高爐煤氣+蒸汽製取高純氫氣的示範研究

• 前言

　　鋼鐵生產中碳的冶金特性與還原反應需求使得碳難以替代，其中又以高爐製程為最大排放源，佔全廠二氧化碳排放70%~80%。氫氣作為非碳基還原劑具備脫碳潛力，卻因高成本而尚未廣泛應用。本文介紹H₂Gen™示範工廠的成果與未來挑戰。該技術可將高爐煤氣（BFG）與蒸汽在無外加電留下轉化為高純度氫氣，為鋼廠脫碳提供新思路。

• H₂Gen™技術原理 (如圖4)

　　H₂Gen™運作類似固體氧化物電解槽（SOEC），最大特色是不需外加電力即可驅動反應。其核心機制說明如下：

(1)混合導電陶瓷膜與氣體電化學：以具選擇性與雙導電性的陶瓷膜將電池分為陽極與陰極兩側，陽極側導入高爐煤氣，陰極側則輸入蒸汽。兩側氣體間因成分不同產生過電位，進而驅動電化學反應。

(2)陽極：在800–900°C條件下，陽極側導入高爐煤氣，高爐煤氣中一氧化碳（CO）與由陰極遷移而來的氧離子(O²⁻)進行放熱反應，生成二氧化碳（CO₂）與兩個電子（2e⁻），如式(A)。

CO+O²⁻→CO₂+2e⁻…式(A)

(3)陰極：陰極側輸入蒸汽（H₂O）吸收上述反應熱能，生成氫氣（H₂）與O²⁻，如式(B)。

H₂O+2e⁻→H₂+O²⁻…式(B)

(4)高濃度二氧化碳與高純度氫氣：陶瓷膜的選擇性設計確保進料氣體各自僅在陽極、陰極側流動且彼此完全分隔，避免相互接觸。氫氣僅於陰極側產出，具高純度且降低淨化成本；同時陽極側直接產生高濃度CO₂，有助於後續碳捕捉與封存（CCS）成本降低。

(5)進料氣體適應性強：該技術對高爐煤氣和燃燒、石化等不同原料氣體都能穩定運作，不需要嚴格限定原料氣的純度或單一組成，顯著降低了進料氣預處理的複雜度與成本。

圖4、H₂Gen™反應器原理

• 工廠驗證

(1)中型工廠實現超過2,500 小時連續穩定運行，氫氣純度始終>99%。

(2)示範工廠在實際高爐煤氣條件下運行前40小時內產生12.5 kg/d氫氣，純度97%，超出預期10%–20%。

表1、驗證條件與成果比較

• 成果與未來展望

　　H₂Gen™示範工廠驗證該技術在真實高爐煤氣條件下的可行性與穩定性，無須利用分離製程將原料氣體中的惰性氣體移除，技術成熟度達TRL 8級。後續將將與高爐鋼廠合作，展開工程設計與商業化成本評估，力求與電解氫及可再生天然氣SMR等技術競爭。

（摘自：世界金屬導報, N.2712, 2025-03-25）