一场由“碳冶金”迈向“氢冶金”的颠覆性变革-全球首例120万吨氢冶金工程示范项目炼成记

近日，由中冶京诚总体设计的河钢张宣科技氢能源开发和利用工程示范项目经过安全、顺利、连续生产，产品高纯直接还原铁金属化率已稳定在94%以上，各项指标达到国际一类标准，标志着全球首例120万吨氢冶金工程示范项目一期工程圆满成功，也标志着我国钢铁行业由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”的转变迈出颠覆性、示范性、关键性步伐，开启了钢铁行业绿色、低碳、智能化发展新纪元。

从2021年5月10日开工建设，到2022年12月16日全线建成投产，这项由河钢集团与意大利特诺恩（TENOVA）联手中冶京诚共同研发和建设的全球首例120万吨氢冶金工程示范项目一期工程，在河钢集团张宣科技建成投产，为世界氢能综合利用解锁了新应用场景。该工程在全球首次采用了以焦炉煤气为还原气体的高压竖炉零重整氢冶金技术，工艺气体中氢碳比高达8∶1以上，产品——绿色高纯直接还原铁金属化率达到94%以上，达到国际一类标准；比同等高炉长流程生产每年减少二氧化碳排放达80万吨，减排比例达到70%。中国钢铁工业协会在给其的贺信中指出，这是氢冶金核心关键技术创新的重大突破，是中国钢铁史乃至世界钢铁史上由传统“碳冶金”向新型“氢冶金”转变的重要里程碑，引领钢铁行业迈入“以氢代煤”冶炼“绿钢”的时代。

走近全球首例120万吨氢冶金工程示范项目，可以看到在其背后，是重构用能体系的突破桎梏，是勇闯创新无人区的责任担当，是智能化建设先行的集智聚力。

重构用能体系——

打破钢铁碳减排的天花板

近年来，气候变化成为全球持续关注的焦点，各国都致力于推进碳减排行动。作为被重点关注的碳排放大户，传统钢铁行业面临着越来越严峻的碳减排任务。传统钢铁生产的能量载体主要来源于碳元素，所以钢铁工业的气体排放物主要是碳氧化物。从全球范围看，2022年，全球钢铁工业碳排放量约为28亿吨，占全球能源系统排放量的8%左右，中国钢铁工业碳排放量贡献了全球钢铁碳排放总量的60%以上，占全国碳排放总量的15%左右，是我国制造业领域中碳排放量最多的行业。可见，钢铁行业的碳减排任务十分艰巨，推进钢铁工业降碳是我国“双碳”目标实现的重点关注领域。而经过多年发展的我国钢铁工业的生产技术已经达到世界一流水平，以提高碳素能源利用效率为核心的节能降碳空间已趋于微小，意味着通过传统工艺技术创新促使高炉长流程生产大幅度降碳已几乎触碰到了天花板。

2023年5月17日，欧盟碳边境调节机制（CBAM）正式生效，意味着钢铁、水泥等多个行业将被征收“碳税”。根据预测，我国钢铁行业出口成本或增加4%~6%，粗算为2亿~4亿美元。同时，钢铁下游行业也越来越关注钢材产品的碳排放量，如奔驰、宝马等汽车企业已经要求钢铁供应商提供汽车板产品的生命周期评价报告，并提出“绿钢”要求。这意味着，如果不能尽快降低钢铁工业的碳排放量，不仅将会通过“碳成本提升”直接影响钢铁产品的国际竞争力，还会通过“碳足迹”影响下游制造业和建筑业的绿色发展。因此，钢铁生产要实现突破性碳减排，必须要从能源这个源头入手。重构钢铁生产用能体系，这个不破不立的新理念，为打破冶金低碳减排的天花板指明了新方向。

近年来，氢能作为一种绿色、清洁、高效的二次能源正在加速发展。如果钢铁生产实现“以氢代碳”的能源转换，将从源头上大幅降低碳排放，甚至可以实现钢铁生产的“净零碳”排放。冶金还原反应原理反映出，氢气是一种很好的高效还原剂。氢气扩散速度约为一氧化碳的4倍，其还原产物水的扩散速度约为二氧化碳的1.5倍，所以氢气能够比一氧化碳更快地通过矿石细微的孔隙达到反应界面，还原后生成的水蒸气也比二氧化碳扩散得快。氢气不但本身具有还原作用，而且对一氧化碳还原具有催化作用。可见，氢还原比碳还原的效率更高，且氢气还原产物是水，没有温室气体产生。钢铁生产如果使用“氢还原”替代“碳还原”，既可以省去烧结、炼焦等重污染工序，其产品——直接还原铁又能补充我国废钢资源不足，为高质量钢材提供优质纯净铁，是电炉生产高端优质钢和特种钢的纯净原料，进而提高我国高端绿色低碳钢铁产品的国际竞争力。

勇闯创新无人区——

引领世界钢铁工业绿色发展的颠覆性变革

为了有力抓住重构钢铁生产用能体系的发展机遇，中冶京诚携手河钢集团着手探索将氢能用于钢铁冶金生产流程。但发展氢能冶金，必须解决两个前提。

一是必须有丰富且廉价的氢气资源。氢能是一种二次能源，不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采，必须通过一定的方法利用其它能源制取。由于资源和能源禀赋，目前我国主要通过化石燃料制氢，主要在化工领域应用。作为钢铁联合企业来说，焦化工序不仅可以为高炉提供优质的焦炭，而且其副产品——焦炉煤气含有60%左右的氢气。对氢冶金来说，焦炉煤气无论是从供应规模，还是经济性上都能很好地满足气源需求。不过，这是根据现有资源和能源禀赋采用焦炉煤气制氢，只是过渡。张宣科技120万吨氢冶金工程示范项目一期工程为未来实现100%绿氢竖炉直接还原打下了基础。未来，随着分布式能源发电及核电行业发展，制氢技术将快速进步，相关机构预测在2025年~2030年，大规模廉价的氢气将大量应用于全社会，为未来氢冶金发展提供稳定的气源供给。

二是必须开发一整套流程和设备作为工艺载体。近代钢铁工业已经发展得相当成熟，目前国内外成熟的工艺主要包括高炉、熔融还原、煤基和气基直接还原等，其中高炉工艺主要使用以焦炭和煤为主的碳热还原体系，熔融还原和煤基直接还原工艺虽然可以没有焦化和烧结等工序，但仍然是以煤炭为能源的碳冶金。这些工艺即使可以实现局部富氢喷吹，但从本质上无法改变碳冶金的属性。成熟的气基直接还原工艺主要集中在北非和中东地区，采用天然气为气源，天然气经重整后得到氢气和一氧化碳的混合气体进行还原炼铁，从原理角度是最接近氢冶金理念的。因此，要实现“以氢代碳”的能源重构，选择气基直接还原为工艺载体符合氢冶金工艺的创新需求。

在解决了气源和确定了工艺流程后，2019年11月22日，“关于河钢集团与意大利特诺恩（TENOVA）联手中冶京诚共同研发和建设全球首例120万吨规模的氢冶金示范工程”的重大事件进行了首次公开发布，并确定河钢集团全球首套氢冶金项目旨在采用焦炉煤气“自重整”制氢，生产绿色高品质的直接还原铁。其基本路线为：从分布式绿色能源、低成本制氢、焦炉煤气净化、氢冶金、成品输送、二氧化碳脱除等全流程进行创新研发，探索一条世界钢铁工业发展低碳，甚至“零碳”经济的最佳途径，从改变能源供给结构入手，彻底解决钢铁冶金过程中产生的环境污染和碳排放问题，引领钢铁冶炼工艺的绿色、低碳变革。

以智慧驱动生产——

推动氢冶金工程

全面实现绿色智造和智造绿色

今天，河钢集团在现有设计成果的基础上，基于数字孪生技术，正在建立氢冶金智能控制系统数字模型，将产线“克隆”到云端，打造新一代智能管控模式，树立全生命周期运营管控新理念。

其实，在该项目建设之初，中冶京诚与河钢集团就为全厂设计注入了数字化基因，依托氢冶金的编码体系，结合中冶京诚BIM（建筑信息模型）设计经验打造钢厂的数字孪生体。目前，中冶京诚与河钢集团正努力构建国内首套氢冶金全生命周期数据编码体系，为实现工厂级、车间级、设备级数字孪生的全面应用奠定基础。该项目以“一张蓝图管到底”为基本思想，实现氢冶金全产线从设计、建设到运行的全生命周期智能化管理，形成全业务系统多源数据融合应用方案，且数出同源，为全厂生产、质量、能源、环保、安全、设备的管控提供统一平台，实现一体化管控。该项目的主要思路是以自动化、信息化、智能化、数字化为指导路径，以数字孪生成熟度模型为评价标准，构建全球首例氢冶金智能应用，实现涵盖全工艺流程、全生命周期、全业务系统的智慧化管理。

一是以设计为先导，以虚仿实。依托中冶京诚BIM设计成果，结合数字孪生技术，为企业搭建集工程设计和设备设计于一体的数字化协同设计平台，并对整个产线进行模拟和仿真，为氢冶金提供安全高效的数字化解决方案。

二是以交付为根基，以虚映实。搭建氢冶金工程数据中心，汇聚设计、采购、施工全过程信息，构建以“对象”为核心的“网状”数据结构，打造企业资产数据库，实现工程建造全生命周期信息（如设计、采购、制造、施工、安装和调试）的集中存储，节省设计、施工全过程时间，提高建设效率。

三是以智控为血脉，以虚控实。建设了基于艾默生公司DeltaV系统的DCS（分散控制系统）及SIS（安全仪表系统）系统，实现产线的自动化运行，并为产线稳定运行筑起了一道安全屏障；建立了加热炉、换热器、预热器、冷却和清洁、压缩机、燃烧、冷却塔、竖炉、外部冷却器等全套数字模型，通过实时数据和模型计算，实现智能化控制，助力企业打造无人化、少人化生产场景。

四是以数据为大脑，以虚预实。打造钢企信息化架构，建设了ERP（企业资源计划）系统、产销系统、实时数据采购系统、设备管理系统等，全面融合生产、质量、能源、环保、安全、设备数据，结合大数据分析和人工智能技术，实现精准智慧决策，向着以虚预实的方向不断前进。

“氢”启绿色，“智”联世界，“能”创未来。中冶京诚与河钢集团将进一步助力氢冶金工程向着虚实共生的绿色智能化方向不断前进，将河钢集团张宣科技打造成为世界一流的绿色、低碳、智能的氢冶金短流程示范企业，并以国家冶金技术进步为己任，不断深耕氢能与钢铁的融合创新，驱动形成新的钢铁生态产业链条，为钢铁行业转变能源结构、实现工艺革命提供全新路径和创造全新场景，走出一条具有中国绿色智造特色的可持续、高质量发展道路。

作者 | 赵志龙 杨永强 王东 李全钢 贡金鹏