来自残余气体的氢气在钢铁脱碳中的应用：一项技术-经济-环境综合分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Residue gas-derived hydrogen for decarbonizing steelmaking: A techno-economic-environmental analysis of a bridging pathway

钢铁行业通过残留气体制氢和氢能直接还原技术实现低碳转型，研究提出九种工艺配置并评估其经济性和减排效果，发现COG和联合供料工艺更高效，可有效缓解近零碳氢需求压力。

　　

钟惠元（Hegwon Chung）| 陶雁铎（Thai Ngan Do）| 金智勇（Jiyong Kim）

韩国成均馆大学化学工程学院，水原 16419

摘要

钢铁行业的脱碳越来越依赖于从传统的高炉-基本氧气炉（BF–BOF）工艺转向基于氢的直接还原工艺，并结合电弧炉（DR–EAF）来减少碳排放。然而，大规模部署仍受到绿色氢气（GH₂）成本高昂和供应有限的限制。本研究探讨了一种基于高炉-基本氧气炉操作产生的残余气体的替代氢气供应途径，包括焦炉煤气（COG）、林茨-多纳维茨煤气（LDG）和高炉煤气（BFG）。设计了一种采用蒸汽和CO₂联合重整（CSCR）的氢气生产过程，并通过综合的技术经济环境分析评估了其技术性能、经济可行性和减排潜力。通过评估单进料和共进料策略的多种工艺配置，确定了最佳操作条件和高效的残余气体制氢途径。结果表明，CSCR产生的氢气可以显著降低氢气生产成本和短期GH₂需求，从而在向低碳钢铁生产过渡期间实现氢气的灵活应用。尽管基于GH₂的DR–EAF技术在2030年至2050年间日益严格的碳排放法规下对于实现最终减排目标不可或缺，但各国对CSCR产生的氢气的整合可以缓解短期GH₂需求，促进更渐进且经济可行的过渡。总体而言，残余气体的增值利用被认为是支持钢铁行业大规模脱碳的关键系统级方法。

引言

2023年，全球粗钢产量约为18.9亿吨，而钢铁行业的二氧化碳排放量估计为每年约36亿吨[1]。由于钢铁行业约占全球二氧化碳总排放量的7-9%[2]，其脱碳对于可持续工业发展和有效应对气候变化至关重要。在现有的钢铁生产路线中，传统的高炉-基本氧气炉（BF–BOF）工艺本身能耗高且碳排放量大，每生产一吨粗钢会产生2.32吨二氧化碳[3]。因此，开发能够大幅减少碳排放的替代钢铁生产路线已成为学术研究和工业创新的重点。基于电弧炉（EAF）的钢铁生产被广泛认为是BF–BOF工艺的低碳替代方案。然而，目前EAF主要用于利用废钢进行二次钢铁生产[4]。尽管预计废钢的可用性将逐渐增加[5]，且基于废钢的EAF技术已经成熟[6]，但其应用主要影响二次钢铁生产领域的排放。因此，其在实现深度行业脱碳方面的贡献受到废钢可用性的限制，并未直接解决一次钢铁生产的排放问题。从这个角度来看，钢铁行业的长期可持续性与一次钢铁生产的减排密切相关，这激发了针对能够减少BF–BOF工艺相关碳排放的替代生产路线的广泛研究[7]。熔炼还原技术被提出作为传统BF–BOF钢铁生产的潜在替代方案，因为这些技术可以直接利用煤炭和细铁矿，无需进行烧结和球团化[8]。COREX、FINEX、HIsmelt和HIsarna等技术已处于不同的商业化阶段；然而，它们实现有意义二氧化碳减排的能力通常取决于碳捕获与存储（CCS）系统的整合[9]。因此，熔炼还原路线的脱碳潜力与CCS的技术成熟度、经济可行性和大规模应用密切相关。另一种减少现有BF–BOF操作排放的方法是将氢气注入高炉。先前的研究表明，从能效角度来看，使用合成气作为还原剂时，约30%的氢气浓度是最优的[10]。超过这一阈值后，增加氢气输入会改变铁矿石还原的热力学平衡和反应路径，从而可能对高炉操作和整体效率产生负面影响[11]。这些发现表明，氢气注入可以在传统BF–BOF系统中实现增量减排，但在实现接近零碳排放的钢铁生产方面存在固有限制。

在新兴的替代方案中，基于氢的直接还原（H2-DR）技术因使用氢气直接还原铁矿石而受到广泛关注，被视为替代BF–BOF工艺的潜在方案[12]。由于其根本不同的还原机制和与低碳氢气供应的兼容性，H2-DR被广泛研究为实现一次钢铁生产大幅脱碳的关键途径[13]。多项研究从技术经济和系统整合的角度评估了H2-DR的可行性。Wang等人重点评估了H2-DR的可行性，特别是GH₂生产和工艺适应性，认为GH₂的成本是大规模商业化的主要障碍[14]。这一结果强调了钢铁脱碳途径与低成本、低碳氢气供应链发展之间的紧密相互依赖性。Immonen等人提出了一种结合固体氧化物电解（SOE）、质子交换膜（PEM）和碱性电解槽（AEL）的H2-DR系统，并进行了全面的技术经济分析[15]。他们的结果表明，基于SOE的配置结合高温蒸汽利用和氢气回收，可以实现比传统天然气基DR–EAF路线更低的能耗，同时将碳排放量降低到每吨液态钢约1.20吨二氧化碳。使用概率方法也研究了与H2-DR相关的经济不确定性[16]。Lee等人通过蒙特卡洛模拟分析了关键不确定参数，包括资本支出、氢气价格和氢气生产的排放强度[16]。结果表明，氢气价格是影响整体可行性的主要因素，反映了在一次钢铁生产中实现显著减排所需的大量氢气需求。与其他新兴脱碳选项（如废物气化[17]、基于煤炭的直接还原[18]和基于焦炉煤气的直接还原系统[19]相比，H2-DR目前面临高资本成本和大量能源需求的挑战。尽管如此，由于其结合低碳氢气时具有显著的二氧化碳减排潜力，H2-DR仍持续吸引着研究兴趣[20]。

除了氢气生产之外，氢气的储存和运输也成为H2-DR系统部署的关键考虑因素。由于可再生能源资源和GH₂生产的地理限制，能源运输成本往往显著影响最终的氢气价格[21]。Weiss等人对风能与H2-DR系统的整合进行了优化研究，表明直接还原竖炉的操作灵活性显著影响氢气储存需求和总体生产成本[22]。他们的结果表明，适当的储存策略和系统级优化可以在保持操作灵活性的同时减少氢气储存需求。Trinca等人研究了氨作为氢气载体，认识到氢气生产和钢铁生产需求之间的时间和空间不匹配[23]。他们的分析表明，对于超过5000公里的运输距离，基于氨的氢气运输具有优势，特别是在部分直接利用氨进行铁还原时可以减少能源密集型裂解过程的需求。先前的研究表明，在从传统BF–BOF钢铁生产向基于GH₂的DR–EAF工艺过渡期间，GH₂的生产、储存和运输仍存在重大挑战。虽然GH₂被广泛认为是长期实现钢铁行业近乎完全脱碳的关键推动因素，但在低成本、具有竞争力的GH₂广泛可用之前，还需要额外的中间解决方案来支持连续且经济可行的工业过渡。

本研究探讨了从钢铁生产残余气体（即焦炉煤气（COG）、林茨-多纳维茨煤气（LDG）和高炉煤气（BFG）生产氢气的潜力，作为中间脱碳途径。开发了九种工艺配置，以适应单进料和共进料策略，并对其技术经济可行性和环境性能进行了系统评估。所提出的工艺通过结合蒸汽和CO₂联合重整（CSCR）促进CO₂的利用，而从合成气中分离出的CO使得残余气体既可用作热源，也可用作含碳中间体，从而有助于减少CO₂排放。此外，还将基于残余气体的氢气生产与来自生物质和可再生能源的氢气进行了经济和环境性能比较，以评估其相对的商业竞争力。此外，还进行了基于情景的优化分析，以评估在未来气候政策约束下残余气体制氢（rG2H2）技术的潜在作用。基于2030年开始的各国自主贡献（NDCs），通过比较2030年至2050年间有无rG2H2部署的各种一次钢铁生产技术转型，分析了残余气体利用的系统级影响。通过这项分析，本研究旨在明确rG2H2技术在支持钢铁行业向低碳一次钢铁生产过渡过程中的战略作用。

问题概述

一次钢铁生产的脱碳受到低碳氢气供应有限、成本高昂和分布不均的制约。尽管基于氢的直接还原结合电弧炉被广泛认为是长期的关键解决方案，但在2030–2040年之前的大规模部署受到不成熟的氢气供应链、储存和运输基础设施需求以及经济不确定性的阻碍，从而造成了近期减排与长期目标之间的差距。

工艺合成与建模

本研究开发了九种rG2H2途径，如图2所示为单进料配置，图3所示为共进料策略。单进料途径包括三种基于COG的配置，以及分别基于LDG和BFG的各一种配置。基于COG的途径旨在探索替代的氢气生产方法，包括：（1）优先利用CO进行内部热生成；（2）通过WGS最大化氢气产量的配置

技术经济环境分析

从工艺建模中获得的主要质量和能量平衡在表4中总结，为每天生产10吨氢气的rG2H2途径的能效、经济性能和环境影响的比较评估提供了定量基础。

图4比较了九种rG2H2途径的能效，基于较低的发热值，同时考虑了氢气和CO产品。

主要钢铁生产国家的碳中和情景

截至2023年，中国（CN）、印度（IN）、日本（JP）、美国（US）、俄罗斯（RU）、韩国（KR）、德国（DE）、土耳其（TR）、巴西（BR）、意大利（IT）和墨西哥（MX）这十个国家合计占全球粗钢产量的约85%[2]。全球钢铁生产仍以高炉-基本氧气炉（BF–BOF）工艺为主，占总产量的71.1%，而电弧炉（EAF）技术占剩余的28.6%。

结论

本研究证明了使用钢铁生产残余气体（单进料和共进料）的rG2H2途径作为一次钢铁生产脱碳的过渡途径的可行性。通过综合工艺模拟、技术经济分析、环境评估和系统级转型建模，开发并评估了rG2H2途径。在工艺层面，基于COG的途径和共进料途径表现出更高的能效和更低的氢气生产成本

CRediT作者贡献声明

钟惠元（Hegwon Chung）：撰写——初稿、可视化、验证、概念化。陶雁铎（Thai Ngan Do）：撰写——初稿、可视化、验证、方法论。金智勇（Jiyong Kim）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国能源技术评估与规划院（KETEP）和韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）的支持（项目编号：20224C10300040），并得到了韩国政府资助的韩国能源技术评估与规划院（KETEP）的财政支持（项目编号：20214000000500，用于绿色增长的CCUS培训计划）。