氫冶金電氣自動化技術的發展趨勢研究

李勇龍，劉 浩，汪 洋

（河鋼集團張宣科技氫冶金公司，河北 張家口 075000）

0 引言

氫冶金技術的背景是全球對于減少溫室氣體排放和應對氣候變化的迫切需求，主要是指利用氫氣作為還原劑進行冶金反應的技術。傳統冶金過程中通常使用碳或碳化合物作為還原劑，產生大量CO2等溫室氣體。而氫氣冶金則以氫氣作為唯一還原劑，通過與金屬氧化物反應生成水蒸氣，釋放出金屬，不產生CO2等排放物，具有明顯的環保優勢，有助于實現低碳經濟和可持續發展目標。

電氣自動化技術在氫冶金中扮演著重要角色。通過電氣自動化技術，可以實現冶金過程中的精確控制、自動化監測和數據分析[1]。例如，自動化系統可以對溫度、壓力和流量等參數進行實時監測和控制，提高生產過程的穩定性和效率，減少資源浪費和能源消耗。此外，電氣自動化技術還可以實現冶金過程的遠程監控和智能化管理，提高生產安全性和可靠性。

1 氫冶金電氣自動化技術發展歷程

氫冶金電氣自動化技術是指利用氫能源進行冶金生產，并通過電氣自動化系統實現生產過程的自動化控制與管理。

1）氫能源的應用為氫冶金電氣自動化技術的發展提供了重要基礎。全球范圍內的氫能源研發和應用領域不斷擴大，為氫冶金提供了更為穩定和高效的能源供應。這為氫冶金電氣自動化技術的應用奠定了堅實基礎。

2）關鍵里程碑事件之一是氫冶金電爐技術的突破。傳統冶金中，多采用高溫燃燒發電制造冶金爐，能源浪費嚴重，并對環境造成較大壓力。而氫冶金電爐的發明改變了這一現狀，實現了從傳統能源向氫能源的轉型。這一技術突破，大大提高了冶金生產效率，同時，也減少了能源消耗和污染排放。

3）在氫冶金電氣自動化技術發展的過程中，還有一項重要的突破是電氣自動化控制系統的應用。通過智能化管理和自動化控制，冶金生產過程的穩定性和可控性得到提高，保證了產品質量的穩定提升。電氣自動化控制系統的應用，不僅提高了冶金生產效率，而且降低了工人的勞動強度和安全風險。

4）近年來，隨著人工智能的發展，氫冶金電氣自動化技術進入了新的階段。人工智能技術的應用極大地拓展了自動化控制系統的功能，生產調度更為精細化、智能化。利用大數據和智能算法對冶金參數進行分析和優化，能夠高效利用氫能源，并減少循環過程中的能量損失。

2 目前的研究現狀

2.1 冶金生產過程控制和優化方面的研究進展

氫冶金電氣自動化技術在冶金生產過程的控制和優化方面發揮了重要作用。研究人員通過引入智能化的控制系統和數據分析算法，提高了生產能力、靈活性和可持續性。例如，使用傳感器網絡實時監測冶金過程中的溫度、壓力和成分等關鍵參數，通過數據分析和建模，優化生產過程和工藝參數。同時，采用人工智能和機器學習算法進行預測和實時控制，可以有效控制冶金產品的質量，提高能源利用效率和資源利用率。

2.2 煉鐵和煉鋼過程的改進

氫冶金電氣自動化技術在煉鐵和煉鋼過程中得到廣泛應用。使用氫氣作為燃料，取代傳統的高溫燃燒發電，降低了爐內溫度，從而提高了爐內的熱傳導效率。此外，氫氣的應用還能有效減少有害物質的排放。在電弧爐技術中引入氫氣，并作為一種還原劑，可有效提高爐水的加熱速度，改善鋼水成分，并且降低能耗。

2.3 智能配料和控制系統的應用

利用氫冶金電氣自動化技術，改進了生產中原料的配料過程。傳感器和近紅外光譜技術的應用，可以有效監測和調節原材料的混合均勻性和配方精度。同時，智能化的控制系統可以根據既定的配方要求自動調整配料參數、控制噴淋速度，并實時優化運行參數，從而提高產品品質和生產效率。

2.4 應用于鋁電解方面的研究進展

氫冶金電氣自動化技術在鋁電解領域也有廣泛應用。通過使用氫氣替代傳統的燃料供應，可明顯優化電解過程中的生產能效，并降低工藝對環境的影響。使用氫氣作為反應介質，可以提升鋁電解的效率，減少碳排放，實現可持續發展。

2.5 與物聯網和區塊鏈技術結合

近年來，氫冶金電氣自動化技術還與物聯網和區塊鏈技術相結合，形成了更加智能化的平臺。通過在生產設備和傳感器中引入物聯網技術，可以實現生產數據的實時監測、遠程操作和故障診斷。同時，通過應用區塊鏈技術，確保了數據不可篡改，為冶金行業的數據共享和合作提供了新的可能性。

2.6 制定體系認證和標準

隨著氫冶金電氣自動化技術的不斷發展，國際組織和政府機構推動并制定出相關的體系認證和標準。這些認證、標準包括安全性、環境友好性和過程優化等方面的要求，可為該技術的應用提供規范指導。

3 發展趨勢分析

3.1 現有技術改進與創新

1）高效節能：改進氫冶金電氣自動化技術的一個主要目標是提高能源利用效率和降低能源消耗。通過優化自動化控制系統，實現冶煉過程的精細化控制，減少能源的浪費和排放。

2）智能化：隨著物聯網、云計算和人工智能等技術的發展，氫冶金電氣自動化技術也逐漸向智能化方向發展。通過引入智能傳感器、智能控制算法等先進技術，提高系統的自動化水平和智能化程度。

3）安全可靠：氫冶金電氣自動化技術需要確保操作安全可靠，防止事故和意外發生。因此，改進和創新的方向之一是加強自動化控制系統的安全性能和可靠性，完善監測和報警機制，及時識別和處理潛在的安全隱患。

4）環境友好：氫冶金電氣自動化技術的另一個重要目標是減少對環境的影響。改進和創新的方向之一是減少廢氣和廢水的排放，提高資源的利用率，實現綠色冶金生產。

5）身份識別技術：為了確保冶煉過程的安全和可追溯，氫冶金電氣自動化技術可以引入身份識別技術，如人臉識別、指紋識別等，對操作人員進行身份驗證和權限管理，防止非法操作導致事故發生。

3.2 能源可持續性

3.2.1 焦爐煤氣氫冶金技術的應用

國際上，氫冶金還原氣體主要使用的是天然氣。但我國的天然氣儲量有限，運輸成本巨大。我國的優勢在于冶金企業專門配套的焦爐煤氣，焦爐煤氣中富含55%～65%的H2，10%～15%的CH4，6%～9%的CO和其他一些氣體。CH4可在豎爐內反應轉化為H2和CO，然后再被利用，具有廣闊的應用前景和可持續發展的潛力，可以實現冶金過程中碳的近零排放，在減少對傳統石油能源依賴的同時，提高能源利用效率。焦爐煤氣氫冶金技術的應用可以促進我國冶金產業綠色轉型，提高冶金工藝的環保性和可持續性，為實現可持續能源發展做出貢獻。也符合國家對于低碳經濟和清潔能源的扶持和推動，焦爐煤氣氫冶金在中國的發展前景非常廣闊。河鋼集團張宣科技氫冶金公司全球首例以焦爐煤氣為還原氣體的120 萬t 氫冶金示范工程如圖1 所示，焦爐煤氣氫冶金流程如圖2所示。

圖1 河鋼集團張宣科技120 萬t 氫冶金示范工程

圖2 焦爐煤氣氫冶金流程

3.2.2 綠氫制備技術的應用

綠氫是指利用可再生能源分解水得到的氫氣，燃燒時只產生水，從源頭上真正實現了零碳排放，是純正的綠色新能源，在全球能源結構轉型中扮演著重要角色，只有通過無碳能源生產綠色的氫，才能實現這一目標[2-3]。

3.3 自動化技術的應用

1）安全矩陣在氫冶金中的應用。氫氣在冶金過程中廣泛應用，然而氫氣的高易燃性和爆炸性使冶金過程面臨安全挑戰。安全矩陣是一種因果關系網絡模型，通過實時監控和分析冶金過程，可以對潛在的安全風險進行早期識別和預測。利用安全矩陣可以對冶金設備進行安全狀態評估和故障預測，提前采取措施，避免發生安全事故。此外，安全矩陣可以與智能化控制系統相結合，實現對冶金過程的全面安全監測和控制。

2）智能化控制系統在氫冶金中的應用。傳統的冶金過程中，工藝參數和操作條件多且復雜，需要人們進行大量的手動操作和監測。智能化控制系統可以通過傳感器、數據采集設備等實時監測和采集冶金過程中的各項數據，將其送回到控制中心進行分析和處理。通過人工智能和自動控制算法，可以實時調整冶金過程中的各種參數，從而優化生產效率和產品質量。智能化控制系統使得氫冶金過程更加智能化和精確化，提高了生產的穩定性和一致性。

3）機器人技術在氫冶金中的應用同樣具有重要意義[4]。在傳統的冶金過程中，許多操作需要工作人員進入高溫、高壓的環境，存在一定的安全風險。此外，冶金設備通常體量大、結構復雜，維護和檢修工作也需要大量的人力。機器人技術可以取代人力完成這些作業，確保工人的安全。機器人可以根據設定的程序進行精確操作，利用各種傳感器和檢測設備，實時監測冶金過程中的溫度、壓力和化學物質等參數，并將數據反饋給智能化控制系統進行分析和調整。機器人還可以用于冶金設備的維護和檢修，實現自動化的巡檢、清潔和維修工作。

4 挑戰與展望

4.1 面臨的挑戰

1）氫冶金電氣自動化技術面臨的挑戰是成本高的問題。目前，氫氣的生產和利用成本仍較高，包括催化劑、設備以及電能等方面的成本。此外，氫氣儲存和輸送的成本也是一個關鍵問題。解決這一挑戰的關鍵是降低相關技術的成本，并且通過技術創新和效益提高來提高整體經濟效益。

2）氫冶金電氣自動化技術的可行性和可靠性也是一個需要解決的問題。盡管氫冶金電氣自動化技術在實驗室和小規模試驗中已取得一定的突破，但在大規模應用中仍需要充分驗證技術的可行性和穩定性。此外，與傳統的冶金工藝相比，氫冶金電氣自動化技術的控制和運行也面臨一定的挑戰，需要進一步優化和改進。

3）另一個需要解決的問題是安全性。氫氣具有高易燃性和爆炸性，因此，在氫冶金電氣自動化技術的應用中，必須確保系統安全。需要采取措施防止氫氣泄漏和爆炸，并確保設備和操作符合相關的安全標準和規定，包括設備的安全設計、操作人員的培訓和防護措施等方面。

4）氫冶金電氣自動化技術還需要加強相關法律法規的制定和推進。針對氫氣的生產、儲存和利用等環節，建立相應的政策和法規體系，包括安全管理、環境保護和產業發展等方面，推動氫冶金電氣自動化技術的應用和發展。

5）要想實現自動化技術在氫冶金領域的全面應用，一是要解決技術成熟度和可行性的問題，包括智能化控制算法的研發和實施、機器人技術在高溫環境下的穩定運行等。二是要解決成本和投資的問題，自動化技術的引入需要一定的資金投入和技術支持，對于中小型企業可能存在一定的挑戰。三是相關的法律法規和標準也需要與技術進步相適應，確保自動化技術在氫冶金領域的應用符合安全和環保要求。

4.2 展望未來

1）繼續推進關鍵技術的研發和創新。例如，開發更高效的催化劑、改進水解和氫氣利用技術等，以提高氫冶金的效率和經濟性。

2）加強跨學科的合作。氫冶金電氣自動化技術涉及材料科學、化學工程和機械工程等多個領域，需要不同領域的專家和研究人員合作，為技術的發展提供更加豐富的思路和解決方案。

3）加強國際合作和交流。氫能源領域的發展是全球性的，各國之間應加強合作，共同推動氫冶金電氣自動化技術的研究和應用，并分享經驗和成果。

5 結論

氫冶金電氣自動化技術具有良好的發展前景。未來的研究將致力于提高能源利用效率、降低成本、增強安全性，并且擴大其在交通運輸、工業制造和能源儲存等領域的應用。這將為實現低碳綠色冶金和可持續能源發展作出重要貢獻。隨著技術的不斷發展與創新，氫冶金電氣自動化技術有望在實現清潔能源轉型和保護環境方面發揮更加重要的作用。同時，要加強政策引導和產業合作，推動中國氫冶金技術的發展，為我國冶金產業的綠色轉型和可持續發展做出貢獻。