一、研究的背景与问题
钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是建设现代化强国的重要支撑，是实现绿色低碳发展的重要领域。“十三五”时期，我国钢铁工业深入推进供给侧结构性改革，化解过剩产能取得显著成效，产业结构更加合理，绿色发展、智能制造、国际合作取得积极进展，有力支撑了经济社会健康发展。近年来，随着“碳达峰、碳中和”政策的提出，党中央、国务院，国家部委陆续印发了《2030年前碳达峰行动方案》、《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》、《关于工业领域碳达峰实施方案》等政策文件，都将钢铁工业作为“碳达峰”政策实施的重点行业。长流程钢企绿色化发展是落实钢铁行业碳达峰实施方案，统筹推进减污降碳协同治理的关键。针对长流程钢企的降碳需求，坚持总量调控和科技创新降碳相结合，坚持源头治理、过程控制和末端治理相结合，统筹推进减污降碳协同治理。加快推进低碳冶炼技术研发应用，推进钢铁与化工产业耦合发展，推进化工与钢铁减污降碳协同治理，促进钢铁行业绿色低碳可持续的高质量发展。
钢化联产是指在生产钢铁产品的同时，利用高炉、转炉、焦炉产生的工业尾气作为资源，提取分离CO、H2气体，进而生产甲醇、甲酸或者乙二醇等碳一化工产品。2021年我国焦炭产量为4.64亿吨，其中钢铁联合焦化企业焦炭产量为1.10亿吨，我国钢铁联合企业具备大规模推广钢化联产的基础条件。钢化联产的核心是把“碳”由燃料转化为原料，由排放固化为产品，实现绿色、低碳、高效发展模式。降碳主要是将钢铁行业产生的焦炉煤气、转炉煤气等载碳能源输送到化工厂，用于制备LNG，甲醇、乙二醇等载碳化工产品，从而实现化工固碳，同时输出富氢气体。富氢气体返回钢铁企业进行高炉富氢冶炼、富氢烧结等，降低高炉、烧结等工序的煤炭消耗，从而实现钢铁、化工耦合协同降碳。
我国煤化工产业非常成熟，钢铁与焦化联合企业多，具备大规模发展钢化联产的基础条件。但钢化联产在国内刚刚起步，钢化联产涉及的煤气精净化、合成催化剂等技术和产品对外依存度高，一些工艺技术原理和核心装备产品尚未攻克，钢化联产协同降碳在国内推进速度慢。目前，钢化联产存在的问题主要有：
1、多源煤气杂质含量复杂，深度精净化难度大
钢铁企业产生的煤气有焦炉煤气、转炉煤气和高炉煤气，这些煤气来源于不同的冶金反应器，煤气中有害杂质种类和含量不同。焦炉煤气中含有CH4、CO2、H2S、多烃、焦油等杂质，转炉煤气中含有CO2、H2、O2、COS、H2S等杂质，不同煤气的精净化工艺选择复杂，难以深度净化，煤气中杂质会影响合成催化剂的使用寿命，催化剂容易失效。此外，转炉煤气中含有微量多金属杂质，难以深度脱除，会影响常规合成催化剂的使用。
2、钢化联产合成转化效率低，催化剂对外依存度高
钢化联产是将钢铁行业副产的载碳、载氢能源（焦炉煤气、转炉煤气等）输送到化工厂，作为化工原料用于制备化工产品（LNG、甲醇、乙二醇等）。化工产品的合成转化效率决定了原料气的利用率和产品的性能，提升合成转化效率可以增加原料气的利用价值。化工合成需要有催化剂，催化剂性能直接影响合成转化效率，目前，国内高性能催化剂主要依赖进口，国产催化剂性能不稳定，耐杂质毒害性能差，寿命短，影响化工合成工艺的连续性和产品质量的稳定性。
3、氢能冶金理论不完善，富氢冶金氢气利用效率低
钢化联产是利用钢铁产业的煤气制备化工产品，同时化工合成会产生富氢尾气，该部分富氢尾气可以循环用于钢铁生产，降低钢铁冶炼能耗。目前，富氢气体可以用于高炉富氢低碳冶炼和富氢烧结。高炉富氢冶炼氢、碳竞争还原机制以及还原产物H2O与CO的耦合反应机理，CO2和H2O与焦炭反应对焦炭高温强度的影响规律还不清晰，富氢冶炼条件下抑制焦炭溶损反应和提高焦炭热强度的方法，富氢冶炼对软熔带调控及多约束条件下极限焦比还需要深入研究。富氢烧结改善烧结矿性能和降碳的机理不明晰，富氢烧结的优化工艺技术参数还需进一步研究。
4、钢化联产能源介质优化匹配及协同运行调控方法缺失
钢化联产不但是利用钢铁生产的副产煤气制备化工产品，实现以化固碳，同时利用钢铁工业的余热蒸汽、水处理等公辅设施与化工产业耦合协同，实现化工工业的低能耗和低排放生产。为了实现煤气资源的最大化利用和钢铁、化工两大产业的耦合协同，需要根据钢铁工业的煤气输出成分、输出量进行化工生产流程设计，研究钢化联产不同生产流程碳、氢元素代谢机制及演化规律，构建物质流与能量流协同运行机制和耦合管控调控方法，形成钢化联产系统各反应器能源-物质优化匹配及高效运行方法。
本项目针对钢化联产与氢能冶金存在的理论和技术问题，以晋南钢铁钢化联产全产业链为研究对象，系统解决了钢化联产和氢能冶金的技术和理论瓶颈问题，建成全球首家30万吨/年乙二醇和15万吨/年LNG钢化联产项目，3座1860m3高炉氢能冶金项目，推动我国钢化联产产业化技术的实施，践行钢化联产以化固碳和氢能冶金协同降碳技术的应用。
二、解决问题的思路与技术方案
针对长流程钢铁企业煤炭消耗量高、吨钢二氧化碳排放量大，煤气利用价值低，传统煤化工产品生产成本高，建设投资大，气-固-液污染物排放量大等问题，提出了钢铁企业钢化联产和氢能冶金协同降碳新技术。该技术主要是将钢铁行业产生的焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气等载碳能源输送到化工厂，经过煤气精净化提纯分离LNG、CO和H2，催化合成甲醇、乙二醇等载碳化工产品，从而实现化工固碳，同时输出富氢气体。富氢气体返回钢铁企业进行高炉富氢低碳冶炼、富氢低碳烧结等，从源头上降低高炉、烧结等工序的煤炭消耗，从而实现钢铁、化工产业耦合协同降碳。钢铁生产和化工生产的动力耗电依靠光伏发电，钢铁企业的氧气依靠光伏发电制氧，化工生产氢气依靠光伏发电制氢补充，钢化联产和氢能冶金协同降碳总体思路如图1所示，焦炉煤气和转炉煤气合成乙二醇工艺流程如图2所示。
图1 钢化联产和氢能冶金协同降碳总体思路
图2 焦炉煤气和转炉煤气合成乙二醇工艺流程
本项目属于钢铁、化工、氢能三大产业多学科交叉技术领域，涉及到环境工程、化工反应工程和冶金工程，最终目的是通过钢化联产和氢能冶金实现钢铁、化工生产耦合协同降碳。本项目是山西晋南钢铁集团提依托自身钢铁、焦化、化工的能源互补优势，率先在全国构建钢化联产和氢能冶金全闭环低碳产业链。利用焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气等载碳能源输送到化工厂，经过煤气精净化提纯分离LNG、CO和H2，催化合成乙二醇载碳化工产品，从而实现“以化固碳”。同时化工提纯氢气过程中输出富氢解析气，富氢解析气返回钢铁企业进行高炉富氢低碳冶炼，从源头上降低高炉工序的煤炭消耗从而实现“以氢代碳”。
项目的主要研究内容有：（1）构建焦炉煤气、转炉煤气氧化偶联法合成乙二醇新技术；（2）形成转炉煤气新型除氧精脱硫及CO提纯技术；（3）开发焦炉煤气净化提纯H2联合制备LNG技术；（4）开发高炉喷吹化工富氢气体低碳冶金技术；（5）形成钢化联产能源介质数字化集成管控技术。
在国家“碳达峰、碳中和”背景下，晋南钢铁集团提前布局、超前谋划，依托自身钢铁、焦化、化工的能源互补优势，率先在全国构建钢化联产和氢能冶金全闭环低碳产业链，利用高炉、转炉和焦炉煤气合成乙二醇、LNG及氢气，不仅减少了污染、降低了碳排放，同时，还将氢气送至高炉使用，实现了“氢冶金”，达到了低碳冶金的目的。
三、主要创新性成果
本项目以钢铁工业“碳达峰、碳中和”目标为引领，统筹推进钢铁与化工减污降碳协同治理，促进钢铁行业绿色低碳可持续的高质量发展，提出了钢化联产“以化固碳”和“以氢代碳”协同降碳技术原理，并首次在国内外建成了钢铁行业焦炉煤气、转炉煤气等载碳能源制备乙二醇等载碳化工产品，实现“以化固碳”，同时输出富氢气体返回钢铁企业进行高炉富氢冶炼、富氢烧结等，降低钢铁工序的煤炭消耗，实现“以氢代碳”。主要创新性成果有：
1、根据焦炉煤气、转炉煤气多源煤气成分特点，结合煤气中CO和H2摩尔比例波动，创新性的提出了采用氧化偶联法生产乙二醇新技术，完成了同一企业的转炉煤气和焦炉煤气作为原料耦合制备乙二醇的集成工艺。构建了针对焦炉煤气、转炉煤气特点的梯级深度除杂，CO、H2分级净化串联式工艺流程，研究了CO合成草酸二甲酯催化反应和草酸二甲酯加氢合成乙二醇反应，形成了利用钢铁副产煤气生产乙二醇高附加值化工产品的利用新途径，实现了“以化固碳”。
2、研发了焦炉煤气、转炉煤气“变温吸附（TSA）+低温水解脱硫+低温转化脱氧”的新型除氧精脱硫及CO提纯技术，并在山西晋南钢铁集团有限公司钢化联产焦炉煤气与转炉煤气联合制备乙二醇项目进行了应用，脱硫后总硫含量＜0.1ppm，氧含量＜30ppm，H2含量＞99.9%，CO含量＞99.9%，达到乙二醇生产对煤气净化成分的要求。
3、自主设计并建成了我国首套1860m3高炉大规模喷吹化工富氢气体工业化应用工程，开发了高炉喷氢“物理自保护+工艺自保护智能联锁+紧急自保护切断”的三重化智能安全控制技术，实现了长期稳定高效喷吹。开展了高炉喷氢冶炼炉况三维数值仿真模拟，形成了高炉喷氢操作优化控制技术，实现了富氢气体高效喷吹，吨铁富氢气体喷吹量达到65m3左右，富氢气体与固体燃料的置换比稳定达到0.49 kg/m3，CO2排放量减少5.6%，实现“以氢代碳”。
4、开发了钢化联产能源介质数字化集成管控技术，以钢铁焦炉煤气、转炉煤气联产乙二醇和液化天然气（LNG）为目标，实现了钢铁产业蒸汽、氮气等能源介质与化工生产的耦合匹配及智能化调度，化工生产废水、废料与钢铁生产的协同处置及利用，实现了钢化联产物料和能量平衡，物质流、能量流协同，全年可以减少CO2排放193万吨，取得了显著的CO2减排效果，达到了产业间耦合降本，协同降碳。
四、应用情况与效果
钢化联产与氢能冶金技术开发成功以后在山西沃能化工科技有限公司进行了工业化生产应用，建成了焦炉煤气和转炉煤气制备30万吨/年乙二醇和15万吨/年LNG钢化联产项目。在晋南钢铁集团开展了高炉富氢低碳炼铁技术工业化应用，建成了3座1860m3高炉氢能冶金项目。
根据钢化联产制备乙二醇生产数据，钢化联产项目年总利润为9.336万元。根据高炉喷吹富氢气体生产数据，2座1860m3高炉年创造经济效益为1.372亿元。钢化联产和氢能冶金协同降碳项目年创造经济效益为10.708亿元，取得了显著的经济效益。根据钢化联产燃料消耗和CO2排放数据，本项目钢化联产和氢能冶金项目实施以后，吨钢铁碳素消耗量为482kg，吨钢CO2排放量为1446kg，吨钢CO2排放量降低420kg，降低了22.51%。晋南钢铁两座1860m3高炉全年产钢量460万吨计算，全年可以减少CO2排放193万吨，取得了显著的CO2减排效果。
图3 钢-焦-化-氢联产智能管控系统
图4 晋南钢铁钢化联产实施效果
图5 晋南钢铁氢能冶金实施效果
钢化联产和氢能冶金项目的实施，不仅取得了很好的经济效益，而且大幅度降低钢铁生产的碳排放，通过钢铁煤气制备化工产品“以化固碳”和化工副产氢气返回钢铁“以氢代碳”两种方式，提高钢铁煤气的利用价值，降低钢铁行业的碳排放。随着我国钢铁企业“双碳”目标的深入推进，钢化联产技术必将在钢铁、焦化联合企业进一步发展，成为钢铁企业实现“碳达峰、碳中和”的重要技术措施，推动我国钢铁化工产业的协同低碳发展。
信息来源：山西晋南钢铁集团有限公司，钢研晟华科技股份有限公司
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