近日，由中冶京誠總體設(shè)計(jì)的河鋼張宣科技?xì)淠茉撮_發(fā)和利用工程示范項(xiàng)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(xiàng)指標(biāo)達(dá)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(xiàng)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(xiàng)由河鋼集團(tuán)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(xiàng)目一期工程，在河鋼集團(tuán)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(dá)8∶1以上，產(chǎn)品——綠色高純直接還原鐵金屬化率達(dá)到94%以上，達(dá)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(dá)80萬噸，減排比例達(dá)到70%。中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)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(shí)代。

走近全球首例120萬噸氫冶金工程示范項(xiàng)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。

重構(gòu)用能體系——打破鋼鐵碳減排的天花板

近年來，氣候變化成為全球持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)，各國都致力于推進(jìn)碳減排行動(dòng)。作為被重點(diǎn)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(xiàn)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)?？梢姡撹F行業(yè)的碳減排任務(wù)十分艱巨，推進(jìn)鋼鐵工業(yè)降碳是我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)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(dá)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(jī)制（CBAM）正式生效，意味著鋼鐵、水泥等多個(gè)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(shí)，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(jià)報(bào)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(huì)通過“碳成本提升”直接影響鋼鐵產(chǎn)品的國際競爭力，還會(huì)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(shí)現(xiàn)突破性碳減排，必須要從能源這個(gè)源頭入手。重構(gòu)鋼鐵生產(chǎn)用能體系，這個(gè)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(shí)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(shí)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(kuò)散速度約為一氧化碳的4倍，其還原產(chǎn)物水的擴(kuò)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(xì)微的孔隙達(dá)到反應(yīng)界面，還原后生成的水蒸氣也比二氧化碳擴(kuò)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?？梢?，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(bǔ)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(jìn)而提高我國高端綠色低碳鋼鐵產(chǎn)品的國際競爭力。

勇闖創(chuàng)新無人區(qū)——引領(lǐng)世界鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展的顛覆性變革

為了有力抓住重構(gòu)鋼鐵生產(chǎn)用能體系的發(fā)展機(jī)遇，中冶京誠攜手河鋼集團(tuán)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(gè)前提。

一是必須有豐富且廉價(jià)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(jì)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(xiàng)目一期工程為未來實(shí)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(jìn)步，相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測在2025年~2030年，大規(guī)模廉價(jià)的氫氣將大量應(yīng)用于全社會(huì)，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(shí)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(jìn)行還原煉鐵，從原理角度是最接近氫冶金理念的。因此，要實(shí)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(tuán)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(jìn)行了首次公開發(fā)布，并確定河鋼集團(tuán)全球首套氫冶金項(xiàng)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(jìn)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(jì)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。

以智慧驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)——推動(dòng)氫冶金工程全面實(shí)現(xiàn)綠色智造和智造綠色

今天，河鋼集團(tuán)在現(xiàn)有設(shè)計(jì)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(yùn)營管控新理念。

其實(shí)，在該項(xiàng)目建設(shè)之初，中冶京誠與河鋼集團(tuán)就為全廠設(shè)計(jì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)打造鋼廠的數(shù)字孿生體。目前，中冶京誠與河鋼集團(tuán)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(shí)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(xiàng)目以“一張藍(lán)圖管到底”為基本思想，實(shí)現(xiàn)氫冶金全產(chǎn)線從設(shè)計(jì)、建設(shè)到運(yùn)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(shí)現(xiàn)一體化管控。該項(xiàng)目的主要思路是以自動(dòng)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(jià)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建全球首例氫冶金智能應(yīng)用，實(shí)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(jì)為先導(dǎo)，以虛仿實(shí)。依托中冶京誠BIM設(shè)計(jì)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(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)于一體的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，并對整個(gè)產(chǎn)線進(jìn)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(shí)。搭建氫冶金工程數(shù)據(jù)中心，匯聚設(shè)計(jì)、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(shí)現(xiàn)工程建造全生命周期信息（如設(shè)計(jì)、采購、制造、施工、安裝和調(diào)試）的集中存儲(chǔ)，節(jié)省設(shè)計(jì)、施工全過程時(shí)間，提高建設(shè)效率。

三是以智控為血脈，以虛控實(shí)。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(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行，并為產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)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(jī)、燃燒、冷卻塔、豎爐、外部冷卻器等全套數(shù)字模型，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算，實(shí)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(shí)。打造鋼企信息化架構(gòu)，建設(shè)了ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)、產(chǎn)銷系統(tǒng)、實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)智慧決策，向著以虛預(yù)實(shí)的方向不斷前進(jìn)。

“氫”啟綠色，“智”聯(lián)世界，“能”創(chuàng)未來。中冶京誠與河鋼集團(tuán)將進(jìn)一步助力氫冶金工程向著虛實(shí)共生的綠色智能化方向不斷前進(jìn)，將河鋼集團(tuán)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(jìn)步為己任，不斷深耕氫能與鋼鐵的融合創(chuàng)新，驅(qū)動(dòng)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(shí)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。