100°C使电耗降低20 kWh/t。

【Conclusions】
研究证实H-DRI/EAF虽无法达到全废钢冶炼的低碳水平，但通过优化金属化率(建议>92%)、控制碳含量(1.5-2.5%)及预热DRI(>600°C)等策略，可在过渡阶段实现吨钢减排50-80 kg。成本分析显示碳税可能使吨钢成本增加4-27美元，但工艺优化可部分抵消该影响。

该研究为全球钢铁行业低碳转型提供了重要范式，特别是为缺乏天然气资源地区开发了COG-H₂的替代路径。Botao Xue等作者强调，未来需结合区域能源结构特点，开发DRI参数动态调控系统，以平衡"碳成本-工艺能效-钢品质量"三重目标。研究团队获得的BWLCF202201等多项基金支持，也体现了产学研协同推动工业脱碳的创新模式。