Design and Optimization of a Hydrogen Reduction Process for Low-carbon Steel Making Based on Techno-economic and Environmental Analysis

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent decades, the iron and steel industry has faced increasing pressure to decarbonize due to its significant contribution to global energy consumption and greenhouse gas (GHG) emissions. Accordingly, the transition from conventional carbon-intensive processes to eco-friendly low-carbon technologies has become imperative under international climate agreements. Direct reduced iron (DRI) production based on hydrogen direct reduction is a promising technology that utilizes hydrogen as a reducing agent instead of coal, theoretically emitting only water as a by-product. This study proposes a rigorous design and optimization of a hydrogen-based DRI production process utilizing multi-stage fluidized bed reactors (FBRs). A process simulation model was developed using Aspen Plus V14.0, incorporating a kinetic-based reaction model. To ensure the reliability of the simulation, the kinetic parameters were calibrated against industrial experimental data. The validation results demonstrated excellent agreement, with a coefficient of determination (R2) exceeding 0.998 for reactor profiles and a relative error of less than 0.1% for final product properties compared to the experimental values. Based on the verified model, a comprehensive techno-economic and environmental assessment was conducted. The techno-economic assessment results indicated that the unit production cost (UPC) for the green hydrogen scenario was 636.83 $/tDRI, which is approximately 40% higher than that of the gray hydrogen scenario. The cost distribution analysis revealed that raw material costs account for 68% of the total annual cost (TAC), with the cost of green hydrogen alone being the dominant contributor. Conversely, the environmental assessment confirmed the superior sustainability of the process. When coupled with renewable energy-based electricity, the total CO2 equivalent (CO2eq) emissions were reduced by 89% compared to the natural gas-based electricity scenario. Furthermore, the impact of carbon pricing was evaluated, identifying a remarkably low breakeven price of 1.44 $/tCO2 to achieve cost parity with the natural gas-based electricity scenario within the proposed process. To bridge the gap between economic feasibility and environmental sustainability, a multi-objective optimization (MOO) was performed using the Pareto optimality method. The optimization identified optimal operating conditions for the feed hydrogen flow rate and gas recycling ratio. As a result, the optimized process achieved an annual cost savings of 413 k$/yr and an absolute CO2 reduction of 25.8 tonne/yr while maintaining a reduction degree (RD) of over 90%. In conclusion, this study demonstrates that lowering hydrogen production cost and optimizing process operation, alongside effective carbon pricing policies, represent the key potentials for commercializing the hydrogen-based steelmaking process. Such improvements are expected to make substantial contributions to transitioning the steel industry toward a sustainable green steel future.

국문 초록 (Abstract)

최근 수십 년간 철강 산업은 전 세계 에너지 소비와 온실가스 배출에 상당한 기여를 하고 있어 탈탄소화에 대한 압박이 커지고 있다. 이에 따라 국제적인 기후 협약 하에서 기존의 탄소 집약적 공정에서 친환경 저탄소 기술로의 전환은 필수적인 과제가 되었다. 수소 기반 직접 환원 제철 기술은 석탄 대신 수소를 환원제로 사용하여 이론적으로 부산물로 물 만을 배출하는 유망한 기술이다. 본 논문에서는 직접 환원철 (DRI) 생산을 위한 다단 유동층 반응기 (FBR)를 활용하는 수소 환원 공정의 정밀한 설계 및 최적화를 제안하였으며, 이를 위해 상용 공정 모사 소프트웨어인 Aspen Plus V14.0을 사용하여 반응 속도론 기반의 공정 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 시뮬레이션의 신뢰성을 확보하기 위해 실험 데이터를 기반으로 반응 속도 매개변수를 보정하였고, 검증 결과, 각 FBR 반응성에 대한 결정계수 (R2) 가 0.998을 초과하고 최종 생성물 물성에 대한 상대 오차가 0.1% 미만으로 나타나 실험값과 매우 높은 일치도를 보였다. 검증된 모델을 바탕으로 포괄적인 기술-경제성 분석 및 환경성 평가를 수행하였다. 기술-경제적 분석 결과, 그린 수소를 사용하는 시나리오의 단위 생산 비용 (UPC)은 636.83 $/tDRI으로, 그레이 수소 시나리오 대비 약 40% 높게 나타났다. 비용 분포 분석 결과, 원료비가 총 연간 비용 (TAC)의 68%를 차지하였으며, 그 중 그린 수소 비용이 가장 지배적인 요인으로 확인되었다. 반면, 환경성 평가에서는 재생 에너지 기반 전력 시나리오에서 천연가스 기반 전력 시나리오 대비 총 이산화탄소 등가 배출량이 89% 감소하여 우수한 지속가능성을 확인하였다. 또한, 탄소세 영향 분석을 통해 1.44 $/tCO2라는 낮은 탄소 배출권 가격 (ETS)에서 재생에너지 기반 시나리오의 UPC가 기존 천연가스 기반 시나리오 수준까지 개선되어 동등한 경제성을 확보할 수 있음을 입증하였다. 경제적 타당성과 환경적 지속가능성 간의 간극을 좁히기 위해 파레토 기법을 이용한 다목적 최적화 (MOO)를 수행하였다. 최적화를 통해 수소 공급 유량과 가스 재순환 비율에 대한 최적 운전 조건을 도출하였다. 그 결과, 환원율 (RD)을 90% 이상 유지하면서도 제안 공정 대비 연간 413 k$의 비용 절감과 25.8 톤의 CO2 절대 배출량 감축 성과를 거두었다. 결론적으로, 본 연구는 수소 생산 비용의 절감과 공정 운전 최적화와 더불어 효과적인 탄소 가격 정책의 결합이 수소 환원 제철 공정의 상용화를 위한 핵심 잠재력임을 입증하였다. 이러한 기술적, 정책적 전략 개선은 철강 산업을 지속 가능한 그린 철강 시대로 전환하는 데 실질적인 기여를 할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract in Korean i
• Abstract in English iii
• Table of contents iv
• List of figures vi
• List of tables vii
• Nomenclature viii
• 1. Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Iron and steel industry 5
• 2. Literature Review 8
• 2.1. Overview of iron and steelmaking processes 8
• 2.2. Conventional blast furnace route and chemical principles 12
• 2.3. Smelting reduction route 14
• 2.4. Direct reduction route 15
• 3. Methodology16
• 3.1. Process simulation 16
• 3.1.1. Kinetic estimation 18
• 3.1.2. Iron-making section 22
• 3.1.3. Hydrogen recovery section 27
• 3.2. Techno-economic assessment 28
• 3.2.1. Economic assumptions 28
• 3.2.2. Unit production cost (UPC) estimation 30
• 3.3. Environmental assessment 36
• 3.4. Impact of carbon pricing 38
• 3.5. Optimization 39
• 3.5.1. Optimization problem 39
• 3.5.2. Optimization methodology 41
• 3.5.3. Surrogate model development and evaluation 42
• 4. Results and Discussion 44
• 4.1. Process simulation validation 44
• 4.2. Techno-economic assessment results 50
• 4.2.1. Unit production cost (UPC) by hydrogen color 50
• 4.2.2. Total annual cost (TAC) breakdown 52
• 4.3. Environmental assessment results 54
• 4.3.1. Energy consumption 54
• 4.3.2. CO2 equivalent emissions in the NG-based scenario 56
• 4.3.3. CO2 equivalent emissions in the RE-based scenario 59
• 4.4. Impact of carbon pricing results 62
• 4.5. Optimization results 64
• 4.5.1. Data trends and model selection 64
• 4.5.2. Surrogate model development and evaluation results 68
• 4.5.3. Multi-objective optimization (MOO) results 73
• 5. Conclusion75
• 6. Reference 77