全球能源系统正在迅速向低碳路径转型，以应对气候变化和实现碳中和目标(1),(2)。由于氢在能源储存、运输和工业脱碳方面的独特作用，它被视为实现可持续发展的关键载体(3),(4)。目前，超过90%的氢是通过天然气重整和煤气化生产的。尽管这些技术已经成熟且成本效益较高，但它们的过程会产生大量碳排放，因此无法满足严格的减排要求(5)。因此，绿色氢生产途径的进步已成为学术研究和工业应用的重点(6),(7)。
在各种水电解技术中，固体氧化物电解电池（SOEC）因其高温运行特性而具有明显优势(8)。与碱性水电解（AWE）和质子交换膜电解（PEM）相比，SOEC可以在更高的温度（600–1000°C）下运行，从而实现更高的能源效率(9)。此外，SOEC具有与可再生能源和工业废热深度整合的潜力，从而减少外部加热需求并提高整体系统效率(7)。近年来，SOEC在耐用性、堆栈规模和运行稳定性方面取得了显著进展，越来越显示出从实验室研究向工业应用过渡的可行性(9)。
同时，工业过程中的副产品蒸汽和废热为与SOEC的耦合提供了自然机会(10)。先前的研究表明，合理利用工业废热可以大幅降低能源消耗并提高经济性能(11)。Schwarze等人(12)报告了GrInHy2.0项目的结果，展示了在工业环境中使用SOEC生产氢气的情况，并分析了用于合成气生成的高温共电解系统。Wu等人(13)提出了一种集成工业废热的SOEC方案，使系统效率超过93%，而Wang等人(14)利用柴油发动机废热驱动SOEC，实现了85.2%的电效率。Toklu等人(15)也指出，利用工业废热可以减少20–30%的能源消耗。从经济角度来看，Jang等人(16)表明，将SOEC与废热源耦合可以将氢气的平准化成本（LCOH）降低到7.16美元/千克H2，Liu等人(17)预测，在未来大规模应用、热集成和电网优化的条件下，绿色氢的成本可能降至1.4美元/千克H2。
在工业应用层面，绿色氢被认为是钢铁行业深度脱碳的关键途径(10)。Fan等人(18)指出，钢铁生产占全球碳排放的约6%，而基于氢的直接还原铁（H2-DRI）工艺相比传统的高炉-碱性氧气炉（BF-BOF）路线可以大幅减少排放。Pastore等人(11)展示了光伏-废热驱动的SOEC氢生产系统在工业燃烧应用中的可行性，强调了其在减少CO2和优化成本方面的双重潜力。
至关重要的是，钢铁冶金行业不仅是SOEC的潜在最终用户；相反，它可以与SOEC建立一个高度匹配的质量-能量耦合系统。炼钢过程自然会产生大量高温副产品蒸汽，从而显著减少SOEC运行所需的电能输入。同时，与传统化学过程（例如CTEG）不同，后者主要利用氢来平衡元素比例，钢铁行业对SOEC的两种产品都有显著的内部需求：氢可以用作冶金过程中的还原剂，而纯氧则是碱性氧气炉和高炉富氧操作的关键原料。
尽管现有研究表明工业废热耦合可以有效降低SOEC系统的能源消耗，但从系统层面实现多产品协同价值的转化的研究仍然不足。当前的最先进工作主要集中在使用数据驱动算法进行组件级性能优化(19)，或针对具有单向氢需求的化学过程（例如煤制化学品合成）进行系统集成(20)。相比之下，关于纯氧资源利用及其在复杂协同系统中的整体经济可行性的系统评估仍然缺乏。特别是在像钢铁冶金这样的能源密集型和难以减排的行业中，简单地将电解产生的氧气视为排放副产品，而不是可以直接回收到工艺流中的高价值资源，会大大降低系统的整体经济潜力。
基于这种独特的供需协同关系，并考虑到钢铁冶金行业对低成本脱碳的迫切需求，本研究提出并全面分析了一个高度集成的SOEC系统。开发了一个严格的Aspen Plus-MATLAB联合仿真框架，以准确捕捉从电池级电化学动力学到宏观系统级热管理的跨尺度相互作用，从而解决严格的热力学、质量和能量平衡问题。本研究的独特贡献有三个方面：
系统配置基准测试：建立严格的热力学基线，系统地将传统的液态水电解（SOEC-L-Air）和蒸汽电解（SOEC-V-Air）与本研究提出的新配置——高温蒸汽电解加纯氧吹扫（SOEC-V-O2）进行比较。
协同整合的经济价值化：结合参数优化和敏感性分析，系统评估三种配置的经济性能，定量揭示氧气联产对氢气平准化成本（LCOH）的显著影响。
政策驱动的应用分析：评估将这种联产系统直接整合到基于氢的冶金过程（H2-DRI和BF-BOF）中的经济可行性和CO2减排潜力，在不同的碳税情景下。
