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文章｜武安君、中南大学孙朝等 编辑｜武安君 （一） 钢铁企业，尤其是长流程钢铁企业，由于碳排放量大2吨多，占比高约占总碳排的15%，在碳达峰碳中和的背景下，受到越来越多人的诟病。行业内外的专家都在重新审视钢铁企业的长流程。重新审视之后，不少专家开出了自己的药方：新上短流程电炉炼钢；也有一些专家认为：一哄而上都去干短流程，不仅不可能，也完全没必要，因为它不符合中国的国情。在一众专家之外，我们的实业家，宝武集团的陈德荣，在这一点上则保持了难得的清醒。他说： 我们很大的压力是因为占宝武近94%的流程都是高炉长流程，总资产以数千亿计。如果高流程不能延续了，那中国宝武数千亿计的长流程资产将归零，这对整个资产的保值将会带来巨大压力。所以延续高炉长流程，实现长流程的碳中和是中国宝武现在工作的重点。 宝武集团不仅是这样说的，而且也是这样做的。他们率先在八钢搞了富氢碳循环氧气高炉试验，据最新数据表明：降碳幅度达23%。目前正在八钢2座2500M3高炉上推广应用。
除此之外，宝武集团湛江钢铁、河钢张宣科技则正在试验氢冶金，而山西中晋太行氢基直接还原铁，在经历十几年的磨难之后，率先取得成功，尽管目前产能还不够大，只有区区30万吨。
与此同时，国内一批钢铁企业、科研院所也纷纷加入到科技降碳各种技术路线的研发之中，部分企业也取得一定的效果。在众多技术路线中，中南大学孙朝副教授团队在国际顶级期刊Energy Conversion and Management上发表的论文，提出的“通过SOFC-SOEC耦合，实现高炉煤气制氢协同COx捕集新途径“的方案，让人眼前一亮。我们不妨仔细了解一下。在介绍中南大学孙朝副教授团队的技术路线之前，我们还是先把SOFC-SOEC介绍给大家。SOFC是固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell）的英文综写，而SOEC则是固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolyse Cells）的英文综写。固体氧化物燃料电池（SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是几种燃料电池中，理论能量密度最高的一种，并被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。 固体氧化物电解池（SOEC）是一种高效绿色制氢技术，是固体氧化物燃料电池(SOFC)技术的逆过程。在外加电压、高温下电解H2O ，产生H2与O2，实现将电能和热能转化为化学能。该技术也可用来电解H2O和CO2，制备高值化学品。固体氧化物电解池（SOEC）用于高温电解CO2/H2O，既可高效制备合成气（CO+H2），又可实现CO2的减排。 最为可贵的是，SOFC-SOEC所需的工况条件钢铁企业都可以满足，将SOFC-SOEC珠联壁合耦合应用，既为钢铁企业的减碳降碳提供了全新的视角，同时也为SOFC-SOEC找到了难得的应用场景。事实上，作为成功的案例，德国萨尔茨吉特钢铁厂(Salzgitter)联合Sunfire公司，在萨尔茨吉特钢铁公司实施了GrInHy2.0项目。该电解槽的工作温度为850°C，使用的是萨尔兹吉特钢铁厂生产过程中的余热。因此该电解槽可使用比传统技术少得多的电能，实现大规模氢气生产。截止2022年10月17日，已经累计生产了100吨绿氢和800吨绿氧。这些绿氢被直接送入萨尔茨吉特Flachstahl厂氢气管网，用于萨尔茨吉特Flachstahl厂退火和热镀锌产线。
GrInHy2.0（Green Industrial Hydrogen绿色工业化制氢）项目是欧盟资助的项目。2019年，在萨尔茨吉特Flachstahl工厂建成高温电解槽制氢设备并投产运行，电解槽承接的负载为720 kW，是当时世界上最大、效率最高的同类工厂。萨尔茨吉特高温电解槽的制氢生产效率达到了84%，能耗相当于39.7 kWh/kgH2。目前，该系统每小时生产200 Nm3的绿色氢气，工作温度为850°C。然而，无论是SOFC还是SOEC，目前，国内整个固体氧化物燃料电池产业还很弱。而国外，SOFC部分场景及产品已初步实现商业化，特别是日本、美国以及欧盟地区，得益于这些国家较早在政策方面的支持和激励，目前已形成了一些巨头企业，它们掌握了目前全球最领先的前沿技术、商业化场景以及全产业链人才。如：总部位于德国的Sunfire GmbH，被称为基于碱性和固体氧化物(SOEC)技术生产工业电解槽的全球领导者；美国燃料电池技术开发公司Bloom Energy等；由于它在高温下运行，Bloom 电解槽需要更少的能量来分解水分子并产生氢气。因此，当电力是唯一的输入源时，Bloom Energy 的电解槽比其他电解槽技术消耗的电力少 15%，以制造氢气。与主要需要电力来制造氢气的低温 PEM 和碱性电解槽不同，Bloom 电解槽可以利用电力和热量来生产氢气。与低温 PEM 和碱性电解槽相比，Bloom Energy 的高温电解槽技术在与外部热源集成时有可能减少多达 45% 的电力。也就是，SOEC可以用少于3度的电生产1立方米氢气。
中国固体氧化物燃料电池产业的发展也很神速，目前头部企业在竞争中也已经脱颖而出。如：潍柴、宁波索福人、三环集团、上海翌晶（见下图）等；
不久前，潍柴生产的全球首套大功率金属支撑(120kw)SOFC产品发布。此次发布的SOFC产品使用了新一代金属支撑技术，相比传统的电解质支撑和阳极支撑SOFC，新技术具有运行温度低、抗热冲击能力强等优势，系统可启停次数是国际竞品的4倍以上，启动速度是国际竞品的3倍以上，是未来的颠覆性的新能源技术路线。
据透露，潍柴动力的这款SOFC产品已经在潍坊燃料电池产业园示范运行超过30000小时。实际使用中每立方米天然气可发电6度，净发电效率超过60%。有关测算显示，该SOFC产品作为分布式能源的装机容量达到1GW时，相比传统的火电，每年可减碳约200万吨。
据了解，潍柴的该款SOFC产品系统功率达到120kW，支持模块化安装，可将功率扩展至兆瓦级，实现了重大技术突破—— 1.产品热电联产效率达到92.55%，在大功率SOFC系统中全球领先；
2.全球率先使用最先进的新一代金属支撑SOFC技术，相比于传统的电解质支撑和阳极支撑技术，具有运行温度低、抗热冲击能力强的突出优势，特别是实现了从高温800度到600度的技术难关突破，系统可启停次数是国际竞品的4倍以上，启动速度是国际竞品的3倍以上，达到了国际领先水平；3.产品通过国际权威检测机构TÜV南德的欧盟CE认证，完成39项全项认证测试。 与此同时，徐州华清京昆能源有限公司于2023年2月举行了国内首套商业化、全自主知识产权25kW固体氧化物燃料电池（SOFC）热电联供系统产品成功下线仪式，该产品即将交付天津临港投资控股有限公司，作为京津冀首套100kW SOFC能源微电网示范项目的一期工程。潮州三环（集团）股份有限公司与广东省能源集团有限公司合作开展的“210kW高温燃料电池发电系统研发与应用示范项目”在2023年年初顺利通过验收。据悉，该项目在近两年半的时间里完成了SOFC电堆模组、热盒关键部件、电控系统和SOFC系统集成的开发研究，并实现了210kW SOFC固定式发电系统的集群研究和应用示范。同时，项目前后安装的6台35kW SOFC系统，总功率≥210kW，平均交流发电净效率61.8%，运行时间最长的机台已超过5000小时，系统热电联供效率高达91.2%。但总体而言，目前SOFC在国内仍存在着产业链不完整、部分环节技术成熟度低、企业参与度低、成本高等问题，SOFC系统商业化程度较低，规模应用示范较为缺乏，SOFC的实际运行数据相对较少，缺乏相应的配套政策支持。 随着双碳目标的确定，SOFC产业也迎来了前所未有的发展机遇，钢铁企业成为难得的国内SOFC与SOEC应用场景。 在此背景下，中南大学孙朝副教授团队率先将SOFC与SOEC耦合，引入钢铁企业降碳领域，提出了“通过SOFC-SOEC耦合，实现高炉煤气制氢协同COx捕集新途径“解决方案。
（三） 
高炉煤气（Blast furnace gas, BFG）是高炉（Blast furnace）炼铁过程的一种低热值副产物，其巨大产量造成了高碳排问题。利用BFG制氢是一种高价值、清洁、低碳的途径。已有的研究证实了利用BFG生产氢气的可行性，但产品气体中通常混有大量的N2，导致氢气品质相对较低，不利于后续的储存、运输、利用等环节。 固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）具有适用性广、发电效率高等优点。与SOFC产生电能相反，固体氧化物电解池（Solid oxide electrolysis cell, SOEC）通过消耗电能将蒸汽和二氧化碳直接转化为增值化学品，如H2、CH3OH等。因此，SOFC和SOEC的耦合，使低品位能源转化为高价值的化学品成为可能。为了实现由高炉煤气到氢气H2制取的一步跨越，中南大学孙朝副教授团队创新性地提出了利用高炉煤气作为介质，采用固体氧化燃料电池和电解池耦合（SOFC-SOEC）集成系统，实现BFG制氢协同碳氧化物捕集的新方法，具体系统流程如图1所示。图1 BF-SOFC-SOEC系统用于BFG精炼、制氢和COx捕集本研究利用ASPEN Plus软件对系统进行可行性验证和参数优化，具体如图2所示。该系统主要由高炉（包括上、中、下三个单元）、SOFC和SOEC模块组成，可将BFG的低品位化学能转化为电能，再转化为氢气。一方面，在高温条件下，SOFC将BFG低品位的化学能转化为电能；电池尾部捕获的气体可用于合成甲酸、甲醇等高值化学品；另一方面，SOEC由SOFC提供的电能驱动产生氢和氧；氢气将被储存或直接使用，而氧气将被再循环到高炉中，以补充高炉炼铁工艺过程所需的氧气，提高炼铁产物以及高炉煤气的质量。对于系统所需的额外氧气，由空气分离装置（Air separation unit, ASU）提供。
通过软件模拟，综合考察C和CaCO3进料速率、高炉温度、空气流量和氧气流量的影响。结果证实了SOFC与SOEC相结合用于高炉煤气增值制氢的可行性。在投料摩尔比C/CaCO3 = 42.6、供氧速率为11.58 kmol/t矿石的条件下，可获得99.92%的碳氧化物捕获效率、2209 kcal/m3的BFG低热值、61.1%的SOFC效率、65 kW的SOFC功率以及0.24 kmol/kmol·BFG的产氢率。 图3 C与CaCO3投料量的影响a）碳剩余率；b）固体产物中FeO摩尔分数；CaO/SiO2摩尔比；d）热负荷系统典型工况的能流图如图4所示。尽管SOEC产生的氧气（3.98 kmol/h）不能满足高炉所需的纯氧量（11.58 kmol/h），但孙朝副教授团队设计的BF-SOFC-SOEC系统结构紧凑、灵活，能将低品位化学能转化为高纯氢气。该系统将大大促进炼铁工业向清洁和高效的方向发展。此外，捕获的高浓度COx可以被进一步利用，降低碳排放，这符合炼铁工业的减碳趋势。（四）
除此之外，SOFC-SOEC耦合还可以生产合成氨、甲醇等其它化工产品。 高炉煤气采用SOFC-SOEC耦合方式降碳制氢是对传统的钢铁流程降碳技术路线的一次颠覆。它吸收了现代科技最新的创新成果，是固体氧化物燃料电池、电解池技术的拓展应用。固体氧化物电解池（SOEC）可在㶲效率不降低的条件下，使钢铁流程中高品位余热资源得到极致的应用。由于使用了钢铁流程中的高温余热，高温电解水蒸汽制氢成本可大幅度降低，而固体氧化物电解池（SOEC）模块化应用则又使得氢气规模化生产成为可能；固体氧化物燃料电池（SOFC）使得发电效率，相比于双超发电的40%左右而言，可以说是大幅提高了；倘若进一步耦合CO2电解，则可生产出合成气或化工产品甲醇等。可以毫不夸张地说，SOFC-SOEC耦合为我们找到了钢铁企业减碳、降碳的新途径。高炉煤气SOFC-SOEC耦合应用也绝非一番通途。一方面，固体氧化物电解池（SOEC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）目前单体规模还是太小，潍柴目前能够做到的最大规模也只有120kw模块化可扩大到兆瓦级，上海翌晶是200kw，三环是210kw,德国Sunfire公司是730kw。对中国的固体氧化物燃料电池产业而言，当务之急是找到应用的场景，扩大规模应用。我们期待着国内钢铁企业“敢吃第一个螃蟹者”，与中南大学孙朝副教授团队携手，将“高炉煤气SOFC-SOEC耦合降碳制氢”项目落到实处。国有钢铁企业应当成为原创技术的策源地，争当科技创新的急先锋主力军，而民营钢铁企业则应当仁不让发挥自身优势积极作为向“新”而生，只有这样，我国的钢铁工业才能在“双碳”大考中始终于不败之地，从而谱写“零碳钢铁强国”的辉煌。
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