李勇龍，劉 浩，汪 洋

（河鋼集團張宣科技?xì)湟苯鸸?，河?張家口 075000）

0 引言

氫冶金技術(shù)的背景是全球?qū)τ跍p少溫室氣體排放和應(yīng)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(yīng)的技術(shù)。傳統(tǒng)冶金過程中通常使用碳或碳化合物作為還原劑，產(chǎn)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(yīng)生成水蒸氣，釋放出金屬，不產(chǎn)生CO2等排放物，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢，有助于實現(xiàn)低碳經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

電氣自動化技術(shù)在氫冶金中扮演著重要角色。通過電氣自動化技術(shù)，可以實現(xiàn)冶金過程中的精確控制、自動化監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析[1]。例如，自動化系統(tǒng)可以對溫度、壓力和流量等參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制，提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)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(shù)還可以實現(xiàn)冶金過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能化管理，提高生產(chǎn)安全性和可靠性。

1 氫冶金電氣自動化技術(shù)發(fā)展歷程

氫冶金電氣自動化技術(shù)是指利用氫能源進行冶金生產(chǎn)，并通過電氣自動化系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制與管理。

1）氫能源的應(yīng)用為氫冶金電氣自動化技術(shù)的發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)。全球范圍內(nèi)的氫能源研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，為氫冶金提供了更為穩(wěn)定和高效的能源供應(yīng)。這為氫冶金電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

2）關(guān)鍵里程碑事件之一是氫冶金電爐技術(shù)的突破。傳統(tǒng)冶金中，多采用高溫燃燒發(fā)電制造冶金爐，能源浪費嚴(yán)重，并對環(huán)境造成較大壓力。而氫冶金電爐的發(fā)明改變了這一現(xiàn)狀，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)能源向氫能源的轉(zhuǎn)型。這一技術(shù)突破，大大提高了冶金生產(chǎn)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(shù)發(fā)展的過程中，還有一項重要的突破是電氣自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。通過智能化管理和自動化控制，冶金生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和可控性得到提高，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提升。電氣自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅提高了冶金生產(chǎn)效率，而且降低了工人的勞動強度和安全風(fēng)險。

4）近年來，隨著人工智能的發(fā)展，氫冶金電氣自動化技術(shù)進入了新的階段。人工智能技術(shù)的應(yīng)用極大地拓展了自動化控制系統(tǒng)的功能，生產(chǎn)調(diào)度更為精細(xì)化、智能化。利用大數(shù)據(jù)和智能算法對冶金參數(shù)進行分析和優(yōu)化，能夠高效利用氫能源，并減少循環(huán)過程中的能量損失。

2 目前的研究現(xiàn)狀

2.1 冶金生產(chǎn)過程控制和優(yōu)化方面的研究進展

氫冶金電氣自動化技術(shù)在冶金生產(chǎn)過程的控制和優(yōu)化方面發(fā)揮了重要作用。研究人員通過引入智能化的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析算法，提高了生產(chǎn)能力、靈活性和可持續(xù)性。例如，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測冶金過程中的溫度、壓力和成分等關(guān)鍵參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析和建模，優(yōu)化生產(chǎn)過程和工藝參數(shù)。同時，采用人工智能和機器學(xué)習(xí)算法進行預(yù)測和實時控制，可以有效控制冶金產(chǎn)品的質(zhì)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(shù)在煉鐵和煉鋼過程中得到廣泛應(yīng)用。使用氫氣作為燃料，取代傳統(tǒng)的高溫燃燒發(fā)電，降低了爐內(nèi)溫度，從而提高了爐內(nèi)的熱傳導(dǎo)效率。此外，氫氣的應(yīng)用還能有效減少有害物質(zhì)的排放。在電弧爐技術(shù)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(tǒng)的應(yīng)用

利用氫冶金電氣自動化技術(shù)，改進了生產(chǎn)中原料的配料過程。傳感器和近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用，可以有效監(jiān)測和調(diào)節(jié)原材料的混合均勻性和配方精度。同時，智能化的控制系統(tǒng)可以根據(jù)既定的配方要求自動調(diào)整配料參數(shù)、控制噴淋速度，并實時優(yōu)化運行參數(shù)，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

2.4 應(yīng)用于鋁電解方面的研究進展

氫冶金電氣自動化技術(shù)在鋁電解領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。通過使用氫氣替代傳統(tǒng)的燃料供應(yīng)，可明顯優(yōu)化電解過程中的生產(chǎn)能效，并降低工藝對環(huán)境的影響。使用氫氣作為反應(yīng)介質(zhì)，可以提升鋁電解的效率，減少碳排放，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2.5 與物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合

近年來，氫冶金電氣自動化技術(shù)還與物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，形成了更加智能化的平臺。通過在生產(chǎn)設(shè)備和傳感器中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程操作和故障診斷。同時，通過應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，確保了數(shù)據(jù)不可篡改，為冶金行業(yè)的數(shù)據(jù)共享和合作提供了新的可能性。

2.6 制定體系認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)

隨著氫冶金電氣自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，國際組織和政府機構(gòu)推動并制定出相關(guān)的體系認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)。這些認(rèn)證、標(biāo)準(zhǔn)包括安全性、環(huán)境友好性和過程優(yōu)化等方面的要求，可為該技術(shù)的應(yīng)用提供規(guī)范指導(dǎo)。

3 發(fā)展趨勢分析

3.1 現(xiàn)有技術(shù)改進與創(chuàng)新

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

2）智能化：隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，氫冶金電氣自動化技術(shù)也逐漸向智能化方向發(fā)展。通過引入智能傳感器、智能控制算法等先進技術(shù)，提高系統(tǒng)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(shù)需要確保操作安全可靠，防止事故和意外發(fā)生。因此，改進和創(chuàng)新的方向之一是加強自動化控制系統(tǒng)的安全性能和可靠性，完善監(jiān)測和報警機制，及時識別和處理潛在的安全隱患。

4）環(huán)境友好：氫冶金電氣自動化技術(shù)的另一個重要目標(biāo)是減少對環(huán)境的影響。改進和創(chuàng)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(xiàn)綠色冶金生產(chǎn)。

5）身份識別技術(shù)：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(shù)可以引入身份識別技術(shù)，如人臉識別、指紋識別等，對操作人員進行身份驗證和權(quán)限管理，防止非法操作導(dǎo)致事故發(fā)生。

3.2 能源可持續(xù)性

3.2.1 焦?fàn)t煤氣氫冶金技術(shù)的應(yīng)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(yōu)勢在于冶金企業(yè)專門配套的焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t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(nèi)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2和CO，然后再被利用，具有廣闊的應(yīng)用前景和可持續(xù)發(fā)展的潛力，可以實現(xiàn)冶金過程中碳的近零排放，在減少對傳統(tǒng)石油能源依賴的同時，提高能源利用效率。焦?fàn)t煤氣氫冶金技術(shù)的應(yīng)用可以促進我國冶金產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，提高冶金工藝的環(huán)保性和可持續(xù)性，為實現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展做出貢獻。也符合國家對于低碳經(jīng)濟和清潔能源的扶持和推動，焦?fàn)t煤氣氫冶金在中國的發(fā)展前景非常廣闊。河鋼集團張宣科技?xì)湟苯鸸救蚴桌越範(fàn)t煤氣為還原氣體的120 萬t 氫冶金示范工程如圖1 所示，焦?fàn)t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?fàn)t煤氣氫冶金流程

3.2.2 綠氫制備技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)生水，從源頭上真正實現(xiàn)了零碳排放，是純正的綠色新能源，在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中扮演著重要角色，只有通過無碳能源生產(chǎn)綠色的氫，才能實現(xiàn)這一目標(biāo)[2-3]。

3.3 自動化技術(shù)的應(yīng)用

1）安全矩陣在氫冶金中的應(yīng)用。氫氣在冶金過程中廣泛應(yīng)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(zhàn)。安全矩陣是一種因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型，通過實時監(jiān)控和分析冶金過程，可以對潛在的安全風(fēng)險進行早期識別和預(yù)測。利用安全矩陣可以對冶金設(shè)備進行安全狀態(tài)評估和故障預(yù)測，提前采取措施，避免發(fā)生安全事故。此外，安全矩陣可以與智能化控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)對冶金過程的全面安全監(jiān)測和控制。

2）智能化控制系統(tǒng)在氫冶金中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的冶金過程中，工藝參數(shù)和操作條件多且復(fù)雜，需要人們進行大量的手動操作和監(jiān)測。智能化控制系統(tǒng)可以通過傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等實時監(jiān)測和采集冶金過程中的各項數(shù)據(jù)，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(diào)整冶金過程中的各種參數(shù)，從而優(yōu)化生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。智能化控制系統(tǒng)使得氫冶金過程更加智能化和精確化，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和一致性。

3）機器人技術(shù)在氫冶金中的應(yīng)用同樣具有重要意義[4]。在傳統(tǒng)的冶金過程中，許多操作需要工作人員進入高溫、高壓的環(huán)境，存在一定的安全風(fēng)險。此外，冶金設(shè)備通常體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護和檢修工作也需要大量的人力。機器人技術(shù)可以取代人力完成這些作業(yè)，確保工人的安全。機器人可以根據(jù)設(shè)定的程序進行精確操作，利用各種傳感器和檢測設(shè)備，實時監(jiān)測冶金過程中的溫度、壓力和化學(xué)物質(zhì)等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)反饋給智能化控制系統(tǒng)進行分析和調(diào)整。機器人還可以用于冶金設(shè)備的維護和檢修，實現(xiàn)自動化的巡檢、清潔和維修工作。

4 挑戰(zhàn)與展望

4.1 面臨的挑戰(zhàn)

1）氫冶金電氣自動化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是成本高的問題。目前，氫氣的生產(chǎn)和利用成本仍較高，包括催化劑、設(shè)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(guān)鍵問題。解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是降低相關(guān)技術(shù)的成本，并且通過技術(shù)創(chuàng)新和效益提高來提高整體經(jīng)濟效益。

2）氫冶金電氣自動化技術(shù)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(shù)在實驗室和小規(guī)模試驗中已取得一定的突破，但在大規(guī)模應(yīng)用中仍需要充分驗證技術(shù)的可行性和穩(wěn)定性。此外，與傳統(tǒng)的冶金工藝相比，氫冶金電氣自動化技術(shù)的控制和運行也面臨一定的挑戰(zhàn)，需要進一步優(yōu)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(shù)的應(yīng)用中，必須確保系統(tǒng)安全。需要采取措施防止氫氣泄漏和爆炸，并確保設(shè)備和操作符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，包括設(shè)備的安全設(shè)計、操作人員的培訓(xùn)和防護措施等方面。

4）氫冶金電氣自動化技術(shù)還需要加強相關(guān)法律法規(guī)的制定和推進。針對氫氣的生產(chǎn)、儲存和利用等環(huán)節(jié)，建立相應(yīng)的政策和法規(guī)體系，包括安全管理、環(huán)境保護和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面，推動氫冶金電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

5）要想實現(xiàn)自動化技術(shù)在氫冶金領(lǐng)域的全面應(yīng)用，一是要解決技術(shù)成熟度和可行性的問題，包括智能化控制算法的研發(fā)和實施、機器人技術(shù)在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運行等。二是要解決成本和投資的問題，自動化技術(shù)的引入需要一定的資金投入和技術(shù)支持，對于中小型企業(yè)可能存在一定的挑戰(zhàn)。三是相關(guān)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也需要與技術(shù)進步相適應(yīng)，確保自動化技術(shù)在氫冶金領(lǐng)域的應(yīng)用符合安全和環(huán)保要求。

4.2 展望未來

1）繼續(xù)推進關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新。例如，開發(fā)更高效的催化劑、改進水解和氫氣利用技術(shù)等，以提高氫冶金的效率和經(jīng)濟性。

2）加強跨學(xué)科的合作。氫冶金電氣自動化技術(shù)涉及材料科學(xué)、化學(xué)工程和機械工程等多個領(lǐng)域，需要不同領(lǐng)域的專家和研究人員合作，為技術(shù)的發(fā)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(lǐng)域的發(fā)展是全球性的，各國之間應(yīng)加強合作，共同推動氫冶金電氣自動化技術(shù)的研究和應(yīng)用，并分享經(jīng)驗和成果。

5 結(jié)論

氫冶金電氣自動化技術(shù)具有良好的發(fā)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(yè)制造和能源儲存等領(lǐng)域的應(yīng)用。這將為實現(xiàn)低碳綠色冶金和可持續(xù)能源發(fā)展作出重要貢獻。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，氫冶金電氣自動化技術(shù)有望在實現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型和保護環(huán)境方面發(fā)揮更加重要的作用。同時，要加強政策引導(dǎo)和產(chǎn)業(yè)合作，推動中國氫冶金技術(shù)的發(fā)展，為我國冶金產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。