傳統的煉鋼製程，如高爐-轉爐(BF-BOF)，是全球主要的碳排放來源之一。該製程依賴煤炭和焦炭作為還原劑和熱源，每噸鋼材的碳排放量高達2.32噸。雖然電爐(EAF)製程因其利用廢鋼回收而碳排放顯著降低，但受限於廢鋼供應量，仍無法完全替代傳統製程。天然氣直接還原鐵-電爐(NG-DRI-EAF)製程雖然排放較低，但每生產一噸粗鋼仍會排放1.65噸二氧化碳，這些數據凸顯了開發新型低碳煉鋼技術的迫切性。
為此，本研究提出了一種基於綠色氫能的H-DRI-EAF鋼鐵生產製程，旨在實現深度脫碳。該製程的核心在於，利用透過電解水生產的綠色氫氣作為鐵礦石的唯一還原劑，進而消除傳統還原製程中的直接二氧化碳排放。本研究對三種主要的綠色電解製氫鋼鐵廠設計方案進行了系統性評估，包括兩種使用固體氧化物電解槽(SOE)的方案和一種使用質子交換膜/鹼性液體電解槽(PEM/AEL)的方案。
其中，一項關鍵創新是SOE-R(R代表爐頂煙氣循環)設計方案。該方案將直接還原鐵(DRI)爐產生的煙氣循環至電解槽，並利用直接注入式蒸氣產生器，完全利用豎爐爐頂廢氣的餘熱產生SOE所需的蒸氣，這種優化的熱能顯著降低了系統的整體能耗。
研究結果顯示，所有H-DRI-EAF方案的能耗水平均顯著低於傳統的BF-BOF製程。其中，SOE-R-B方案表現最佳，其單位能耗為3.56MWh/t，比PEM/AEL基礎方案降低了26.9%，比SOE-NR-B方案降低了16.6%(NR為沒有氣體循環)。這主要歸因於電解槽用電量的減少，因為無需額外電力來產生蒸氣。此外，所有方案都能夠利用電爐廢氣，這使得爐內天然氣的使用量可減少23.9%至42.1%。
在碳排放方面，本研究量化了各方案的二氧化碳當量(CO₂e)排放。在基於歐盟電網平均電力排放因子的情況下，SOE-R方案的單位碳排放量為1.20 tCO₂e/tls，與NG-DRI-EAF和BF-BOF製程相比，分別減少了9.1%和45.5%。更為重要的是，隨著電網碳排放強度的降低，煉鋼過程的碳排放量也呈現顯著下降趨勢。當採用瑞典等低碳電網電力時，SOE-R-OGU(利用電弧爐廢氣)方案可實現低至0.48 tCO₂e/tls的超低碳排放水平。
（摘自：世界金屬導報 N.2718 2025-05-13）