本文探讨了北美一家联合钢铁厂首个H2Gen®示范工厂的调试与运行结果。该项目成功展示了利用高炉煤气通过H2Gen®技术从水中制取氢气的应用。这为钢铁行业提供了一种创新且经济高效的制氢方法，有助于加快高炉炼铁工艺的脱碳进程。本文还介绍了H2Gen®的核心技术，即一种固体氧化物电化学反应器，并阐述了该反应器未来商业化应用的可行路径。
1前言
高炉是一种基于碳的技术，它是钢铁行业中二氧化碳排放（CO2）的主要来源。因此，开发有助于高炉脱碳的技术势在必行。氢气已被认定为高炉炼铁工艺实现脱碳的一种潜在途径。由于氢气是一种非碳基还原剂，它可以在高炉中部分替代碳作为燃料，从而降低排放同时保持高效的炼铁生产。长期来看，要实现高炉大幅减碳，需要大量氢气。但实现高炉脱碳所需规模的氢气生产具有挑战性。传统制氢方法（如蒸汽甲烷重整和电解）存在一些固有的障碍。例如，虽然蒸汽甲烷重整技术成熟，但它通过重整天然气来生产氢气。在全球许多市场，这一工艺的成本高昂，并且会排放大量CO2。另一种传统方法是电解法，它利用电力分解水分子以释放出氢气。但其极高的耗电量使成本效益规模化极具挑战性。尽管存在这些挑战，氢气对于钢铁行业而言仍具有极大的吸引力，因为它是一种实现高炉脱碳的可行途径。 废气利用服务商Utility Global公司发明了一种名为H2Gen®的新工艺，用于制取氢气，尤其适用于高炉炼铁工艺。高炉排放大量高炉煤气（BFG），在钢铁厂内通常被用作低热值的燃料。BFG通常由约20%CO、5%H2、20%CO2，其余为N2及其他微量成分组成。H2Gen®能够利用这种低热值的BFG驱动一个电化学过程，从水中制取纯氢气。与传统制氢技术不同，H2Gen®是一种碳中和工艺，不需要消耗昂贵且难以获取的天然气或电力等能源来制取氢气。H2Gen®的早期开发已经显示出该技术为高炉脱碳提供成本效益途径方面的巨大潜力。在钢铁厂的生产过程中，利用BFG或其他低热值工艺气体生产的氢气可以被注入高炉中以替代焦炭并减少CO2排放，或者也可以用于替代高成本的燃料（并实现钢铁厂周边其他燃烧应用的脱碳）。
2讨论
2.1技术概述 H2Gen®工艺利用两种气体流（此处为BFG和蒸汽）之间的电化学电位差作为驱动力，从水中制取氢气。电化学电位差驱动水煤气转换反应： CO + H2O → H2 + CO2 该转换是在一种混合导电的陶瓷电解质中完成的，该电解质能够有选择性地允许氧离子从阴极流向阳极，同时让电子以相反的方向流动。需要注意的是，这种陶瓷电解质层是密封的。 该工艺需要两个输入条件：一种可氧化的原料煤气，如BFG或者转炉煤气，以及蒸汽。反应在800-900℃温度区间进行。注意，氧化反应是放热过程，它为维持反应器在该温度下运行提供了所需能量。 反应会生成两种气流。第一种是从蒸汽中产出高纯度的氢气。氢气通过密封的电解质层与原料煤气分离，所以不会被污染。携带的水分是唯一杂质，通过冷却和分离就可以轻松去除。产出的第二种气流是富含CO2的气流。在反应过程中，CO被氧化成CO2，可以使排放气体中的CO2浓度升高至30%-60%。这种富含CO2的气体可作为单一捕集点，有助于降低碳捕集成本。 Utility Global公司还开发了另一项关键创新——一种管式陶瓷膜（单元）。这种管式单元结构具有多项优势：①减少连接点处的表面密封，从而减少了泄漏的风险；②能够实现逆向气体流动，即蒸汽与进料气流方向相反地流动），从而最大限度地提高反应电位；③具有良好的可扩展性，数百个单元可以组装成单元组，类似于管壳式热交换器的设计，即蒸汽在单元内部流动，而进料气流在单元外部流动。 2.2现场示范工厂 2019-2022年，Utility Global公司将这项技术从实验室的测试阶段迅速推进到其位于得克萨斯州休斯敦的技术中心的中试工厂运行阶段。 该中试工厂使用天然气作为原料运行了超过2500h。在运行期间，该系统实现了99.7%的正常运行时间（不包括因当地电网停电导致的停机时间）。现场测试表明，多次启停循环均顺利完成，系统在短时间停机后1h内恢复了100%的生产。整个试验过程中，所产生的氢气纯度始终保持着在99%以上。 随着中试工厂成功展示了核心技术，迈向商业化的下一步便是将该技术应用于正在运行的高炉中。2023年，Utility Global公司表示将在北美一家联合钢铁厂设计并建造一个示范工厂。 此次现场示范的主要目标是：①在单一反应器中完成一步反应，从而实现从BFG和水中制取氢气的过程；②在直接与运行中的高炉工艺相结合的情况下，积累系统运行方面的实践经验；③绘制出反应器运行窗口的详细数据图，以供未来商用反应器的设计参考。 2.3系统设计 与中试工厂不同，现场示范工厂的设计需要考虑BFG中存在的各种杂质（如硫、盐、卤化物和水等），这些物质可能影响或损坏反应器单元。该设计并非旨在大幅扩展设计规模。相反，该设计的重点在于展示核心技术，而非优化辅助设施（BOP）的效率。 2.4运行 该工厂的调试工作进行得十分谨慎且周密，目的是确保在进行热试之前，所有安全功能以及辅助设施工序都能正常运行。2023年12月，BFG被引入，该工厂开始运行。工厂以预计的约10kg/d产量生产氢气，氢气的平均纯度约为91%。经过多次调试，工厂累计运行时间超过3000h。 图1所示为氢气产量和纯度数据。从图1中可以看出，在大约第14小时至第35小时之间有一段时期没有氢气生成。这是由于高炉停运导致进料气断供所致。在大约第60小时还出现了一次短暂的产量下降。这也是因为相应的进料气短暂断供所致。这些进料气断供的情况在3000h的运行中多次发生，突显了H2Gen®工艺对进料气条件变化的适应性。如图1所示，断供恢复后，产量和纯度迅速稳定下来。这与蒸汽甲烷重整器等其他制氢技术不同，后者在重启后通常需要达到稳定状态条件和长达48h的时间才能稳定生产。 此外，还需指出的是，根据模拟计算得出的该系统的预期产量在每天9.8-10.2kg的范围内。该系统的实际运行情况也证实与这些模拟预期相符。这证明了Utility Global公司对该反应的设计方案是正确的。 水/煤气转换反应是由CO氧化为CO2驱动的，使得氧离子能通过膜单元膜转移。通过对膜单元阳极一侧氧化反应的研究可以看出，进入反应器阳极一侧的BFG的CO浓度约为20%，CO2浓度约为20%，但在阳极出口处，CO2浓度升到30%-32%，CO浓度降到约8%。这证实了反应如预期的那样进行。 在3000h的运行中，遇到并解决了诸多挑战。但这些问题并非源于核心技术，其运行符合预期。最严重的干扰是由BFG进料气和回流管道中的水造成的，导致压力波动和水冻结。所遇到的问题均为简单的工程问题，可在未来的商业化设计中得到解决。 在运行中多次发生BFG供应中断。这些操作上的干扰促使Utility Global公司研制出一套操作程序，能够在短时间内将反应器切换至热备状态，从而最大程度地减少影响，并保持迅速恢复运行的能力。 对BFG断供事件发生后系统的恢复情况进行研究，结果表明，BFG进料气重新引入反应器后，氢气生产的快速恢复是相当显著的。虽然BFG恢复满流量约需10min，但氢气生产仅滞后2min，并且在12min内就达到了稳定状态的氢气产量。这证实了BFG在中断供应后重新引入时，系统能够在最短时间内迅速恢复稳定的氢气生产能力。值得注意的是，在启动时观察到了一次短暂的高流量氢气激增。原因正在调查。这可能存在进一步提升效率的机会。 2.5关键收获 该项目实现了首次在单一反应步骤中利用BFG生产氢气，为联合钢铁厂开创了一条用于生产氢气的新技术路径，该氢气可用于降低高炉和炼钢过程中的碳排放。 示范工厂：①总生产时长超过3000h，期间包括多次启动和停止操作；②实现了超过1000h的连续运行时间，证明了其稳定持续的运行状态；③经证实，其具有很强的适应性，能够应对各种变化的运行条件，包括BFG成分、压力和流量变化；④证明了BFG供应中断后可在15min内恢复稳定运行状态的能力；⑤根据运行数据对氢气生成率的模型结果进行了验证。 该示范工厂还使Utility Global公司能测试各种运行参数带来的影响，这有助于加深对核心技术反应过程的理解，并为最终商业反应器设计提供参考依据。此外，还对辅助设施进行了改进，以应对可能出现的环境和进料气条件变化，这些改进将为未来的设计和项目开发提供指导。 2.6下一步计划 随着示范项目成功完成，Utility Global公司正在快速推进用于商业制氢设施的技术研发。商业反应器将采用相同的核心单元技术，但会大幅提高系统的产能。首批设施预计将于2027年开始在企业现场部署。Utility Global公司的目标是通过将BFG转化为氢气来支持钢铁行业的脱碳发展，该氢气可用于高炉以及钢铁厂内部及周边的其他高价值应用领域。
3结论
Utility Global公司在北美一家联合钢铁厂中成功展示了H2Gen®工厂，利用BFG从水中制取纯氢气。本文介绍了示范项目的成果以及Utility Global公司专有的H2Gen®技术细节。与其他示范项目一样，也遇到一些操作上的挑战并得以解决。主要成果包括：①引入BFG后，氢气生产几乎立即开始；②展示了系统卓越的响应能力和高炉负荷跟踪能力；③实现了约10kg/d的氢气产量，纯度达91%；④累计运行时间超过3000h，进行了多次启停；⑤研发出系统快速重启和热备模式的精细操作流程；⑥关键的实践收获促进了在水分离、杂质去除、温度控制和气流分布设计等方面的改进。
