前言
全球钢铁行业CO2排放量约占全球CO2总排放量的7%。此外，钢铁行业已被确定为“难以脱碳的产业”。目前虽然还没有一种技术可以作为整体解决方案，但氢将在脱碳过程中发挥关键作用。
面对这些严峻的挑战，钢铁行业正在寻找快速脱碳的途径。如今，钢铁生产主要有两条工艺路线：一种是电弧炉（EAF）炼钢路线；第二种工艺路线是联合炼钢，即高炉-转炉（BF-BOF）。电弧炉炼钢路线产生的吨钢CO2排放量较低，所以一些联合钢铁生产商转向采用电弧炉生产。这种转变将很快遭遇收益递减法则。废钢和清洁电力都将供不应求。此外，即使DRI被纳入原材料组合，它也将面临供应问题和成本上升。因此，尽管以高炉为基础的炼钢将在一定程度上被以DRI为基础的炼钢所取代，但在可预见的未来，联合炼钢路线仍将是主要的炼钢方式。高炉面临的主要挑战是其在总体CO2排放中的占比。
企业愿意继续使用高炉生产是基于它是世界上低成本、高质量生产铁的方法。但是，高炉的CO2排放必须大幅减少。减少高炉CO2排放的一个办法是用清洁氢部分替代冶金焦炭或其他碳基还原剂。
目前，在北美最常见的大规模制氢方法是蒸汽甲烷重整（SMR），这种方法的碳足迹很大。传统的电解解决方案虽然是由可再生能源驱动的清洁方案，但由于大量的电力需求而受到挑战。一个联合钢铁厂的典型电解项目需要24/7全天候供电，可再生能源需求可能超过1GW。本文将回顾目前钢铁企业可用的选择，并介绍一种名为H2GenTM的新技术，该技术有望提供由高炉煤气（或转炉煤气）产生的低成本氢气，同时将CO2捕集到一个富集流中，为低成本捕集做好准备。
当前的制氢技术
到2021年，全球氢气产量总计为7500万吨，其中近一半来自天然气的SMR，不到5%来自电解。在美国，SMR占氢气产量的90%以上，这种技术成熟且容易理解；然而，它产生大约10kgCO2/kgH2。SMR系统使用碳氢化合物原料（最常见的是天然气）和蒸汽在高温下生产氢气。SMR工艺分为重整、水气变换和变压吸附三个步骤。SMR工艺有几个优势：它是一种成熟的、易于理解的技术，具有高效率和可扩展性；然而，碳足迹是显著的。此外，包括高炉煤气和转炉煤气在内的钢铁厂废气也不适合作为SMR的原料。
虽然传统的电解本身不产生CO2，但它需要大量的电能，高达55kWh/kgH2。因此，要成为绿色氢气来源，大量的清洁、可再生能源必须做到24/7全天候可用。电解利用电产生超电势，使水分解为氢和氧。最常见的商业电解技术是碱性电池和质子交换膜（PEM）。碱性电池技术已经存在了近一个世纪，它使用液体电解质将氢和氧从水中分离出来。PEM技术使用固体聚合物电解质。
这两种电解工艺的主要挑战都是找到大量连续的无碳电力流和大量的纯净水。美国能源部表示，根据美国典型的电价，电解制氢的总成本将在5美元/kgH2，而系统的资本成本高达1500美元/kW。
虽然在可再生能源驱动的电解过程中产生的CO2很少，但电能来源是了解电解过程中总体CO2排放的关键。如果电力来自电网，CO2的碳足迹甚至可能高于SMR。根据美国能源信息署的数据，目前，美国电网CO2排放因子平均为0.4kg/kWh。在典型的PEM能量需求下，产生的CO2排放量可能为24tCO2/tH2。因此，在有足够的、持续的可再生能源可用之前，电解本身并不是炼钢工艺脱碳的灵丹妙药。
将钢铁废气转化为氢气：H2GEN
目前，高炉煤气和转炉煤气用于联合钢铁厂的多用途加热。这需要一个管道分配网络将气体输送到工厂周围的一些使用点，导致多点烟囱排放压力大大降低，CO2浓度低。H2Gen技术提供了一条利用高炉和转炉废气产生更大价值的途径，同时推动现有工厂的脱碳。钢铁厂的废气，如高炉煤气和转炉煤气，可以在H2Gen技术中使用，在将CO2捕集到一个富集流的同时产生高纯氢气。H2Gen通过利用存在于不同气体成分之间的超电势（电压）来驱动，而不是用电来实现这一目标。H2Gen技术利用了传统固体氧化物电解槽（SOEC）领域数十年的发展。与传统的固体氧化物电解槽类似，H2Gen技术通过氧离子导电电解质将氧离子从阴极转移到阳极，工作温度通常在800-900℃之间。由于在高温下热力学和动力学的改善，高温操作可以提高效率。然而，与传统的电化学反应器不同，电子通过电解质内导电过程（也称为混合导电电解质）从阳极转移到阴极，如图1所示。H2Gen与碳捕集相结合，可以减少高达80%的CO2排放量，同时保持联合炼钢路线经济的吸引力。
含有不同水平CO、CO2、N2和H2的原料可以通过最少的预处理加以利用。该工艺在800-900℃的温度范围内运行。根据原料构成，一旦提升到这个温度范围，该工艺可自行启动。这意味着，除了运行辅助设备（例如压缩机、控制器、阀门等）的电能外，该工艺运行不需要额外的电力。此外，氢气完全由阴极上的蒸汽产生，它从不接触原料（阳极侧），从而不需要其他技术所需的后期分离处理。生产氢气的唯一后处理步骤是将多余的水冷凝出来，然后就可使用了。
在原料侧（阳极），CO转化为CO2，生成浓度为35%-60%的高炉煤气（转炉煤气更高）。为了进行比较，表1记录了当今工业燃烧过程中典型的烟气CO2含量。
许多因素会影响捕集的总成本。源流的CO含量是最关键的因素之一。例如，国际能源署针对产生大量CO2的工艺，提供了许多报告，并比较了按照气流中CO2含量进行捕集CO2的成本。钢铁行业被认为是一个难以脱碳的行业，主要原因是CO2含量低，排放源多。国际能源署估计，由于高炉煤气的CO2含量较低（20%-22%），钢铁行业捕集高炉煤气的平均成本在每吨40-100美元左右。然而，当高炉煤气通过H2Gen转化为氢气时，废物流的CO2含量至少达到40%。H2Gen排放气体中的CO2含量高得多，而且它可以在一个用户单点获得，这导致气体可以以低得多的成本进行净化和封存。
一项技术途径的总体脱碳潜力既与从大气中清除的排放量有关，也与该技术的成本效益有关。脱碳高炉中使用的各种技术比较，如图2所示。H2Gen技术与碳捕集技术相结合，在高炉脱碳方面的效果明显优于其他竞争技术。
集制氢和碳捕集于一体的联合钢铁厂
目前，联合钢铁厂普遍使用高炉煤气进行燃烧。例如，高炉炉膛通常用高炉煤气加热，并补充焦炉煤气或天然气。高炉煤气的另一种常见用途是锅炉，在那里它与更丰富的燃料混合。每个烟囱气体都含有稀释含量的CO2，并且需要在更偏远的地方进行捕集，捕集成本更高。
转炉煤气存在与高炉煤气同样的问题。转炉煤气是一种热量较高的煤气，但其体积比高炉煤气小得多。如果转炉使用充分燃烧技术或燃烧转炉煤气，则提供了从“无价值气体”中创造价值并同时脱碳的绝佳机会。典型配置，如图3所示。
很明显，为了运行“脱碳高炉”，碳捕集必须是解决方案的一部分。H2Gen技术可以灵活处理废气，只需最少的升级设备或后期净化，同时提供高纯度的氢气流供高炉使用，并产生单一的高含量CO2富集流，如图4所示。此外，还可以对转炉煤气进行处理，增加氢气的产量，提高富集流的CO2含量。
H2Gen为从钢铁厂废气中生产大量具有成本效益的氢气提供了可能性。例如，仅以高炉煤气为例，每年每生产100万吨铁水，H2Gen将产生大约100吨/天的氢气，用于返回高炉或其他炉子脱碳应用。
结论
钢铁行业正处于脱碳关键时期，必须研究多种途径实现更低的CO2排放。用氢作为碳的替代品创造了一个潜在的、更好的脱碳途径。对于联合炼钢来说，高炉脱碳是关键工序。天然气蒸汽甲烷重整制氢是一项成熟技术，但会产生大量CO2排放。电解需要大量纯净水和可再生电力，而这些电力目前还无法以具有竞争力的成本获得。H2Gen是一种利用高炉煤气/转炉煤气生产清洁氢气的技术，同时捕集钢厂已排放的CO2，以降低捕集成本并实现深度脱碳，与DRI-EAF工艺路线形成竞争。
