综述：钢铁制造过程中副产气资源化利用的机会与新兴趋势——以实现碳中和的钢铁生产

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Opportunities and new trends in the valorization of steel manufacturing off-gas for carbon-neutral steelmaking

钢铁行业脱碳技术及高炉煤气资源化路径研究。近二十年发展出氢基高炉、顶气循环等 BF-BOF 改进技术，同时钢厂废气（BFG）转化为甲醇等化学品成为新方向。BFG 利用技术通过热化学/电化学转化实现32-76%能源效率，面临杂质多样性和工艺稳定性挑战。跨行业合作网络可推动碳循环经济，但需解决能源替代与经济性平衡问题。

　　

Po-Chih Kuo | Muhammad Aziz

日本产业技术综合研究所（AIST）能源高效技术研究所以及能源效率技术实验室，地址：日本茨城县筑波市波见1-2-1，邮编305-8564

摘要

钢铁行业是全球二氧化碳（CO₂）排放的主要来源之一，这主要是由于其高能耗以及依赖化石燃料。在过去的二十年里，针对传统的高炉（BF）炼铁工艺，已经开发出了多种脱碳技术。这些技术包括氢基高炉炼铁、顶部气体回收高炉、二氧化碳（CO₂）捕集、利用和储存，以及直接还原-电弧炉炼铁工艺。鉴于上述技术的操作和控制限制，将钢铁厂废气转化为化学品和燃料成为通过钢铁与化工行业之间的跨行业工作流程网络来减少碳足迹的另一种有前景的方法。本文详细探讨了钢铁厂废气利用技术的最新进展，特别是高炉煤气（BFG）的转化方法，包括热化学和电化学转化途径。从技术可行性的角度来看，一个关键挑战在于钢铁厂废气中存在的多种杂质，这些杂质带来了需要进一步深入研究的技术不确定性。在基于BFG的转化路径中，甲醇合成被认为是最突出的选择。从过程系统工程的角度来看，BFG到甲醇的转化路径可以实现约32–76%的能量转化效率。此外，只要替代能源能够适当补偿转移废气的能量价值，BFG就具有经济和环境潜力。最后，本文指出了钢铁厂废气转化过程中面临的关键技术挑战以及未来的研究方向，为难以减排的钢铁行业提供了新的研究思路。

引言

鉴于温室气体排放对气候变化和全球变暖的巨大影响，许多发展中国家在能源密集型制造业的脱碳方面面临着巨大挑战。毫无疑问，钢铁行业是人为二氧化碳（CO₂）排放的主要来源之一，占全球二氧化碳排放量的近7–9% [1]。据统计，截至2024年，全球粗钢产量约为18.85亿吨（Mt）[2]。中国的钢铁行业是全球粗钢产量的主要贡献者，占比约为53.3%，其次是印度（7.9%）、其他亚洲国家（如韩国）（7.9%）、欧盟（6.9%）、北美（5.6%）和日本（4.5%）等 [2]。大约52%的钢铁用于建筑和基础设施领域，16%用于机械设备，12%用于汽车制造，10%用于金属制品，5%用于其他运输需求，3%用于电气设备，2%用于家用电器 [3]。这种分布凸显了钢铁产品在人类生活各个领域中的不可或缺的作用。为了实现2050年的碳中和目标，迫切需要开发适用于钢铁行业的突破性技术。此外，这些脱碳技术必须促进清洁能源转型，并以高效、环保且经济的方式减少二氧化碳（CO₂）排放。

为了减少钢铁生产过程中，尤其是高炉（BF）中的化石碳消耗，世界各地已经实施了多种脱碳研发项目，从实验室规模和台架规模到试点示范阶段不等。例如，日本钢铁联盟（JISF）开展了一个名为“通过创新技术实现钢铁生产过程中二氧化碳最终减排（COURSE 50）”的国家项目 [[4], [5], [6]]。COURSE 50计划旨在通过结合氢基高炉炼铁（H₂-BF）技术和基于胺的洗涤技术（用于从高炉煤气（BFG）中捕集和储存二氧化碳（CCS）来减少二氧化碳排放。预计这些举措将在2030年前实现工业化应用。在韩国，浦项钢铁公司（POSCO）领导了一个名为FINEX的脱碳项目，该项目采用细矿冶炼还原炼铁工艺。该工艺利用非焦煤作为能源和还原剂，在熔融气化炉中直接生产液态铁 [7]。在欧洲，超低二氧化碳（ULCOS）钢铁项目设计了顶部气体回收高炉（TGR-BF）工艺，旨在将未转化的还原气体（CO + H₂）重新引入高炉的风口或竖井位置 [8,9]。试点测试表明，结合真空变压吸附（VPSA）技术的CCS方法可以实现超过50%的二氧化碳减排 [8,9]。在德国，Salzgitter和Tenova提出了SALCOS项目，旨在将钢铁生产过程与使用各种电解技术的绿色氢气生产相结合 [10]。在美国，采用MIDREX工艺的直接还原铁（DRI）工厂已在多个绿色钢铁生产场所得到广泛应用。高度灵活的MIDREX工艺能够使用天然气、合成气、焦炉煤气（COG）和绿色氢气等多种还原剂，并已成功实现大规模应用 [11,12]。

最近，瑞典的Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology（HYBRIT）项目成功实现了利用绿色氢气通过电弧炉（DRI-EAF）工艺直接还原铁，从而生产出无化石燃料的钢铁。在此过程中，绿色氢气通过可再生能源驱动的水电解产生，随后用于竖炉中的铁矿石还原。直接还原工艺的主要产品称为海绵铁/金属铁（DRI）[13]。与高炉-基本氧气炉（BF-BOF）工艺不同，还原气体仅用于去除铁矿石中的氧气而不熔化铁矿石，所产生的DRI可以直接用于电弧炉（EAF）进行绿色钢铁生产（即DRI-EAF工艺）[14]。

除了利用氢气进行脱碳外，利用钢铁厂废气也被认为是在钢铁行业中实现碳循环的另一种有前景的方法。全球范围内，一些著名的工业项目专注于将钢铁厂废气转化为燃料和化学品，包括由ThyssenKrupp领导的Carbon2Chem项目；由ArcelorMittal领导的Steel2chemicals项目；由ArcelorMittal和LanzaTech联合领导的Carbalyst项目以及Innovative Gas Recovery（IGAR）项目 [[15], [16], [17]]。这些项目关于钢铁厂废气利用的概念将在后续章节中详细介绍。

目前大多数综述都集中在全球钢铁行业的脱碳路线图、策略和政策上，如表1所示 [7,10,15,[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]]。一些综述专门讨论了特定工艺和突破性脱碳技术，如氢基高炉炼铁（H₂-BF）[[29], [30], [31], [32], [33], [34]]、直接还原-电弧炉（DRI-EAF）[[35], [36], [37], [38], [39], [40]]、顶部气体回收高炉（TGR-BF）[41,42]、生物质燃料的使用 [[43], [44], [45], [46], [47], [48], [49]]、碳捕集与封存（CCUS）[[50], [51], [52]]以及节能技术 [53,54]。然而，表2中对主要低碳高炉炼铁技术的总结显示，关于钢铁厂废气利用的综合性技术综述明显不足，尤其是以高炉煤气（BFG）为原料的情况。BFG是所有钢铁厂废气中产量最高的气体。高效利用BFG生产燃料和化学品为在钢铁行业建立循环碳经济提供了有希望的途径。据我们所知，现有文献不仅缺乏对BFG先进转化技术的系统综述，也缺乏对当前电化学转化技术整合的探讨 [55,56]。本文全面概述了当前钢铁厂废气利用技术（特别是BFG转化），探讨了各种能量转化途径，并从实验和过程系统建模的角度进行了分析。需要注意的是，与基于焦炉煤气（COG）的转化途径的比较评估不在本文的讨论范围内。此外，本文还详细总结了不同过程系统设计下钢铁厂废气转化的能量、经济和环境方面的影响。通过整合新兴的钢铁厂废气转化技术，本文为未来的研究方向提供了指导。

在本综述中，第2节简要介绍了传统钢铁生产工艺（即BF-BOF工艺、H₂-BF、TGR-BF和基于DRI的高炉工艺）的技术背景及面临的挑战。第3节概述了从实验室基础到工业示范单元的各种钢铁厂废气转化技术，同时从过程系统工程（PSE）的角度分析了这些技术的能量、经济和环境性能。第4节讨论了冶金气体转化技术面临的挑战。最后，本文提出了未来的研究方向和展望。

部分摘录

BF-BOF工艺原理

如今，BF-BOF炼铁工艺仍是全球钢铁行业中生产生铁和粗钢的主要方法 [47]。2019年，全球粗钢总产量的约76%来自BF-BOF工艺，而24%来自电弧炉（EAF）[57]。由于依赖化石燃料（如焦炭和粉煤（PC）提供的大量能源，这一工艺导致了大量二氧化碳（CO₂）的排放。

钢铁厂废气的现状和来源

在综合性钢铁厂中，高炉煤气（BFG）、焦炉煤气（COG）和基本氧气炉煤气（BOFG）分别是高炉冶炼、冶金焦炭和液态钢生产过程中产生的三种主要废气。每种废气的特点如表4所示。

BFG是产量最大的废气，占总钢铁厂废气的85%。COG是第二大废气来源，而BOFG富含二氧化碳（CO）。BFG、COG和BOFG的较低热值表明……

技术视角

根据对利用钢铁厂废气作为原料的新兴转化技术的全面回顾，通过二氧化碳（CO₂）氢化、直接转化、重整和化学循环等途径将BFG转化为有价值的产品（甲烷、甲醇、合成气、氨和尿素）在技术上是可行且具有前景的。然而，与这两种转化途径相关的几个实际挑战仍需进一步详细研究。

结论与最后意见

本文旨在总结当前在冶金气体转化方面的研究进展和机遇，特别是针对传统钢铁行业中最丰富的废气——高炉煤气（BFG）的转化。文中详细讨论了两个关键的研发项目：Carbon2Chem和H2020 EU C4U。前者专注于通过建立跨行业网络将冶金气体转化为甲醇、氨、尿素和其他化学品；后者则致力于……

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

P.-C. Kuo感谢日本产业技术综合研究所（AIST）提供的财政支持。