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为解决钢铁行业减排难题，研究人员开展 “高炉煤气碳捕获、储存与利用的工艺模拟及环境影响” 研究。结果表明，CCU 可减 11 - 45% 气候变化影响，CCS 可减 17 - 34% 。这为钢铁行业减排提供参考，助力迈向净零目标。
钢铁，在现代社会的建设中扮演着至关重要的角色，从高耸入云的摩天大楼到川流不息的交通网络，处处都有它的身影。然而，钢铁生产过程却如同一个 “碳排放巨兽”，对全球气候造成了巨大的压力。根据相关数据，2020 年全球生产 1860 亿吨钢铁，直接排放了 26 亿吨二氧化碳，占全球人为二氧化碳排放量的 7 - 9%，再加上间接排放，这个数字更是惊人。钢铁生产主要通过高炉 - 碱性氧气转炉（BF - BOF）和电弧炉（EAF）两条路线进行，其中 BF - BOF 路线由于依赖焦炭，碳排放尤为严重，其产生的高炉煤气（BFG）更是钢铁厂总直接排放的 “主力军”，贡献了约 70% 的排放量。
为了应对这一严峻的挑战，来自国外的研究人员开展了一项关于钢铁生产中高炉煤气碳捕获、储存与利用的研究，该研究成果发表在《Carbon Capture Science》上。这项研究意义重大，它为钢铁行业实现减排目标提供了重要的参考依据，有助于推动钢铁行业向绿色、可持续的方向发展。
研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是过程模拟，借助 Aspen Plus V12.1 软件对相关工艺流程进行模拟，以此获取物质和能量平衡数据。二是生命周期评估（LCA），利用 Gabi V10.9 软件，依据 ISO 14040/44 方法，评估不同情景下钢铁生产的环境影响。
研究结果
- 气候变化影响：参考案例中钢铁生产的气候变化影响为 2.7t CO2 eq./t HRC，BFG 燃烧产生的二氧化碳排放是主要贡献者。在脱碳情景中，CCU - 1 可将钢铁生产的影响降低 11%，至 2.41t CO2 eq./t HRC，CCU - 2 使用风电制氢可将影响降低 45%，至 1.5t CO2 eq./t HRC。CCS - 1 和 CCS - 2 分别可将影响降低 17% 和 34%，但 CCS - 2 的影响仍比 CCU - 2 高 20% 。
- 资源消耗：除 CCU - 2 外，其他脱碳情景的化石消耗均高于参考案例。CCU - 1 中，氢气生产用电的影响超过了合成燃料和多余热量带来的节省，使化石消耗比参考案例高 70%。CCU - 2 使用可再生电力制氢，使化石消耗比参考案例低 46%。CCS 情景中，因 CCS 的能源惩罚，化石消耗比参考案例高 9 - 13%。此外，CCU 情景的淡水消耗和土地使用显著增加，而 CCS 情景则无明显变化，金属消耗在各案例和情景中相似。
- 毒性相关影响：CCU - 2 的毒性相关影响最高，其次是 CCU - 1。在参考案例中，BFG 燃烧排放对毒性影响可忽略不计，但在 CCU 情景中，氢气生产用电增加了人类和生态毒性影响，主要源于电网电力（CCU - 1）和电池及风力涡轮机（CCU - 2）生命周期中重金属的释放。CCS 情景则无明显增加。
- 富营养化和酸化：CCS 情景中富营养化和陆地酸化的增加不显著。CCU 情景中，氢气生产的能源使用使淡水富营养化增加 41 - 43%，海洋富营养化增加 25 - 95%。陆地酸化方面，CCU - 2 因电池生产中的 SO2排放，比参考案例高 48%，CCU - 1 比参考案例高 38%。
- 其他影响：CCU - 1 和 CCU - 2 的臭氧消耗分别比参考案例高 5.8 倍和 10%，CCS 情景也因能源惩罚增加了臭氧消耗，但幅度较小（12 - 28%）。电离辐射方面，CCU - 1 因大量用电比参考案例高 60 倍，CCU - 2 和 CCS - 2 也有显著增加。CCU 情景中颗粒物形成潜力和光化学氧化剂增加，CCS 情景则不明显。
研究结论与讨论
研究发现，CCU 和 CCS 都能降低钢铁生产的气候变化影响，但也都存在权衡。CCU 可降低 11 - 45% 的气候变化影响，但会显著增加其他环境影响；CCS 降低的幅度相对较小（17 - 34%），但仅在电离辐射和臭氧消耗方面有显著增加。总体而言，基于化学循环的 CCU 过程在减轻钢铁行业气候变化影响方面具有更大潜力。尽管这些高炉煤气脱碳措施在环境影响方面存在权衡，且仅靠它们不足以帮助钢铁行业实现净零目标，但它们应作为广泛技术选项组合的一部分，并在大规模实施前进行技术经济可行性评估。此外，为了最小化因氢气需求高而导致的其他影响增加，需要进一步研究优化工艺，减少对氢气的依赖，并推进可再生氢的可持续生产研究。这项研究为钢铁行业减排提供了重要的理论支持和实践指导，为钢铁行业迈向净零排放的未来奠定了基础 。
