清潔能源冶金及制氫實驗

供稿|李士琦，季淑娟 / LI Shi-qi, JI Shu-juan

內容導讀

清潔能源冶金區別于傳統冶金，是完全使用清潔能源的冶金技術，不涉及任何石化能源，包括常規電力，是超低環境負荷的高端綠色環保制造技術。北京科技大學的研究團隊進行了一系列的實驗研究：太陽能光伏發電冶金探索實驗、風-光耦合發電冶金實驗和拓展實驗研究。2005年12月，建成獨立的太陽能光伏冶金實驗系統，進行直流有襯電渣爐重熔實驗，獲得一枚小鋼錠，質量125 g；之后，擴建成獨立的風-光互補發電系統，進行了 “連續生產”模擬實驗、以及水溶液電解制鐵、水溶液電解制銅實驗；進行了電解水制氫實驗。文章指出，可以預見依托分布式的清潔能源局網、依托當地的廢鋼資源、建設新能源小鋼廠，形成區域性的“鋼”循環經濟；利用廢棄的清潔能源制氫、發展“氫經濟”的未來可期。

北京科技大學的科研團隊在2005—2014年的近10年間進行了一系列的清潔能源冶金實驗研究，大致包括三個階段：太陽能光伏發電冶金探索實驗、風-光耦合發電冶金實驗、清潔能源冶金拓展實驗。

太陽能光伏發電冶金探索實驗

21世紀以來，中國鋼鐵產量高速增長，穩居世界第一，為國家的經濟發展、人民生活水平提高、國防建設提供了堅實的基礎[1]，另一方面也消耗了大量的資源和能源，給環境帶來了巨大的壓力。為此，北京科技大學清潔能源冶金科研團隊提出了進行清潔能源冶金實驗的設想——不依賴現有的電網電力、用獨立的清潔能源進行煉鋼[2]：首先，進行系統設計，確定清潔能源冶金實驗系統，整個系統按冶金單元特征整合。

冶金單元

根據多年電冶金研究的理論和經驗，確定冶金單元為單相直流有襯電渣爐，自耗電極用圓鋼，爐容量1.0 kg。

確定電參數

選取工作電壓為24 V，供電方式為直流、負極性，爐子底部采用導電的石墨材料，電路中串接簡單的電抗。

儲能單元容量

根據爐容量為1.0 kg，確定太陽能發電能力和蓄電單元容量為1.3 kWh。

太陽能煉鋼實驗

太陽能煉鋼實驗裝置安裝在北京科技大學冶金與生態工程學院(北京市海淀區)，于2005年12月20日建成、發電、蓄電，于冬至日12月25號進行煉鋼熱試[2]。北京的冬至日光照時間最短，寒風凜冽，氣溫很低，是考驗單獨依靠太陽能能否獲得煉鋼高溫的最嚴酷時刻。煉鋼實驗過程通電40 min，獲得液體鋼水約 125 g，標志著太陽能煉鋼實驗獲得初步成功。具體熔煉參數及見表1。太陽能煉鋼實驗過程的實物照片見圖1。

表1 高溫熔煉實驗參數

風-光耦合發電和模擬“煉鋼生產”實驗

風-光耦合發電系統

在探索實驗獲得初步成功的基礎上，將發電單元升級，在原來的光伏發電系統的蓄電單元上并聯一臺風力發電機，構成風-光耦合發電系統，具體技術參數見表2。風-光耦合發電系統白天在太陽光照耀、光伏單元發電，夜晚晚風勁吹、風力發電，構成24 h不間斷風-光耦合發電。風-光耦合發電實驗裝置安裝在北京科技大學天津學院(天津市寶坻區)，其緯度南于原地約20 km，兩地日照光能基本相當，而寶坻的風力較強，所以太陽能煉鋼實驗裝置也搬到了北京科技大學天津學院。

表2 風光耦合發電實驗裝置技術參數

模擬“煉鋼生產”實驗

模擬“煉鋼生產”實驗于2014年6—7月在北京科技大學天津學院材料系實驗室進行。每天下午18∶00用10~20 mm粗的廢建筑鋼筋作為自耗電極進行煉鋼熱試，熔化獲得0.4~0.5 kg重的鋼錠。每天風-光耦合發電系統產生的電能存儲于蓄電單元，用于煉鋼。該實驗雖然是每天僅煉成一枚小錠，但實際上是模擬了“連續的生產過程”或“連續的發電—用電過程”[3]。蓄電單元的蓄電電流電壓情況見圖2(a)，冶煉過程的電流電壓情況見圖2(b)，連續實驗7日，每天得到的一枚小鋼錠。

清潔能源的重要技術缺陷是極其不穩定，太陽能光伏發電晝夜差別很大，風力發電更是會瞬間劇烈波動。模擬“煉鋼生產”實驗表明蓄電單元相當于大容量的電容器，局網清潔能源發電結合適當容量的蓄電單元就能支持連續工作的負荷。

清潔能源應用的拓展實驗研究[3-5]

清潔能源電解水溶液制鐵和銅的實驗研究

清潔能源冶金不僅可用于火法冶金，也可以用于濕法冶金。實際上，清潔能源產生的電力是直流電，更適合作為電解電源。清潔能源冶金的拓寬實驗首先用于水溶液電解制鐵和水溶液電解制銅實驗，電解析出的金屬沉積在陰極板上，新生成的鐵表面很容易氧化且容易開裂，新生成的銅性狀良好。因實驗規模所限，未能進行熔鹽電解實驗。

清潔能源電解水制氫氣的實驗研究

清潔能源輸出為直流電，通過直流/交流逆變器，得到50 Hz的工頻交流電，供通用的電解水裝置，得到氫氣和氧氣。用電解水實驗得到的氫氣燃燒產生的氫氧焰切割鋼板見圖3。

清潔能源冶金工業應用前景

清潔能源冶金的優勢

清潔能源冶金是區別于傳統冶金、完全使用新能源的冶金技術，其冶金過程不涉及任何傳統石化能源(包括電網電力)，是超低環境負荷的高端綠色環保制造技術。

在人類的冶金技術史中，鋼鐵冶金等火法冶金始終是碳冶金技術。現行的廢鋼/電弧爐煉鋼流程每噸鋼的綜合碳負荷大約為100~200 kg，礦石/高爐/轉爐煉鋼流程每噸鋼的二氧化碳的排放量約有2000 kg，並伴隨著排放大量的固體廢棄物、硫氧化物、氮氧化物以及廢液等不利于環境保護的物質，不但是能耗大戶，也是環境污染大戶。清潔能源冶金所用的轉化裝置、蓄能裝置、冶煉裝置、物料運輸過程等也涉及傳統能源消耗，計折算到每噸鋼的綜合碳負荷估計約為10 kg左右。清潔能源冶金和現行的鋼鐵生產的能耗、CO2排放、重金屬排放情況的對比(估算)見圖4~圖6。可以看出，清潔能源冶金具有非常大的環境優勢[7]。

潔能源冶金拓展綜合實驗裝置

清潔能源冶金拓展綜合實驗裝置匯總示于圖7，新型清潔能源冶金系統由四項單元技術集成，如圖8。

實驗結果表明，清潔能源冶金拓展綜合實驗系統具有持續而穩定的工作運行能力，能夠彌補清潔能源極其不穩定的重要技術缺陷，目前國內無論光伏電站還是風力電站都有強大的發電能力，能夠保證一定規模的清潔能源冶金工廠的生產，并且通過直流/交流逆變可以供應通用的工頻用戶。

完全依靠清潔能源的煉鋼企業理想的流程可以是：廢鋼—電爐煉鋼—爐外精煉—薄帶連鑄—冷彎型鋼。

一座 40~50 MW的清潔能源局網電站有可能支持一家年產30~50萬噸鋼的小型清潔能源鋼廠，能夠滿足當地對鋼的需求，構成區域內的“鋼”循環經濟。不僅沒有排放和污染，而有助于消納社會廢棄廢鋼。清潔能源局網也能支持(熔鹽)電解鋁、電解鈦，以及用于生產性價比更高的金屬及其合金，也可以支持各種地方企業，有利于分布式地方經濟的發展[1，5-7]。

清潔能源冶金副成果——電解水制氫

清潔能源冶金實驗取得的一個意外的實驗成果就是使用所產生的電力電解水制氫[4，7-8]，最初的想法是制取氫氣作為一種“儲能”方法。

清潔能源冶金拓展實驗的目的是克服其極不穩定的技術缺陷，實驗表明將清潔能源發電和合適容量的蓄電裝置相結合，就能夠穩定的用于連續高溫冶煉，也可以用于水溶液電解制取金屬或電解水制金屬。

國內外對于清潔能源的利用大都是作為現有電力的輔助和補充，太陽能發電和風力發電的能力沒有得到充分利用，有大量的電力被廢棄。而北京科技大學清潔能源冶金科研團隊形成的清潔能源系統，略加調整就能用于大規模制氫(電解水制氫的理論電耗是5 kWh/m3) 。近年來的科學技術發展日益認識到氫是一種有廣泛應用價值重要的資源。首先，氫是最清潔的能源，氫氣燃燒產物僅是水蒸汽，氫燃料汽車已引起人們重視；其次，氫在化工、生物以及醫療等各個方面的應用已引起社會的廣泛興趣。利用廢棄的清潔能源發展“氫經濟”將有非常好的前景。