清洁能源冶金及制氢实验

供稿|李士琦，季淑娟 / LI Shi-qi, JI Shu-juan

内容导读

清洁能源冶金区别于传统冶金，是完全使用清洁能源的冶金技术，不涉及任何石化能源，包括常规电力，是超低环境负荷的高端绿色环保制造技术。北京科技大学的研究团队进行了一系列的实验研究：太阳能光伏发电冶金探索实验、风-光耦合发电冶金实验和拓展实验研究。2005年12月，建成独立的太阳能光伏冶金实验系统，进行直流有衬电渣炉重熔实验，获得一枚小钢锭，质量125 g；之后，扩建成独立的风-光互补发电系统，进行了 “连续生产”模拟实验、以及水溶液电解制铁、水溶液电解制铜实验；进行了电解水制氢实验。文章指出，可以预见依托分布式的清洁能源局网、依托当地的废钢资源、建设新能源小钢厂，形成区域性的“钢”循环经济；利用废弃的清洁能源制氢、发展“氢经济”的未来可期。

北京科技大学的科研团队在2005—2014年的近10年间进行了一系列的清洁能源冶金实验研究，大致包括三个阶段：太阳能光伏发电冶金探索实验、风-光耦合发电冶金实验、清洁能源冶金拓展实验。

太阳能光伏发电冶金探索实验

21世纪以来，中国钢铁产量高速增长，稳居世界第一，为国家的经济发展、人民生活水平提高、国防建设提供了坚实的基础[1]，另一方面也消耗了大量的资源和能源，给环境带来了巨大的压力。为此，北京科技大学清洁能源冶金科研团队提出了进行清洁能源冶金实验的设想——不依赖现有的电网电力、用独立的清洁能源进行炼钢[2]：首先，进行系统设计，确定清洁能源冶金实验系统，整个系统按冶金单元特征整合。

冶金单元

根据多年电冶金研究的理论和经验，确定冶金单元为单相直流有衬电渣炉，自耗电极用圆钢，炉容量1.0 kg。

确定电参数

选取工作电压为24 V，供电方式为直流、负极性，炉子底部采用导电的石墨材料，电路中串接简单的电抗。

储能单元容量

根据炉容量为1.0 kg，确定太阳能发电能力和蓄电单元容量为1.3 kWh。

太阳能炼钢实验

太阳能炼钢实验装置安装在北京科技大学冶金与生态工程学院(北京市海淀区)，于2005年12月20日建成、发电、蓄电，于冬至日12月25号进行炼钢热试[2]。北京的冬至日光照时间最短，寒风凛冽，气温很低，是考验单独依靠太阳能能否获得炼钢高温的最严酷时刻。炼钢实验过程通电40 min，获得液体钢水约 125 g，标志着太阳能炼钢实验获得初步成功。具体熔炼参数及见表1。太阳能炼钢实验过程的实物照片见图1。

表1 高温熔炼实验参数

风-光耦合发电和模拟“炼钢生产”实验

风-光耦合发电系统

在探索实验获得初步成功的基础上，将发电单元升级，在原来的光伏发电系统的蓄电单元上并联一台风力发电机，构成风-光耦合发电系统，具体技术参数见表2。风-光耦合发电系统白天在太阳光照耀、光伏单元发电，夜晚晚风劲吹、风力发电，构成24 h不间断风-光耦合发电。风-光耦合发电实验装置安装在北京科技大学天津学院(天津市宝坻区)，其纬度南于原地约20 km，两地日照光能基本相当，而宝坻的风力较强，所以太阳能炼钢实验装置也搬到了北京科技大学天津学院。

表2 风光耦合发电实验装置技术参数

模拟“炼钢生产”实验

模拟“炼钢生产”实验于2014年6—7月在北京科技大学天津学院材料系实验室进行。每天下午18∶00用10~20 mm粗的废建筑钢筋作为自耗电极进行炼钢热试，熔化获得0.4~0.5 kg重的钢锭。每天风-光耦合发电系统产生的电能存储于蓄电单元，用于炼钢。该实验虽然是每天仅炼成一枚小锭，但实际上是模拟了“连续的生产过程”或“连续的发电—用电过程”[3]。蓄电单元的蓄电电流电压情况见图2(a)，冶炼过程的电流电压情况见图2(b)，连续实验7日，每天得到的一枚小钢锭。

清洁能源的重要技术缺陷是极其不稳定，太阳能光伏发电昼夜差别很大，风力发电更是会瞬间剧烈波动。模拟“炼钢生产”实验表明蓄电单元相当于大容量的电容器，局网清洁能源发电结合适当容量的蓄电单元就能支持连续工作的负荷。

清洁能源应用的拓展实验研究[3-5]

清洁能源电解水溶液制铁和铜的实验研究

清洁能源冶金不仅可用于火法冶金，也可以用于湿法冶金。实际上，清洁能源产生的电力是直流电，更适合作为电解电源。清洁能源冶金的拓宽实验首先用于水溶液电解制铁和水溶液电解制铜实验，电解析出的金属沉积在阴极板上，新生成的铁表面很容易氧化且容易开裂，新生成的铜性状良好。因实验规模所限，未能进行熔盐电解实验。

清洁能源电解水制氢气的实验研究

清洁能源输出为直流电，通过直流/交流逆变器，得到50 Hz的工频交流电，供通用的电解水装置，得到氢气和氧气。用电解水实验得到的氢气燃烧产生的氢氧焰切割钢板见图3。

清洁能源冶金工业应用前景

清洁能源冶金的优势

清洁能源冶金是区别于传统冶金、完全使用新能源的冶金技术，其冶金过程不涉及任何传统石化能源(包括电网电力)，是超低环境负荷的高端绿色环保制造技术。

在人类的冶金技术史中，钢铁冶金等火法冶金始终是碳冶金技术。现行的废钢/电弧炉炼钢流程每吨钢的综合碳负荷大约为100~200 kg，矿石/高炉/转炉炼钢流程每吨钢的二氧化碳的排放量约有2000 kg，並伴随着排放大量的固体废弃物、硫氧化物、氮氧化物以及废液等不利于环境保护的物质，不但是能耗大户，也是环境污染大户。清洁能源冶金所用的转化装置、蓄能装置、冶炼装置、物料运输过程等也涉及传统能源消耗，计折算到每吨钢的综合碳负荷估计约为10 kg左右。清洁能源冶金和现行的钢铁生产的能耗、CO2排放、重金属排放情况的对比(估算)见图4~图6。可以看出，清洁能源冶金具有非常大的环境优势[7]。

洁能源冶金拓展综合实验装置

清洁能源冶金拓展综合实验装置汇总示于图7，新型清洁能源冶金系统由四项单元技术集成，如图8。

实验结果表明，清洁能源冶金拓展综合实验系统具有持续而稳定的工作运行能力，能够弥补清洁能源极其不稳定的重要技术缺陷，目前国内无论光伏电站还是风力电站都有强大的发电能力，能够保证一定规模的清洁能源冶金工厂的生产，并且通过直流/交流逆变可以供应通用的工频用户。

完全依靠清洁能源的炼钢企业理想的流程可以是：废钢—电炉炼钢—炉外精炼—薄带连铸—冷弯型钢。

一座 40~50 MW的清洁能源局网电站有可能支持一家年产30~50万吨钢的小型清洁能源钢厂，能够满足当地对钢的需求，构成区域内的“钢”循环经济。不仅没有排放和污染，而有助于消纳社会废弃废钢。清洁能源局网也能支持(熔盐)电解铝、电解钛，以及用于生产性价比更高的金属及其合金，也可以支持各种地方企业，有利于分布式地方经济的发展[1，5-7]。

清洁能源冶金副成果——电解水制氢

清洁能源冶金实验取得的一个意外的实验成果就是使用所产生的电力电解水制氢[4，7-8]，最初的想法是制取氢气作为一种“储能”方法。

清洁能源冶金拓展实验的目的是克服其极不稳定的技术缺陷，实验表明将清洁能源发电和合适容量的蓄电装置相结合，就能够稳定的用于连续高温冶炼，也可以用于水溶液电解制取金属或电解水制金属。

国内外对于清洁能源的利用大都是作为现有电力的辅助和补充，太阳能发电和风力发电的能力没有得到充分利用，有大量的电力被废弃。而北京科技大学清洁能源冶金科研团队形成的清洁能源系统，略加调整就能用于大规模制氢(电解水制氢的理论电耗是5 kWh/m3) 。近年来的科学技术发展日益认识到氢是一种有广泛应用价值重要的资源。首先，氢是最清洁的能源，氢气燃烧产物仅是水蒸汽，氢燃料汽车已引起人们重视；其次，氢在化工、生物以及医疗等各个方面的应用已引起社会的广泛兴趣。利用废弃的清洁能源发展“氢经济”将有非常好的前景。