前言
全球鋼鐵行業(yè)CO2排放量約占全球CO2總排放量的7%。此外，鋼鐵行業(yè)已被確定為“難以脫碳的產(chǎn)業(yè)”。目前雖然還沒有一種技術(shù)可以作為整體解決方案，但氫將在脫碳過程中發(fā)揮關鍵作用。
面對這些嚴峻的挑戰(zhàn)，鋼鐵行業(yè)正在尋找快速脫碳的途徑。如今，鋼鐵生產(chǎn)主要有兩條工藝路線：一種是電弧爐（EAF）煉鋼路線；第二種工藝路線是聯(lián)合煉鋼，即高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）。電弧爐煉鋼路線產(chǎn)生的噸鋼CO2排放量較低，所以一些聯(lián)合鋼鐵生產(chǎn)商轉(zhuǎn)向采用電弧爐生產(chǎn)。這種轉(zhuǎn)變將很快遭遇收益遞減法則。廢鋼和清潔電力都將供不應求。此外，即使DRI被納入原材料組合，它也將面臨供應問題和成本上升。因此，盡管以高爐為基礎的煉鋼將在一定程度上被以DRI為基礎的煉鋼所取代，但在可預見的未來，聯(lián)合煉鋼路線仍將是主要的煉鋼方式。高爐面臨的主要挑戰(zhàn)是其在總體CO2排放中的占比。
企業(yè)愿意繼續(xù)使用高爐生產(chǎn)是基于它是世界上低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)鐵的方法。但是，高爐的CO2排放必須大幅減少。減少高爐CO2排放的一個辦法是用清潔氫部分替代冶金焦炭或其他碳基還原劑。
目前，在北美最常見的大規(guī)模制氫方法是蒸汽甲烷重整（SMR），這種方法的碳足跡很大。傳統(tǒng)的電解解決方案雖然是由可再生能源驅(qū)動的清潔方案，但由于大量的電力需求而受到挑戰(zhàn)。一個聯(lián)合鋼鐵廠的典型電解項目需要24/7全天候供電，可再生能源需求可能超過1GW。本文將回顧目前鋼鐵企業(yè)可用的選擇，并介紹一種名為H2GenTM的新技術(shù)，該技術(shù)有望提供由高爐煤氣（或轉(zhuǎn)爐煤氣）產(chǎn)生的低成本氫氣，同時將CO2捕集到一個富集流中，為低成本捕集做好準備。
當前的制氫技術(shù)
到2021年，全球氫氣產(chǎn)量總計為7500萬噸，其中近一半來自天然氣的SMR，不到5%來自電解。在美國，SMR占氫氣產(chǎn)量的90%以上，這種技術(shù)成熟且容易理解；然而，它產(chǎn)生大約10kgCO2/kgH2。SMR系統(tǒng)使用碳氫化合物原料（最常見的是天然氣）和蒸汽在高溫下生產(chǎn)氫氣。SMR工藝分為重整、水氣變換和變壓吸附三個步驟。SMR工藝有幾個優(yōu)勢：它是一種成熟的、易于理解的技術(shù)，具有高效率和可擴展性；然而，碳足跡是顯著的。此外，包括高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣在內(nèi)的鋼鐵廠廢氣也不適合作為SMR的原料。
雖然傳統(tǒng)的電解本身不產(chǎn)生CO2，但它需要大量的電能，高達55kWh/kgH2。因此，要成為綠色氫氣來源，大量的清潔、可再生能源必須做到24/7全天候可用。電解利用電產(chǎn)生超電勢，使水分解為氫和氧。最常見的商業(yè)電解技術(shù)是堿性電池和質(zhì)子交換膜（PEM）。堿性電池技術(shù)已經(jīng)存在了近一個世紀，它使用液體電解質(zhì)將氫和氧從水中分離出來。PEM技術(shù)使用固體聚合物電解質(zhì)。
這兩種電解工藝的主要挑戰(zhàn)都是找到大量連續(xù)的無碳電力流和大量的純凈水。美國能源部表示，根據(jù)美國典型的電價，電解制氫的總成本將在5美元/kgH2，而系統(tǒng)的資本成本高達1500美元/kW。
雖然在可再生能源驅(qū)動的電解過程中產(chǎn)生的CO2很少，但電能來源是了解電解過程中總體CO2排放的關鍵。如果電力來自電網(wǎng)，CO2的碳足跡甚至可能高于SMR。根據(jù)美國能源信息署的數(shù)據(jù)，目前，美國電網(wǎng)CO2排放因子平均為0.4kg/kWh。在典型的PEM能量需求下，產(chǎn)生的CO2排放量可能為24tCO2/tH2。因此，在有足夠的、持續(xù)的可再生能源可用之前，電解本身并不是煉鋼工藝脫碳的靈丹妙藥。
將鋼鐵廢氣轉(zhuǎn)化為氫氣：H2GEN
目前，高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣用于聯(lián)合鋼鐵廠的多用途加熱。這需要一個管道分配網(wǎng)絡將氣體輸送到工廠周圍的一些使用點，導致多點煙囪排放壓力大大降低，CO2濃度低。H2Gen技術(shù)提供了一條利用高爐和轉(zhuǎn)爐廢氣產(chǎn)生更大價值的途徑，同時推動現(xiàn)有工廠的脫碳。鋼鐵廠的廢氣，如高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，可以在H2Gen技術(shù)中使用，在將CO2捕集到一個富集流的同時產(chǎn)生高純氫氣。H2Gen通過利用存在于不同氣體成分之間的超電勢（電壓）來驅(qū)動，而不是用電來實現(xiàn)這一目標。H2Gen技術(shù)利用了傳統(tǒng)固體氧化物電解槽（SOEC）領域數(shù)十年的發(fā)展。與傳統(tǒng)的固體氧化物電解槽類似，H2Gen技術(shù)通過氧離子導電電解質(zhì)將氧離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽極，工作溫度通常在800-900℃之間。由于在高溫下熱力學和動力學的改善，高溫操作可以提高效率。然而，與傳統(tǒng)的電化學反應器不同，電子通過電解質(zhì)內(nèi)導電過程（也稱為混合導電電解質(zhì)）從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，如圖1所示。H2Gen與碳捕集相結(jié)合，可以減少高達80%的CO2排放量，同時保持聯(lián)合煉鋼路線經(jīng)濟的吸引力。
含有不同水平CO、CO2、N2和H2的原料可以通過最少的預處理加以利用。該工藝在800-900℃的溫度范圍內(nèi)運行。根據(jù)原料構(gòu)成，一旦提升到這個溫度范圍，該工藝可自行啟動。這意味著，除了運行輔助設備（例如壓縮機、控制器、閥門等）的電能外，該工藝運行不需要額外的電力。此外，氫氣完全由陰極上的蒸汽產(chǎn)生，它從不接觸原料（陽極側(cè)），從而不需要其他技術(shù)所需的后期分離處理。生產(chǎn)氫氣的唯一后處理步驟是將多余的水冷凝出來，然后就可使用了。
在原料側(cè)（陽極），CO轉(zhuǎn)化為CO2，生成濃度為35%-60%的高爐煤氣（轉(zhuǎn)爐煤氣更高）。為了進行比較，表1記錄了當今工業(yè)燃燒過程中典型的煙氣CO2含量。
許多因素會影響捕集的總成本。源流的CO含量是最關鍵的因素之一。例如，國際能源署針對產(chǎn)生大量CO2的工藝，提供了許多報告，并比較了按照氣流中CO2含量進行捕集CO2的成本。鋼鐵行業(yè)被認為是一個難以脫碳的行業(yè)，主要原因是CO2含量低，排放源多。國際能源署估計，由于高爐煤氣的CO2含量較低（20%-22%），鋼鐵行業(yè)捕集高爐煤氣的平均成本在每噸40-100美元左右。然而，當高爐煤氣通過H2Gen轉(zhuǎn)化為氫氣時，廢物流的CO2含量至少達到40%。H2Gen排放氣體中的CO2含量高得多，而且它可以在一個用戶單點獲得，這導致氣體可以以低得多的成本進行凈化和封存。
一項技術(shù)途徑的總體脫碳潛力既與從大氣中清除的排放量有關，也與該技術(shù)的成本效益有關。脫碳高爐中使用的各種技術(shù)比較，如圖2所示。H2Gen技術(shù)與碳捕集技術(shù)相結(jié)合，在高爐脫碳方面的效果明顯優(yōu)于其他競爭技術(shù)。
集制氫和碳捕集于一體的聯(lián)合鋼鐵廠
目前，聯(lián)合鋼鐵廠普遍使用高爐煤氣進行燃燒。例如，高爐爐膛通常用高爐煤氣加熱，并補充焦爐煤氣或天然氣。高爐煤氣的另一種常見用途是鍋爐，在那里它與更豐富的燃料混合。每個煙囪氣體都含有稀釋含量的CO2，并且需要在更偏遠的地方進行捕集，捕集成本更高。
轉(zhuǎn)爐煤氣存在與高爐煤氣同樣的問題。轉(zhuǎn)爐煤氣是一種熱量較高的煤氣，但其體積比高爐煤氣小得多。如果轉(zhuǎn)爐使用充分燃燒技術(shù)或燃燒轉(zhuǎn)爐煤氣，則提供了從“無價值氣體”中創(chuàng)造價值并同時脫碳的絕佳機會。典型配置，如圖3所示。
很明顯，為了運行“脫碳高爐”，碳捕集必須是解決方案的一部分。H2Gen技術(shù)可以靈活處理廢氣，只需最少的升級設備或后期凈化，同時提供高純度的氫氣流供高爐使用，并產(chǎn)生單一的高含量CO2富集流，如圖4所示。此外，還可以對轉(zhuǎn)爐煤氣進行處理，增加氫氣的產(chǎn)量，提高富集流的CO2含量。
H2Gen為從鋼鐵廠廢氣中生產(chǎn)大量具有成本效益的氫氣提供了可能性。例如，僅以高爐煤氣為例，每年每生產(chǎn)100萬噸鐵水，H2Gen將產(chǎn)生大約100噸/天的氫氣，用于返回高爐或其他爐子脫碳應用。
結(jié)論
鋼鐵行業(yè)正處于脫碳關鍵時期，必須研究多種途徑實現(xiàn)更低的CO2排放。用氫作為碳的替代品創(chuàng)造了一個潛在的、更好的脫碳途徑。對于聯(lián)合煉鋼來說，高爐脫碳是關鍵工序。天然氣蒸汽甲烷重整制氫是一項成熟技術(shù)，但會產(chǎn)生大量CO2排放。電解需要大量純凈水和可再生電力，而這些電力目前還無法以具有競爭力的成本獲得。H2Gen是一種利用高爐煤氣/轉(zhuǎn)爐煤氣生產(chǎn)清潔氫氣的技術(shù)，同時捕集鋼廠已排放的CO2，以降低捕集成本并實現(xiàn)深度脫碳，與DRI-EAF工藝路線形成競爭。
