通过氢气富集与碳捕集实现现有煤基炼铁厂的脱碳：200万吨/年的FINEX工艺技术经济案例研究

《Journal of Cleaner Production》：Decarbonization of brownfield coal-based ironmaking via hydrogen enrichment and carbon capture: A techno-economic case study of the 2.0 Mtpy FINEX process

　　•首次针对2.0百万吨/年的现有炼铁厂开展的多策略技术经济研究。•所使用的Pyomo模型采用了线性FeO还原动力学模型，其计算结果与阿伦尼乌斯模型的差异在3%以内。•CO转移集成技术能够在各种税收水平下降低二氧化碳排放量并节省成本。•灰氢虽然能最大程度减少煤炭使用，但会增加生产成本。•深冷二氧化碳捕集技术在二氧化碳价格约为20美元/吨时即可实现盈亏平衡，且这一数值与工厂规模无关。

引言
钢铁工业是全球经济中碳排放最高的行业之一，约占人类每年产生的二氧化碳排放量的7%至9%（国际能源署，2020年）。作为最大的工业排放源，该行业面临着越来越大的压力，必须采取符合《巴黎协定》1.5摄氏度气候目标的清洁生产策略（政府间气候变化专门委员会，2022年）。定量分析表明，要实现这一目标，到2030年钢铁相关排放量需减少50%，到2050年则需降至接近零的水平，这要求对现有的生产基础设施进行根本性的改造。

韩国便是这一工业脱碳挑战的典型代表。2018年，韩国工业部门占全国总二氧化碳排放量的37.2%，其中仅钢铁行业就贡献了约9670万吨的排放量，相当于全国总排放量的13.1%（Kang和Yoo，2024年）。为此，韩国大幅提高了其2030年的国家自主贡献目标，从最初的26.3%提升到了比2018年基准排放量低40%的更高目标，这就要求钢铁行业加快向清洁生产方式转型。

钢铁生产的二氧化碳强度与其主要的生产流程密切相关。高炉-转炉工艺约占全球钢铁产量的70%，同时也产生了该行业约74%的碳排放量（Shahabuddin等人，2023年）。通过高炉-转炉工艺生产一吨钢铁大约会产生1.8至2.2吨的二氧化碳，具体数值取决于技术效率及地区运营条件。从排放源来看，高炉占总排放量的52%至55%，烧结厂占19%至21%，转炉占9.1%至9.5%，焦化厂占3.0%至4.8%，轧钢厂占9.1%至9.5%（Kim和Kim，2021年）。这一分布情况凸显出将上游炼铁工艺作为脱碳核心手段的重要性。

从长远来看，基于氢气的直接还原技术被广泛认为是实现钢铁生产碳中和的最有希望的途径（Lee等人，2025年；Y. Lee等人，2025年；H. Lee等人，2025年）。Vogl等人（2018年）证明，如果使用可再生能源电力为电弧炉钢铁生产提供动力，结合氢气直接还原技术，可使得二氧化碳排放量比高炉-转炉工艺降低96%。Boretti（2023年）将氢气直接还原技术视为高炉炼铁的低碳替代方案，指出其与基于甲烷的直接还原技术相比，可直接减少91%的二氧化碳排放量。Bhaskar等人对挪威一家基于氢气的绿色钢铁厂进行了全面的技术经济评估，确认可以实现近乎零的直接二氧化碳排放，同时指出可再生能源电力成本是主要的经济障碍，每吨钢铁的平准化生产成本在622美元至722美元之间（Bhaskar等人，2022年）。国际能源署的钢铁技术路线图也预测，随着绿色氢气生产成本的下降以及工业化应用的成熟，基于氢气的炼铁技术将会具备经济竞争力（国际能源署，2020年）。这些研究共同证明了氢气直接还原技术是钢铁行业长期脱碳的目标。

然而，氢气直接还原技术的大规模商业化应用仍受到基础设施和经济障碍的制约。为满足钢铁生产需求而进行的绿色氢气生产，需要在可再生能源发电能力和电解设施方面投入巨额资金，而在当前市场条件下，绿色氢气的平准化成本仍然过高（Min，2016年）。因此，在短期内直接过渡到绿色氢气直接还原技术，在工业规模上尚不具备技术上或经济上的可行性，这就促使人们积极研究能够在现有生产基础设施范围内逐步减少二氧化碳排放的过渡性脱碳策略（Shahabuddin等人，2023年）。

对于目前最主流的高炉炼铁工艺，通过风口和炉身注入氢气来富集氢气，作为一种过渡策略已得到了最广泛的研究。Li等人（2026年）使用三维稳态双流体模型，对一台400立方米高炉中的风口氢气注入技术进行了研究，找到了在保持稳定运行的同时最小化焦炭消耗的最佳注入条件。Yu等人（2021年）则对炉身氢气注入技术进行了数值模拟，发现每吨热金属可节省多达28公斤的化石燃料。定量建模研究还表明，在可行的注入速率下，风口氢气注入可使焦炭替代比为3至4公斤焦炭/公斤氢气，同时可将直接二氧化碳排放量降低10.2%至17.8%（Shatokha，2022年）。而在基于工业运行数据验证的高炉数学模型中则显示，在焦炉气、天然气和纯氢气这三种气体中，只有焦炉气和纯氢气注入才能在减少焦炭消耗的同时显著降低二氧化碳排放，而且加强氢气富集还能促进水煤气变换反应，并改变顶部气体的利用方式（Mauret等人，2023年）。通过对氢气和煤粉共同注入的情况进行三维计算流体力学分析，发现当氢气在相同氧气富集度下部分替代煤粉时，二氧化碳排放量可降低16.6%（Liu等人，2025年）。对包括蒂森克虏伯钢铁公司（2019年）、塔塔钢铁贾姆谢德布尔厂（2023年）以及克利夫兰-克利夫斯钢铁厂（2024年）在内的多项工业试验，以及相关建模研究的综合分析表明，各项研究结果之间存在较大差异，而且至今仍缺乏具有代表性的大规模实验验证（Shatokha，2024年）。除了传统的小型核反应堆产生的氢气之外，Kim等人（2026年）还发现，通过天然气热解产生的蓝绿氢气，若用于高炉炼铁，可实现净负二氧化碳排放，而且由于固体碳可作为有市场价值的副产品出售，其单位生产成本还具有经济优势——这表明过渡性氢气策略的经济可行性在很大程度上取决于氢气供应方式以及当前的碳价水平。

从钢铁生产废气中捕获二氧化碳则是另一种可行的短期脱碳途径。研究表明，将变压吸附技术应用于高炉-转炉工艺的废气处理中，不仅可以生产出适合用于直接还原工艺的还原气体，还能以具有竞争力的分离成本获得富含二氧化碳的提取物流（Do等人，2025年）。在氧气顶吹炉系统中，将基于膜电极的吸收技术与顶部气体回收技术相结合，也被认为是一种能够大幅降低净二氧化碳排放量的可行方案（Irfan等人，2025年；Perpi?án等人，2023年）。而通过过程模拟和生命周期评估则发现，二氧化碳捕获效果在很大程度上取决于进料气体中的二氧化碳浓度、所选技术以及电网的碳强度（Jeswani等人，2025年）。不过，基于高炉的二氧化碳捕集技术存在一个关键缺陷，那就是二氧化碳会分散在多股浓度较低的废气流中，这就需要较高的分离能耗，从而在碳价处于中等水平时限制了该技术的经济可行性。

尽管针对高炉炼铁工艺的氢气富集和二氧化碳捕集技术已经有了大量研究，但对于在全球热金属生产中占据重要地位的煤炭基熔融还原工艺，相关研究却相对较少（Shahabuddin等人，2023年）。对于与FINEX工艺最为相似的商业熔融还原技术——COREX工艺，现有的研究大多只是针对各个子系统进行探讨，而非从整个系统层面进行技术经济分析。Zhou等人（2022年）使用三维计算流体力学模型，发现向COREX熔融气化炉的穹顶区域注入煤粉，可降低生成气体中的二氧化碳含量7.8%，同时提高氢气含量7.4%。而Hu等人（2024年）通过数学优化证明，通过在穹顶区域进行注入，可使气体中的CO和H2总量从76.4%上升至81.7%，同时还能将直接还原过程中的碳消耗量降低30.7%。在系统层面，Yao等人（2021年）对COREX工艺的三种顶部气体回收方案进行了建模，得出结论：在回收气体之前先去除二氧化碳，才是实现显著降低燃料消耗率的关键。Liu等人（2023年）则发现，将经过二氧化碳去除处理的COREX工艺出口气体注入氧气顶吹炉中，可在最佳注入条件下实现最低的焦炭消耗率，同时还能允许更高的煤粉注入速率。这些研究都表明，熔融还原工艺的废气流具有天然的氢气富集和二氧化碳浓缩潜力，但目前还没有任何研究在统一的碳价框架下，对多种策略进行综合的技术经济评估。

表1对比了本研究与其他具有代表性的熔融还原工艺及现有高炉脱碳研究在脱碳策略、是否采用明确的碳价框架，以及评估对象是否为正在运行的商业设施等方面的差异。最后一列的标准是判断所评估的脱碳策略是否已经在或计划在未来在某座正在运行的商业设施中得到应用。其中一些参考研究是基于商业工厂的实际数据建立模型的——例如，关于COREX工艺的研究就是基于COREX-3000工业装置的数据进行的（Zhou等人，2022年；Hu等人，2024年；Yao等人，2021年），Jeong等人（2023年）对FINEX工艺废气的研究也是基于实际商业FINEX工厂的废气条件进行的——但这些研究都没有将所评估的策略应用于实际工厂，或者没有计划在现有工厂中实施该策略。而对于本研究来说，这一列表明计划在其所建模的2.0百万吨/年的FINEX工厂中应用灰氢富集技术。

specifically针对FINEX工艺，此前的脱碳研究范围较为有限：Thaler等人（2012年）研究了将FINEX工艺与高炉工艺相结合以生产低碳热金属的方案，Jeong等人（2023年）则开发并评估了FINEX工艺废气的捕获与利用方法，但这些研究既没有纳入碳价框架，也没有对不同氢气富集和捕获策略在实际工厂中的应用效果进行比较。

对于FINEX工艺而言，这一差距尤为重要，因为该工艺具有高炉工艺所没有的结构优势：其基于压力吸附技术的集成气体回收系统，能够将流化床反应器废气中的二氧化碳集中到压力吸附系统的尾气中，这部分尾气既可以作为后续二氧化碳捕获的原料，又可以作为还原气体氢气富集的理想载体。这两种功能相结合，形成了一个协同的脱碳平台——既能实现二氧化碳捕获，又能富集氢气——而这种平台在传统的高炉工艺中是不存在的，因此需要专门的工艺建模框架来进行严谨的分析。

本研究通过扩展之前已验证过的基于Pyomo的FINEX工艺模拟模型来填补这一空白。该模拟模型是使用Pyomo编程语言开发的（Hart等人，2017年；Lee等人，2021年），Pyomo是一种基于方程式的优化框架，适用于大规模工艺工程、能源系统以及工业优化问题。本研究从三个方面对该模型进行了扩展，这也是本研究的主要创新点。首先，根据代表反应器1运行条件的氢气富集环境下的热重实验数据，为流化床反应器单元开发了一种新的铁矿石还原动力学模型，并将该模型与基于阿伦尼乌斯公式的非线性模型进行了对比验证，从而扩展了该工艺模型的预测范围，使其能够涵盖现有工厂正常运行范围之外的情况。其次，在统一的二氧化碳征税框架下，系统地评估了三种作为清洁生产路径的脱碳策略，即通过蒸汽甲烷重整技术提供外部合成气（该策略是根据FINEX流化床反应器的特性进行优化的），通过蒸汽甲烷重整技术提供外部灰氢（同样是根据FINEX流化床反应器的特性进行优化的），以及在现有的废气回收系统中集成内部CO转移反应器——这是一种无需外部化石燃料输入的策略，且与现有工厂的架构极为兼容。第三，将深冷二氧化碳液化技术作为一种模块化的二氧化碳捕集方案进行了数值评估，充分利用了FINEX工艺体系中本身就存在的富含二氧化碳的压力吸附系统尾气流，同时分析了该技术的二氧化碳减排效果、对电力价格的敏感性，以及在不同碳价水平下的盈亏平衡点，为在碳价机制下该技术的应用提供了依据。

部分内容摘录

工艺模拟框架
本研究中所开发的FINEX工艺模拟框架，是在经过严格验证的基准模型基础上构建的。为了避免重复，关于基本工艺配置的详细描述（Yi等人，2019年；Choi等人，2024年）、完整的数学建模框架以及原材料规格等内容，都已在我们之前的研究中详细阐述过（Choi等人，2025年），相关内容详见补充信息部分。

本研究的方法重点则在于……

结果与讨论
POSCO浦项制铁厂2.0百万吨/年的FINEX工厂的基准配置如图6所示，它包括流化床反应器单元、熔融气化炉单元以及集成的气体回收系统。那些不确定的模型参数——包括除铁还原反应之外的其他反应动力学，以及热传递和质量传递系数——都经过了估算，并通过先前研究中的工厂数据进行了验证（Choi等人，2025年）。这样一来，就得到了一个可用于预测的工艺模型，该模型为后续计算提供了基础。

结论：本研究利用基于Pyomo的工艺模拟模型，对POSCO浦项制铁厂那家已投入运行的老厂——年产能200万吨的FINEX煤基炼铁还原厂——的氢气富集与碳捕获策略进行了经过验证的技术经济评估。虽然大多数脱碳研究都着眼于在新建工厂中采用氢气直接还原技术，但本研究则致力于解决如何在不关闭工厂或改变现有工艺流程的情况下减少现有煤基炼铁过程中的二氧化碳排放这一尚未得到充分研究的难题。

CRediT作者贡献说明：
Shikyung Yoon：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、概念设计。
Jae Hwan Choi：撰写——初稿、软件使用、数据整理。
Sunyoung Kim：数据整理、概念设计。
Myung Kyun Shin：数据整理。
Jong Min Lee：项目管理、资金筹措。

利益冲突声明：作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Shikyung Yoon、Sunyoung Kim和Myung Kyun Shin均为POSCO的员工，他们获得了开展这项工作的资金支持。其他作者则声明没有利益冲突。

致谢：本研究得到了POSCO（浦项钢铁有限公司）的财政资助。

Shikyung Yoon|Jae Hwan Choi|Sunyoung Kim|Myung Kyun Shin|Jong Min Lee