中國鋼鐵行業(yè)年CO?排放量大，為碳排放量最高的非電行業(yè)，急需對CO?進(jìn)行大幅度減排。雖然傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝經(jīng)過多年的發(fā)展，工藝已經(jīng)日益完善和成熟，但它不僅帶來大量的CO?排放，且受制于焦炭資源。與依賴焦炭的高爐煉鐵工藝相比，使用氫氣的直接還原煉鐵工藝可大量減少CO?的排放。因此，采用氫氣作為鋼鐵冶煉過程中的直接還原劑，有助于鋼鐵工業(yè)的碳減排。但目前主要的制氫方法為化石燃料制氫，其中48%來自天然氣，30%來自石油，18%來自煤，其余的4%來自電解水制氫。傳統(tǒng)的制氫過程中亦包含大量CO?的排放，需要開發(fā)清潔綠色的制氫方法。在可以用于制氫的清潔能源中，核能的發(fā)展相對成熟；其中高溫氣冷堆因其具有固有安全性和反應(yīng)堆出口溫度高的特點(diǎn)，在環(huán)境和能源領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。高溫氣冷堆不僅可以用于發(fā)電，還可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫。因此，采用高溫氣冷堆制氫耦合煉鋼系統(tǒng)，可以大幅減少CO?排放，實(shí)現(xiàn)綠色煉鋼。

本文建立了“高溫氣冷堆-制氫-煉鋼”耦合系統(tǒng)，包括５個(gè)子模塊：反應(yīng)堆模塊、反應(yīng)堆中間回路模塊、制氫模塊、發(fā)電模塊和煉鋼模塊。研究基于物質(zhì)平衡計(jì)算、能量平衡計(jì)算對系統(tǒng)進(jìn)行分析，并探究發(fā)電模塊功率占比、制氫循環(huán)效率和電弧爐中直接還原鐵的占比等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)能的影響。進(jìn)一步基于產(chǎn)能分析與優(yōu)化，確定系統(tǒng)CO?排放量。

本文提出了高溫氣冷堆制氫耦合煉鋼系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)方案，開展多系統(tǒng)能源研究。其中，高溫氣冷堆為制氫模塊和發(fā)電模塊提供熱量，制氫模塊產(chǎn)生的氫氣作為還原劑和燃料送入豎爐煉鐵，制氫模塊產(chǎn)生的氧氣和發(fā)電模塊產(chǎn)生的電能輸入電弧爐煉鋼。對于有2個(gè)模塊高溫氣冷堆提供熱量的煉鋼系統(tǒng)（熱功率2×250 MW），在發(fā)電模塊與制氫模塊功率比為1:1、電弧爐直接還原鐵占比為90%的情況下，生產(chǎn)1噸鋼需要1.35噸鐵礦石。同時(shí)，系統(tǒng)可向電網(wǎng)輸送63.0 MW（1380.6 kWh）的電能，產(chǎn)鋼率為45.6 t/h。參數(shù)分析表明，提高制氫效率可顯著提高產(chǎn)鋼率，但同時(shí)制氫模塊的耗電量增加，這降低了對電網(wǎng)的輸出電功率。本文提出的高溫氣冷堆煉鋼系統(tǒng)的CO?排放量非常低。在電弧爐內(nèi)直接還原鐵占比為90%時(shí)，生產(chǎn)1噸鋼，僅排放17.2 Nm3 (33.8 kg)的CO?。因此，將高溫氣冷堆與煉鋼系統(tǒng)耦合，能很大程度地減少煉鋼行業(yè)的CO?排放，而且消除了對焦炭的依賴，具有很好的應(yīng)用潛力。

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