近日，由中冶京誠總體設(shè)計的河鋼張宣科技氫能源開發(fā)和利用工程示范項目經(jīng)過安全、順利、連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品高純直接還原鐵金屬化率已穩(wěn)定在94%以上，各項指標(biāo)達到國際一類標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著全球首例120萬噸氫冶金工程示范項目一期工程圓滿成功，也標(biāo)志著我國鋼鐵行業(yè)由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”的轉(zhuǎn)變邁出顛覆性、示范性、關(guān)鍵性步伐，開啟了鋼鐵行業(yè)綠色、低碳、智能化發(fā)展新紀(jì)元。

　　從2021年5月10日開工建設(shè)，到2022年12月16日全線建成投產(chǎn)，這項由河鋼集團與意大利特諾恩（TENOVA）聯(lián)手中冶京誠共同研發(fā)和建設(shè)的全球首例120萬噸氫冶金工程示范項目一期工程，在河鋼集團張宣科技建成投產(chǎn)，為世界氫能綜合利用解鎖了新應(yīng)用場景。該工程在全球首次采用了以焦?fàn)t煤氣為還原氣體的高壓豎爐零重整氫冶金技術(shù)，工藝氣體中氫碳比高達8∶1以上，產(chǎn)品——綠色高純直接還原鐵金屬化率達到94%以上，達到國際一類標(biāo)準(zhǔn)；比同等高爐長流程生產(chǎn)每年減少二氧化碳排放達80萬噸，減排比例達到70%。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會在給其的賀信中指出，這是氫冶金核心關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新的重大突破，是中國鋼鐵史乃至世界鋼鐵史上由傳統(tǒng)“碳冶金”向新型“氫冶金”轉(zhuǎn)變的重要里程碑，引領(lǐng)鋼鐵行業(yè)邁入“以氫代煤”冶煉“綠鋼”的時代。

　　走近全球首例120萬噸氫冶金工程示范項目，可以看到在其背后，是重構(gòu)用能體系的突破桎梏，是勇闖創(chuàng)新無人區(qū)的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，是智能化建設(shè)先行的集智聚力。

　　近年來，氣候變化成為全球持續(xù)關(guān)注的焦點，各國都致力于推進碳減排行動。作為被重點關(guān)注的碳排放大戶，傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)面臨著越來越嚴(yán)峻的碳減排任務(wù)。傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)的能量載體主要來源于碳元素，所以鋼鐵工業(yè)的氣體排放物主要是碳氧化物。從全球范圍看，2022年，全球鋼鐵工業(yè)碳排放量約為28億噸，占全球能源系統(tǒng)排放量的8%左右，中國鋼鐵工業(yè)碳排放量貢獻了全球鋼鐵碳排放總量的60%以上，占全國碳排放總量的15%左右，是我國制造業(yè)領(lǐng)域中碳排放量最多的行業(yè)。可見，鋼鐵行業(yè)的碳減排任務(wù)十分艱巨，推進鋼鐵工業(yè)降碳是我國“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的重點關(guān)注領(lǐng)域。而經(jīng)過多年發(fā)展的我國鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達到世界一流水平，以提高碳素能源利用效率為核心的節(jié)能降碳空間已趨于微小，意味著通過傳統(tǒng)工藝技術(shù)創(chuàng)新促使高爐長流程生產(chǎn)大幅度降碳已幾乎觸碰到了天花板。

　　2023年5月17日，歐盟碳邊境調(diào)節(jié)機制（CBAM）正式生效，意味著鋼鐵、水泥等多個行業(yè)將被征收“碳稅”。根據(jù)預(yù)測，我國鋼鐵行業(yè)出口成本或增加4%~6%，粗算為2億~4億美元。同時，鋼鐵下游行業(yè)也越來越關(guān)注鋼材產(chǎn)品的碳排放量，如奔馳、寶馬等汽車企業(yè)已經(jīng)要求鋼鐵供應(yīng)商提供汽車板產(chǎn)品的生命周期評價報告，并提出“綠鋼”要求。這意味著，如果不能盡快降低鋼鐵工業(yè)的碳排放量，不僅將會通過“碳成本提升”直接影響鋼鐵產(chǎn)品的國際競爭力，還會通過“碳足跡”影響下游制造業(yè)和建筑業(yè)的綠色發(fā)展。因此，鋼鐵生產(chǎn)要實現(xiàn)突破性碳減排，必須要從能源這個源頭入手。重構(gòu)鋼鐵生產(chǎn)用能體系，這個不破不立的新理念，為打破冶金低碳減排的天花板指明了新方向。

　　近年來，氫能作為一種綠色、清潔、高效的二次能源正在加速發(fā)展。如果鋼鐵生產(chǎn)實現(xiàn)“以氫代碳”的能源轉(zhuǎn)換，將從源頭上大幅降低碳排放，甚至可以實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的“凈零碳”排放。冶金還原反應(yīng)原理反映出，氫氣是一種很好的高效還原劑。氫氣擴散速度約為一氧化碳的4倍，其還原產(chǎn)物水的擴散速度約為二氧化碳的1.5倍，所以氫氣能夠比一氧化碳更快地通過礦石細微的孔隙達到反應(yīng)界面，還原后生成的水蒸氣也比二氧化碳擴散得快。氫氣不但本身具有還原作用，而且對一氧化碳還原具有催化作用。可見，氫還原比碳還原的效率更高，且氫氣還原產(chǎn)物是水，沒有溫室氣體產(chǎn)生。鋼鐵生產(chǎn)如果使用“氫還原”替代“碳還原”，既可以省去燒結(jié)、煉焦等重污染工序，其產(chǎn)品——直接還原鐵又能補充我國廢鋼資源不足，為高質(zhì)量鋼材提供優(yōu)質(zhì)純凈鐵，是電爐生產(chǎn)高端優(yōu)質(zhì)鋼和特種鋼的純凈原料，進而提高我國高端綠色低碳鋼鐵產(chǎn)品的國際競爭力。

　　為了有力抓住重構(gòu)鋼鐵生產(chǎn)用能體系的發(fā)展機遇，中冶京誠攜手河鋼集團著手探索將氫能用于鋼鐵冶金生產(chǎn)流程。但發(fā)展氫能冶金，必須解決兩個前提。

　　一是必須有豐富且廉價的氫氣資源。氫能是一種二次能源，不像煤、石油和天然氣等可以直接從地下開采，必須通過一定的方法利用其它能源制取。由于資源和能源稟賦，目前我國主要通過化石燃料制氫，主要在化工領(lǐng)域應(yīng)用。作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)來說，焦化工序不僅可以為高爐提供優(yōu)質(zhì)的焦炭，而且其副產(chǎn)品——焦?fàn)t煤氣含有60%左右的氫氣。對氫冶金來說，焦?fàn)t煤氣無論是從供應(yīng)規(guī)模，還是經(jīng)濟性上都能很好地滿足氣源需求。不過，這是根據(jù)現(xiàn)有資源和能源稟賦采用焦?fàn)t煤氣制氫，只是過渡。張宣科技120萬噸氫冶金工程示范項目一期工程為未來實現(xiàn)100%綠氫豎爐直接還原打下了基礎(chǔ)。未來，隨著分布式能源發(fā)電及核電行業(yè)發(fā)展，制氫技術(shù)將快速進步，相關(guān)機構(gòu)預(yù)測在2025年~2030年，大規(guī)模廉價的氫氣將大量應(yīng)用于全社會，為未來氫冶金發(fā)展提供穩(wěn)定的氣源供給。

　　二是必須開發(fā)一整套流程和設(shè)備作為工藝載體。近代鋼鐵工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，目前國內(nèi)外成熟的工藝主要包括高爐、熔融還原、煤基和氣基直接還原等，其中高爐工藝主要使用以焦炭和煤為主的碳熱還原體系，熔融還原和煤基直接還原工藝雖然可以沒有焦化和燒結(jié)等工序，但仍然是以煤炭為能源的碳冶金。這些工藝即使可以實現(xiàn)局部富氫噴吹，但從本質(zhì)上無法改變碳冶金的屬性。成熟的氣基直接還原工藝主要集中在北非和中東地區(qū)，采用天然氣為氣源，天然氣經(jīng)重整后得到氫氣和一氧化碳的混合氣體進行還原煉鐵，從原理角度是最接近氫冶金理念的。因此，要實現(xiàn)“以氫代碳”的能源重構(gòu)，選擇氣基直接還原為工藝載體符合氫冶金工藝的創(chuàng)新需求。

　　在解決了氣源和確定了工藝流程后，2019年11月22日，“關(guān)于河鋼集團與意大利特諾恩（TENOVA）聯(lián)手中冶京誠共同研發(fā)和建設(shè)全球首例120萬噸規(guī)模的氫冶金示范工程”的重大事件進行了首次公開發(fā)布，并確定河鋼集團全球首套氫冶金項目旨在采用焦?fàn)t煤氣“自重整”制氫，生產(chǎn)綠色高品質(zhì)的直接還原鐵。其基本路線為：從分布式綠色能源、低成本制氫、焦?fàn)t煤氣凈化、氫冶金、成品輸送、二氧化碳脫除等全流程進行創(chuàng)新研發(fā)，探索一條世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳，甚至“零碳”經(jīng)濟的最佳途徑，從改變能源供給結(jié)構(gòu)入手，徹底解決鋼鐵冶金過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染和碳排放問題，引領(lǐng)鋼鐵冶煉工藝的綠色、低碳變革。

　　今天，河鋼集團在現(xiàn)有設(shè)計成果的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生技術(shù)，正在建立氫冶金智能控制系統(tǒng)數(shù)字模型，將產(chǎn)線“克隆”到云端，打造新一代智能管控模式，樹立全生命周期運營管控新理念。

　　其實，在該項目建設(shè)之初，中冶京誠與河鋼集團就為全廠設(shè)計注入了數(shù)字化基因，依托氫冶金的編碼體系，結(jié)合中冶京誠BIM（建筑信息模型）設(shè)計經(jīng)驗打造鋼廠的數(shù)字孿生體。目前，中冶京誠與河鋼集團正努力構(gòu)建國內(nèi)首套氫冶金全生命周期數(shù)據(jù)編碼體系，為實現(xiàn)工廠級、車間級、設(shè)備級數(shù)字孿生的全面應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該項目以“一張藍圖管到底”為基本思想，實現(xiàn)氫冶金全產(chǎn)線從設(shè)計、建設(shè)到運行的全生命周期智能化管理，形成全業(yè)務(wù)系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用方案，且數(shù)出同源，為全廠生產(chǎn)、質(zhì)量、能源、環(huán)保、安全、設(shè)備的管控提供統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)一體化管控。該項目的主要思路是以自動化、信息化、智能化、數(shù)字化為指導(dǎo)路徑，以數(shù)字孿生成熟度模型為評價標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建全球首例氫冶金智能應(yīng)用，實現(xiàn)涵蓋全工藝流程、全生命周期、全業(yè)務(wù)系統(tǒng)的智慧化管理。

　　一是以設(shè)計為先導(dǎo)，以虛仿實。依托中冶京誠BIM設(shè)計成果，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，為企業(yè)搭建集工程設(shè)計和設(shè)備設(shè)計于一體的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺，并對整個產(chǎn)線進行模擬和仿真，為氫冶金提供安全高效的數(shù)字化解決方案。

　　二是以交付為根基，以虛映實。搭建氫冶金工程數(shù)據(jù)中心，匯聚設(shè)計、采購、施工全過程信息，構(gòu)建以“對象”為核心的“網(wǎng)狀”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，打造企業(yè)資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)工程建造全生命周期信息（如設(shè)計、采購、制造、施工、安裝和調(diào)試）的集中存儲，節(jié)省設(shè)計、施工全過程時間，提高建設(shè)效率。

　　三是以智控為血脈，以虛控實。建設(shè)了基于艾默生公司DeltaV系統(tǒng)的DCS（分散控制系統(tǒng)）及SIS（安全儀表系統(tǒng)）系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)線的自動化運行，并為產(chǎn)線穩(wěn)定運行筑起了一道安全屏障；建立了加熱爐、換熱器、預(yù)熱器、冷卻和清潔、壓縮機、燃燒、冷卻塔、豎爐、外部冷卻器等全套數(shù)字模型，通過實時數(shù)據(jù)和模型計算，實現(xiàn)智能化控制，助力企業(yè)打造無人化、少人化生產(chǎn)場景。

　　四是以數(shù)據(jù)為大腦，以虛預(yù)實。打造鋼企信息化架構(gòu)，建設(shè)了ERP（企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)、產(chǎn)銷系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)采購系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)等，全面融合生產(chǎn)、質(zhì)量、能源、環(huán)保、安全、設(shè)備數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)智慧決策，向著以虛預(yù)實的方向不斷前進。

　　“氫”啟綠色，“智”聯(lián)世界，“能”創(chuàng)未來。中冶京誠與河鋼集團將進一步助力氫冶金工程向著虛實共生的綠色智能化方向不斷前進，將河鋼集團張宣科技打造成為世界一流的綠色、低碳、智能的氫冶金短流程示范企業(yè)，并以國家冶金技術(shù)進步為己任，不斷深耕氫能與鋼鐵的融合創(chuàng)新，驅(qū)動形成新的鋼鐵生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈條，為鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)工藝革命提供全新路徑和創(chuàng)造全新場景，走出一條具有中國綠色智造特色的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展道路。（趙志龍 楊永強 王東 李全鋼 貢金鵬）