氢冶金电气自动化技术的发展趋势研究

李勇龙，刘 浩，汪 洋

（河钢集团张宣科技氢冶金公司，河北 张家口 075000）

0 引言

氢冶金技术的背景是全球对于减少温室气体排放和应对气候变化的迫切需求，主要是指利用氢气作为还原剂进行冶金反应的技术。传统冶金过程中通常使用碳或碳化合物作为还原剂，产生大量CO2等温室气体。而氢气冶金则以氢气作为唯一还原剂，通过与金属氧化物反应生成水蒸气，释放出金属，不产生CO2等排放物，具有明显的环保优势，有助于实现低碳经济和可持续发展目标。

电气自动化技术在氢冶金中扮演着重要角色。通过电气自动化技术，可以实现冶金过程中的精确控制、自动化监测和数据分析[1]。例如，自动化系统可以对温度、压力和流量等参数进行实时监测和控制，提高生产过程的稳定性和效率，减少资源浪费和能源消耗。此外，电气自动化技术还可以实现冶金过程的远程监控和智能化管理，提高生产安全性和可靠性。

1 氢冶金电气自动化技术发展历程

氢冶金电气自动化技术是指利用氢能源进行冶金生产，并通过电气自动化系统实现生产过程的自动化控制与管理。

1）氢能源的应用为氢冶金电气自动化技术的发展提供了重要基础。全球范围内的氢能源研发和应用领域不断扩大，为氢冶金提供了更为稳定和高效的能源供应。这为氢冶金电气自动化技术的应用奠定了坚实基础。

2）关键里程碑事件之一是氢冶金电炉技术的突破。传统冶金中，多采用高温燃烧发电制造冶金炉，能源浪费严重，并对环境造成较大压力。而氢冶金电炉的发明改变了这一现状，实现了从传统能源向氢能源的转型。这一技术突破，大大提高了冶金生产效率，同时，也减少了能源消耗和污染排放。

3）在氢冶金电气自动化技术发展的过程中，还有一项重要的突破是电气自动化控制系统的应用。通过智能化管理和自动化控制，冶金生产过程的稳定性和可控性得到提高，保证了产品质量的稳定提升。电气自动化控制系统的应用，不仅提高了冶金生产效率，而且降低了工人的劳动强度和安全风险。

4）近年来，随着人工智能的发展，氢冶金电气自动化技术进入了新的阶段。人工智能技术的应用极大地拓展了自动化控制系统的功能，生产调度更为精细化、智能化。利用大数据和智能算法对冶金参数进行分析和优化，能够高效利用氢能源，并减少循环过程中的能量损失。

2 目前的研究现状

2.1 冶金生产过程控制和优化方面的研究进展

氢冶金电气自动化技术在冶金生产过程的控制和优化方面发挥了重要作用。研究人员通过引入智能化的控制系统和数据分析算法，提高了生产能力、灵活性和可持续性。例如，使用传感器网络实时监测冶金过程中的温度、压力和成分等关键参数，通过数据分析和建模，优化生产过程和工艺参数。同时，采用人工智能和机器学习算法进行预测和实时控制，可以有效控制冶金产品的质量，提高能源利用效率和资源利用率。

2.2 炼铁和炼钢过程的改进

氢冶金电气自动化技术在炼铁和炼钢过程中得到广泛应用。使用氢气作为燃料，取代传统的高温燃烧发电，降低了炉内温度，从而提高了炉内的热传导效率。此外，氢气的应用还能有效减少有害物质的排放。在电弧炉技术中引入氢气，并作为一种还原剂，可有效提高炉水的加热速度，改善钢水成分，并且降低能耗。

2.3 智能配料和控制系统的应用

利用氢冶金电气自动化技术，改进了生产中原料的配料过程。传感器和近红外光谱技术的应用，可以有效监测和调节原材料的混合均匀性和配方精度。同时，智能化的控制系统可以根据既定的配方要求自动调整配料参数、控制喷淋速度，并实时优化运行参数，从而提高产品品质和生产效率。

2.4 应用于铝电解方面的研究进展

氢冶金电气自动化技术在铝电解领域也有广泛应用。通过使用氢气替代传统的燃料供应，可明显优化电解过程中的生产能效，并降低工艺对环境的影响。使用氢气作为反应介质，可以提升铝电解的效率，减少碳排放，实现可持续发展。

2.5 与物联网和区块链技术结合

近年来，氢冶金电气自动化技术还与物联网和区块链技术相结合，形成了更加智能化的平台。通过在生产设备和传感器中引入物联网技术，可以实现生产数据的实时监测、远程操作和故障诊断。同时，通过应用区块链技术，确保了数据不可篡改，为冶金行业的数据共享和合作提供了新的可能性。

2.6 制定体系认证和标准

随着氢冶金电气自动化技术的不断发展，国际组织和政府机构推动并制定出相关的体系认证和标准。这些认证、标准包括安全性、环境友好性和过程优化等方面的要求，可为该技术的应用提供规范指导。

3 发展趋势分析

3.1 现有技术改进与创新

1）高效节能：改进氢冶金电气自动化技术的一个主要目标是提高能源利用效率和降低能源消耗。通过优化自动化控制系统，实现冶炼过程的精细化控制，减少能源的浪费和排放。

2）智能化：随着物联网、云计算和人工智能等技术的发展，氢冶金电气自动化技术也逐渐向智能化方向发展。通过引入智能传感器、智能控制算法等先进技术，提高系统的自动化水平和智能化程度。

3）安全可靠：氢冶金电气自动化技术需要确保操作安全可靠，防止事故和意外发生。因此，改进和创新的方向之一是加强自动化控制系统的安全性能和可靠性，完善监测和报警机制，及时识别和处理潜在的安全隐患。

4）环境友好：氢冶金电气自动化技术的另一个重要目标是减少对环境的影响。改进和创新的方向之一是减少废气和废水的排放，提高资源的利用率，实现绿色冶金生产。

5）身份识别技术：为了确保冶炼过程的安全和可追溯，氢冶金电气自动化技术可以引入身份识别技术，如人脸识别、指纹识别等，对操作人员进行身份验证和权限管理，防止非法操作导致事故发生。

3.2 能源可持续性

3.2.1 焦炉煤气氢冶金技术的应用

国际上，氢冶金还原气体主要使用的是天然气。但我国的天然气储量有限，运输成本巨大。我国的优势在于冶金企业专门配套的焦炉煤气，焦炉煤气中富含55%～65%的H2，10%～15%的CH4，6%～9%的CO和其他一些气体。CH4可在竖炉内反应转化为H2和CO，然后再被利用，具有广阔的应用前景和可持续发展的潜力，可以实现冶金过程中碳的近零排放，在减少对传统石油能源依赖的同时，提高能源利用效率。焦炉煤气氢冶金技术的应用可以促进我国冶金产业绿色转型，提高冶金工艺的环保性和可持续性，为实现可持续能源发展做出贡献。也符合国家对于低碳经济和清洁能源的扶持和推动，焦炉煤气氢冶金在中国的发展前景非常广阔。河钢集团张宣科技氢冶金公司全球首例以焦炉煤气为还原气体的120 万t 氢冶金示范工程如图1 所示，焦炉煤气氢冶金流程如图2所示。

图1 河钢集团张宣科技120 万t 氢冶金示范工程

图2 焦炉煤气氢冶金流程

3.2.2 绿氢制备技术的应用

绿氢是指利用可再生能源分解水得到的氢气，燃烧时只产生水，从源头上真正实现了零碳排放，是纯正的绿色新能源，在全球能源结构转型中扮演着重要角色，只有通过无碳能源生产绿色的氢，才能实现这一目标[2-3]。

3.3 自动化技术的应用

1）安全矩阵在氢冶金中的应用。氢气在冶金过程中广泛应用，然而氢气的高易燃性和爆炸性使冶金过程面临安全挑战。安全矩阵是一种因果关系网络模型，通过实时监控和分析冶金过程，可以对潜在的安全风险进行早期识别和预测。利用安全矩阵可以对冶金设备进行安全状态评估和故障预测，提前采取措施，避免发生安全事故。此外，安全矩阵可以与智能化控制系统相结合，实现对冶金过程的全面安全监测和控制。

2）智能化控制系统在氢冶金中的应用。传统的冶金过程中，工艺参数和操作条件多且复杂，需要人们进行大量的手动操作和监测。智能化控制系统可以通过传感器、数据采集设备等实时监测和采集冶金过程中的各项数据，将其送回到控制中心进行分析和处理。通过人工智能和自动控制算法，可以实时调整冶金过程中的各种参数，从而优化生产效率和产品质量。智能化控制系统使得氢冶金过程更加智能化和精确化，提高了生产的稳定性和一致性。

3）机器人技术在氢冶金中的应用同样具有重要意义[4]。在传统的冶金过程中，许多操作需要工作人员进入高温、高压的环境，存在一定的安全风险。此外，冶金设备通常体量大、结构复杂，维护和检修工作也需要大量的人力。机器人技术可以取代人力完成这些作业，确保工人的安全。机器人可以根据设定的程序进行精确操作，利用各种传感器和检测设备，实时监测冶金过程中的温度、压力和化学物质等参数，并将数据反馈给智能化控制系统进行分析和调整。机器人还可以用于冶金设备的维护和检修，实现自动化的巡检、清洁和维修工作。

4 挑战与展望

4.1 面临的挑战

1）氢冶金电气自动化技术面临的挑战是成本高的问题。目前，氢气的生产和利用成本仍较高，包括催化剂、设备以及电能等方面的成本。此外，氢气储存和输送的成本也是一个关键问题。解决这一挑战的关键是降低相关技术的成本，并且通过技术创新和效益提高来提高整体经济效益。

2）氢冶金电气自动化技术的可行性和可靠性也是一个需要解决的问题。尽管氢冶金电气自动化技术在实验室和小规模试验中已取得一定的突破，但在大规模应用中仍需要充分验证技术的可行性和稳定性。此外，与传统的冶金工艺相比，氢冶金电气自动化技术的控制和运行也面临一定的挑战，需要进一步优化和改进。

3）另一个需要解决的问题是安全性。氢气具有高易燃性和爆炸性，因此，在氢冶金电气自动化技术的应用中，必须确保系统安全。需要采取措施防止氢气泄漏和爆炸，并确保设备和操作符合相关的安全标准和规定，包括设备的安全设计、操作人员的培训和防护措施等方面。

4）氢冶金电气自动化技术还需要加强相关法律法规的制定和推进。针对氢气的生产、储存和利用等环节，建立相应的政策和法规体系，包括安全管理、环境保护和产业发展等方面，推动氢冶金电气自动化技术的应用和发展。

5）要想实现自动化技术在氢冶金领域的全面应用，一是要解决技术成熟度和可行性的问题，包括智能化控制算法的研发和实施、机器人技术在高温环境下的稳定运行等。二是要解决成本和投资的问题，自动化技术的引入需要一定的资金投入和技术支持，对于中小型企业可能存在一定的挑战。三是相关的法律法规和标准也需要与技术进步相适应，确保自动化技术在氢冶金领域的应用符合安全和环保要求。

4.2 展望未来

1）继续推进关键技术的研发和创新。例如，开发更高效的催化剂、改进水解和氢气利用技术等，以提高氢冶金的效率和经济性。

2）加强跨学科的合作。氢冶金电气自动化技术涉及材料科学、化学工程和机械工程等多个领域，需要不同领域的专家和研究人员合作，为技术的发展提供更加丰富的思路和解决方案。

3）加强国际合作和交流。氢能源领域的发展是全球性的，各国之间应加强合作，共同推动氢冶金电气自动化技术的研究和应用，并分享经验和成果。

5 结论

氢冶金电气自动化技术具有良好的发展前景。未来的研究将致力于提高能源利用效率、降低成本、增强安全性，并且扩大其在交通运输、工业制造和能源储存等领域的应用。这将为实现低碳绿色冶金和可持续能源发展作出重要贡献。随着技术的不断发展与创新，氢冶金电气自动化技术有望在实现清洁能源转型和保护环境方面发挥更加重要的作用。同时，要加强政策引导和产业合作，推动中国氢冶金技术的发展，为我国冶金产业的绿色转型和可持续发展做出贡献。