欧洲钢铁行业致力于为实现《欧洲绿色协议》中到2050年达成气候中和的目标作出贡献，其策略是采用低碳且可持续的炼钢技术。为实现生产过程的脱碳，业界正在研究多种技术解决方案，涵盖了对现有工艺的改进和新工艺的开发。相关研究工作包括从高炉（BF）-转炉（BOF）路线向直接还原铁（DRI）-电弧炉（EAF）路线的转变，其中设想使用富含氢的还原气体。

资源（固体、气体和液体）的改进以及能源效率的提升、材料（如炉渣）和能源（如废气）副产品的回收利用，以及处理技术（如间接作用于二氧化碳减排的废气洗涤器）的开发，是当前正在研究的进一步解决方案。在这一背景下，数字解决方案和人工智能发挥着关键作用，这一点从众多相关实例中可见一斑，例如用于提高不同领域效率的多智能体系统以及有时会与优化工具相结合用于情景分析的流程模型等。此外，用可再生能源和替代燃料（如生物质、氢气）替代化石碳源和燃料，是另一个与环境和地缘政治问题相关的重要研究领域。

在这种情况下，基于电弧炉的炼钢路线相对于过去而言正发挥着更重要的作用，并且人们也在努力提升那些本身就符合循环经济和可持续生产理念的工艺的可持续性。在所分析的各种可能性中，用绿氢替代电弧炉燃烧器中使用的天然气（NG），以提供电弧炉所需的部分化学能的做法正受到越来越多的关注。一些发表的论文讨论了电弧炉燃烧器使用氢气的技术成熟度。

进一步的研究探讨了原本设计用于天然气的工业燃烧器是否适合使用天然气/氢气混合燃料。研究表明，在混合燃料中氢气比例达到一定值之前，通常无需进行重大调整，并且未观察到氮氧化物（NO_x）排放量有显著变化。NO_x排放是氢气燃烧的关键因素之一，它受火焰特性的影响。然而据了解，很少有研究关注在电弧炉燃烧器中使用氢气对整个工艺路线和最终产品的影响。现有的模拟研究往往只关注少数几个问题或进行特定调查。例如，Schüttensack等人利用一种改进的动态电弧炉模型，研究了其对电弧炉废气成分、二氧化碳减排量、辐射特性、温度以及钢水温度等方面的影响。

在此背景下，名为“在电弧炉中逐步集成可再生非化石能源和模块化加热技术以逐步减少二氧化碳排放”（GreenHeatEAF）的欧洲项目，通过一个涵盖整个基于电弧炉的生产路线直至连铸机的流程模型，其中包括一个质子交换膜（PEM）电解槽的模型，研究了向电弧炉燃烧器供应氢气或天然气/氢气混合燃料对工艺和产品的影响。

为研究在传统电弧炉炼钢厂中减少能源消耗和环境影响的新操作方法，本研究开发了一个代表整个电弧炉炼钢工艺路线（直至连铸开始）的流程模型的初步版本。通过多年来的改进和升级，该模型利用了更多的工业数据和信息，并根据新的用途进行了调整。

目前，它能够模拟以下生产环节：电弧炉工艺，包括装料和熔炼、物料添加、主要的电弧炉反应、造渣和出钢；二次冶金之前的步骤，例如出钢过程中的添加物料以及钢包转运过程中的热损失；二次冶金，包括钢包炉（LF）和真空脱气（VD）处理；通过简单模拟温度下降来模拟连铸的开始。该模型结合了不同的标准单元和定制单元（如计算器和设计规范模块），以模拟再现各种相关的物料和能量流、化学反应、物理转变、热力学平衡等现象。此外，该模型的设计初衷是能够根据钢厂常见的工业数据（如装料量、铁和有色金属元素的添加量、所需温度、VD压力等操作条件）进行定制、调整和使用；若缺乏相关信息，则会使用文献资料中的信息。通过模型计算得出的结果包括整个过程中的钢水量、温度和成分、炉渣量和成分、电弧所需的电能、废气温度和成分。关于钢水的成分，该模型根据西尔维特定律（Sievert's Law）以及VD操作条件对钢水中氢含量的影响来估算钢水中的氢含量。

在GreenHeatEAF项目中，该模型进一步进行了调整，增加了向电弧炉燃烧器供应氢气的功能，并评估了相关影响，同时添加了新的流体路径和专用单元模块。已利用文献数据和信息进行了相关调整，但在项目进行过程中，还将会有更多数据得以获取，从而能够进一步完善调整方案。该模型还与现有的PEM电解槽流程模型相集成，以考虑生产所需氢气的电力需求。

基于电弧炉生产路线的调整与集成的流程模型被用于情景分析。分析以当前的工业流程（即在电弧炉燃烧器中使用天然气）及其相关数据为基准，逐步用氢气替代天然气。具体而言，逐步替代是通过在每个步骤用相应的氢气量替代10%的天然气能量占比来进行模拟。在模拟过程中，监测了不同的参数，如：电弧炉所需电能、电弧炉废气中CO₂、CO和H₂O的含量、废气温度、包括氢含量在内的钢水成分、电弧炉炉渣成分。此外，还监测了通过PEM电解槽生产氢气所需的电量，并将其添加到电弧炉的电能需求中，以便与不使用氢气的基准情景进行公平比较。另一方面，在这些初步的情景分析中，并未监测废气中的NO_x含量，因为该模型的相关部分仍在改进中，以便更真实地考虑相关现象。NO_x的生成高度依赖于燃烧器类型及其运行条件，以及难以找到不相互冲突的相关文献，这阻碍了其成分的最终确定。不过，通过在GreenHeatEAF项目中进行的专门测试，本研究正在收集有关燃烧器的实际测试数据。

图1、图2和图3展示了与两个不同钢种系列（SF，即相似钢种的组别）相关的两炉钢水的模拟结果，分别是合金表面硬化SF（a图）和碳表面硬化SF（b图）。由于保密限制，结果以相对于基准炉次钢水的归一化值形式进行显示，其对应于单一值。这种表示方式突出了所监测变量的百分比变化。图表中显示了送入电弧炉燃烧器的混合燃料中H₂和NG的摩尔百分比，以及H₂/NG的能量比，以便清晰地展示基于NG能量替代一定量天然气所需的氢气量（每摩尔天然气约需3摩尔的氢气替代）。

图1显示了电弧炉废气中所考虑化合物的变化情况。正如预期，在两个模拟炉次中都观察到了CO₂的减少和H₂O的增加。值得注意的是，在NG含量为20mol%、H₂含量为80mol%（对应约50%的NG能量被替代）的混合燃料中，CO₂ 的减少更为明显。在所有模拟情景中，CO含量基本保持稳定。尽管未在图1中显示，但废气温度仍基本保持稳定。

在模拟情景中，能耗的变化如图2所示。可以观察到，电弧炉电能需求的变化非常小，这可能与模型收敛计算中的微小变化有关。然而，氢气需求的满足情况会影响（电弧炉+PEM电解槽）总能耗，因为在完全替代天然气的情景下，能耗增加了近5%。

在钢水（出钢时及其他工艺阶段）（Fe、C、Mn、Si、P、S、Cr、Ni、Mo、V、Co、Cu、Al、Ti、Pb、Zn等的含量）和电弧炉炉渣的宏观成分中，观察到的变化极小。然而，随着送入电弧炉燃烧器的氢气比例增加，出钢钢水中的氢含量显著增加（尽管仍处于几ppm量级）。如图3所示，在两个模拟炉次中，完全使用氢气会使出钢钢水中的氢含量比基准情况增加超过100%。可能的原因是未反应的氢气或者富含H₂O的空气促使电极处的H₂O分解（尽管这种现象是以简化的方式在模型中模拟的），从而形成了溶解在钢水中的氢。对此方面的深入研究正在进行中。根据先前的结果，对标准VD处理后的钢水氢含量进行了监测，以评估这些工艺是否适合解决这一问题。图3中的曲线表明，所采用的VD工艺能够有效地补偿出钢钢水中增加的氢含量，因为这种氢含量的增加在很大程度上已被VD所抵消，而标准操作方式的有限变化就足以达到基准炉次的氢含量要求。目前正在进行相关工艺改进的测试，例如对VD压力和氩气注入量进行必要的调整。

对于不同钢种系列的其他模拟炉次试验，也得到了类似的结果。

在向低碳钢生产流程进行可持续转型以应对气候变化的过程中，减少对化石燃料的依赖和使用起着至关重要的作用。在电弧炉燃烧器中使用氢气是一个令人关注的解决方案，但其对工艺和产品的影响需要深入研究。为此，本研究对基于废钢的电弧炉路线的流程模型进行了调整和集成，以进行模拟并支持情景分析。用氢气逐步替代天然气的初步结果令人鼓舞，可显著减少电弧炉直接二氧化碳的排放（范围1），但由于需要额外电力生产氢气，总能耗有所增加。通过使用含80mol%H₂和20mol%NG的混合燃料可以实现良好的平衡，此时CO₂减排效果最明显。对于更高的氢气占比，二氧化碳减排量降低，且无法抵消PEM电解槽（即所考虑的制氢技术）相应增加的电力需求。如果电力来自可再生能源，那么受影响的只是成本，否则还会导致范围2的二氧化碳排放增加，从而降低所获得的环境效益。要考虑的一个相关问题是出钢钢水中的氢含量会显著增加，这似乎可通过VD工艺得到适当缓解，但可能需要对标准操作方式进行有限调整，就可达到钢水中氢的基准含量。目前正在对这一问题进行深入研究。

正在进行的模型升级工作重点在于对NOx排放问题进行适当考虑，并利用在GreenHeatEAF项目中进行的实际燃烧器测试的数据。此外，正在进行进一步的情景分析，以更好地理解某些问题并获取更多信息，以便为在电弧炉燃烧器中使用氢气提供最佳实践，解决潜在问题。